作  者

范婉婉、王涛、侯晋雄、任忠凯、黄庆学、吴光辉

机  构

太原理工大学

Citation

Fan W W, Wang T, Hou J X, Ren Z K, Huang Q X and Wu G H. 2024. Pulsed current-assisted twelve-roll precision rolling deformation of SUS304 ultra-thin strips with exceptional mechanical properties. Int. J. Extrem. Manuf. 6 045101. 

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad4073 

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

SUS304不锈钢极薄带在航空航天，新能源以及电子通讯等领域有着重要的应用和发展。常规方式生产的SUS304极薄带变形抗力大、加工硬化严重，后续加工困难，寻求能够降低不锈钢极薄带加工硬化的高效环保的有效方法是当前研究重点。在此背景下，脉冲电流辅助轧制为获得具有可控和优异机械性能的超薄带提供了一条有效途径。

近期，太原理工大学机械与运载工程学院、金属成形技术与重型装备全国重点实验室的黄庆学院士团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Pulsed current-assisted twelve-roll precision rolling deformation of SUS304 ultra-thin strips with exceptional mechanical properties》的研究论文，文中使用脉冲电流辅助SUS304极薄带进行多道次轧制变形，对比相同条件下的室温轧制试样，研究了其微观组织和力学性能差异，分析了脉冲电流对轧制试样加工硬化的影响。

关键词

脉冲电流；SUS304极薄带；道次压下率；加工硬化；机械性能

亮 点

• 使用十二辊精密冷轧机进行了脉冲电流辅助SUS304极薄带轧制试验。

• 相同轧辊间隙下，脉冲电流辅助轧制的道次压下率从33.8%提高到41.5%。

• 通电轧制试样的延伸率可恢复到16.3%，同时保持1118MPa的高抗拉强度。

• 脉冲电流通过降低位错密度、减弱织构强度和抑制马氏体相变的方式，降低了轧制试样的加工硬化程度。

图1  脉冲电流辅助轧制对SUS304极薄带组织和力学性能影响的示意图。

2. 研究背景

SUS304不锈钢极薄带具有轻质高强耐高温、极薄高精耐疲劳的优异性能，被指定为航空航天、新能源、电子通讯和医疗器械中关键零部件的原材料。不锈钢的加工硬化严重、变形抗力大，传统生产极薄带的方式工艺复杂、技术难度极大。已有研究表明脉冲电流施加于金属材料的塑性变形过程，可显著降低其流动应力、提高塑性变形能力、增加极限延伸率。因此，脉冲电流辅助SUS304极薄带轧制变形具有潜在的研究价值。近年来，已经有研究尝试将脉冲电流应用于SUS304极薄带的轧制变形中，发现高能电脉冲能有效提高轧后试样的塑性变形能力。但脉冲电流对于轧制应力状态下的SUS304极薄带的作用机制尚不清楚。脉冲电流辅助如何降低轧制变形下极薄带的变形抗力，增加道次压下量尚且存疑。因此，本文进行了脉冲电流辅助SUS304极薄带多道次轧制试验，并将同等条件下的室温轧制试验作为对照组，研究了两种工况下轧后试样的微观组织和力学性能差异，分析了脉冲电流辅助对SUS304极薄带轧制变形加工硬化的影响。 

3. 最新进展

脉冲电流辅助不锈钢极薄带多道次轧制试验：在十二辊轧机上创新性地将脉冲电流集成于SUS304极薄带轧制变形过程，进行了脉冲电流辅助不锈钢极薄带多道次轧制试验研究。结果表明，相同轧制工艺下，室温轧制试样的道次压下率为33.8%，而通电轧制试样的道次压下率为41.5%。通电轧制一道次的变形量约等于室温轧制两道次的累积变形量。由此可见，脉冲电流辅助轧制可显著增加SUS304极薄带的道次压下率，减少轧制道次，有助于提高生产效率。

图2（a) 脉冲电流辅助十二辊轧制装置；(b) 多道次连续轧制过程示意图；(c) 各道次轧制后试样的厚度。

脉冲电流对极薄带物相成分和机械性能的影响：脉冲电流辅助轧制使得更少的应变集中区域和更均匀的应变分布，促进了试样中形变孪晶和剪切带的出现，这有助于削弱轧制织构、降低织构强度、改善试样的各向同性，提高其塑性变形能力。脉冲电流产生的热效应和非热效应可促进位错脱钉、降低层错密度、增加奥氏体稳定性，减少位错堆积导致的马氏体形核、抑制马氏体相变。机械性能对比图可知，脉冲电流辅助轧制的SUS304极薄带具有良好延伸率和较高的强度。结果表明，脉冲电流辅助轧制可以恢复SUS304极薄带的延伸率，降低加工硬化程度，提高轧后试样的塑性变形能力。

