金属层合板凭借优异的综合性能在众多工程领域获得了广泛应用,热轧复合不锈钢-碳钢层合板是其中的典型代表,也是仍在发展进步中的新产品。为了进一步提高复合质量、优化完善轧制制备技术,更深入研究认识不锈钢与碳钢轧制复合过程及其对于层合板产品力学性能的影响,是迫切的需要,也具有重要意义。本文针对热轧复合不锈钢-碳钢层合板,采用实验分析与数值模拟相结合的方法,研究表征层合板厚向各层的成分、微观组织与力学性能,提出了新的层合板厚向材料分层结构,定义了界面层,研究揭示了界面层的热稳定性和力学行为及规律,建立了界面层的有限元模型,并基于新的界面层有限元模型研究了层合板减薄轧制和冲压成形过程的变形行为及规律。论文的主要研究工作及成果如下。(1)取样批量工业生产的热轧复合不锈钢-碳钢层合板,实验表征其厚度方向尤其是复合区域厚向的化学成分、微观组织、力学性能以及它们的分层分布特征与规律。实验发现层合板厚度方向上具有明显的分层特征,并据此提出了层合板厚向材料分层结构,由不锈钢覆层、不锈钢增碳层、多元素合金层、碳钢脱碳层和碳钢基板五层组成;其中不锈钢增碳层、多元素合金层和碳钢脱碳层是覆层与基板之间元素扩散形成的不同于覆层与基板的新材料层,统合定义为层合板的界面层。实验获得界面层厚向显微硬度的分布规律和各层材料的拉伸应力应变曲线。实验结果表明,多元素合金层厚向主要元素含量单调变化决定了其显微硬度分布也一样具有明显的梯度变化特征;不锈钢增碳层