图3  室温轧制试样和通电轧制试样的物相对比：(a) XRD图谱；(b) 相变马氏体的体积分数。

图4  机械性能对比：(a) 室温轧制试样和通电轧制试样的工程应力-应变曲线；(b) 与文献中报道的TRIP钢[32]、316钢[33]和IF钢[34]的断裂应变和抗拉强度的对比。

脉冲电流降低轧制试样加工硬化的作用机制：本文通过对比相同轧制变形量下的室温轧制试样和通电轧制试样的微观组织演化，研究了脉冲电流作用对轧制变形SUS304极薄带加工硬化的作用机理。结果表明，脉冲电流辅助可以促进位错脱钉，降低层错密度，减少因位错堆积造成的加工硬化；并且脉冲电流促使试样软化，可减少晶粒破碎和单位体积内的晶界总长度；同时增加奥氏体的稳定性，减少马氏体形核，抑制马氏体相变。通过上述脉冲电流辅助轧制对SUS304极薄带微观组织的影响，使得通电轧制试样的塑性延伸率恢复至16.3%，并保持高达1118MPa的拉伸强度。

图5  室温轧制试样和通电轧制试样的TEM图像：(a)和(b) CR2试样的亮场图像；(c) (a)中黄色虚线框标出的矩形区域的SAED图像；(d) (a)中黄色虚线框内矩形区域的HRTEM图像；(e)和(f) CR2试样中的马氏体；(g)和(h) ER1试样的亮场图像；(i) (g)中黄色虚线框标出的矩形区域的SAED图像；(j) (g)中黄色虚线框内矩形区域的HRTEM图像；(k) ER1试样中的马氏体；(l) (k)中红色虚线框标出的椭圆区域的HRTEM图像。

4. 未来展望

本文使用十二辊精密冷轧机进行了脉冲电流辅助下的SUS304极薄带多道次轧制试验研究。结果表明，脉冲电流辅助轧制通过影响SUS304极薄带的微观组织演化，显著降低了材料的加工硬化程度，提高了道次轧制变形量，使得轧后试样的塑性变形能力恢复的同时保持较高的强度。脉冲电流辅助可以减少轧制道次，改善材料性能，为突破极薄带最小可轧厚度奠定了基础。

5. 作者简介

范婉婉，太原理工大学

范婉婉，太原理工大学机械与运载工程学院博士研究生。研究方向为脉冲电流辅助不锈钢极薄带轧制变形机理及工艺研究。主持山西省研究生教育创新项目2项，参与多项国家自然科学基金项目，以第一作者发表学术论文6篇。作为项目负责人参加第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛并荣获金奖；参加首届山西省“晋开杯”智创大赛并荣获特等奖；参加第四届“京津冀-粤港澳”青年创新创业大赛并荣获金奖。荣获2021年度山西省十大创新创业代表，以及2022-2023年度山西省青年岗位能手。

王涛，太原理工大学

王涛，太原理工大学机械与运载工程学院教授，博士生导师，教育部青年长江学者、山西省优秀青年学术带头人、山西省科技创新人物、中国重型机械行业科技创新标兵。兼任金属成形技术与重型装备全国重点实验室副主任、先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心副主任、中国机械工程学会塑性工程分会常务委员等职务。长期从事轧制技术与装备、智能化设计等相关研究。主持国家重点研发计划课题、JKW基础加强重点项目、国家自然科学区域联合重点基金、国防科技创新特区基金等科研项目20余项。以第一或通讯作者在《Int. J. Mech. Sci.》《Compos. Part. B-Eng.》《J. Mater. Process. Tech.》《Compos. Struct.》《J. Manuf. Process.》《机械工程学报》（中/英文刊）等期刊上发表论文60余篇，授权发明专利30余项，包括多项国际专利。研究成果以第一完成人获山西省科技进步一等奖、山西省技术发明一等奖、山西省教学成果二等奖，参与获中国机械工业科技进步特等奖、教育部优秀成果科学技术二等奖、冶金科学技术特等奖。

黄庆学，太原理工大学

黄庆学，中国工程院院士，太原理工大学机械与运载工程学院教授，博士生导师，原太原理工大学校长。现任金属成形技术与重型装备全国重点实验室学术委员会主任、先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程中心主任、中国工程科技发展战略山西研究院院长。兼任中国机械工程学会副理事长、现代冶金装备学科首席带头人、中国机械工程学会塑性工程学会理事长、山西省机械工程学会理事长等职务。长期从事金属材料成形技术与高端装备智能化研究，先后承担国家重点研发计划（973）、基础加强（GF973）等重大项目、省部级项目以及国家特大型企业攻关项目70余项。在中厚板轧制、矫正及剪切三大类关键装备技术研发方面取得突破，成果应用于中国宝武集团、太重集团等数十家企业。以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项。入选国务院特殊津贴专家、新世纪百千万人才工程国家级人才，获“何梁何利基金”科学与技术进步奖、全国“五一”劳动奖章、全国优秀科技工作者等荣誉称号。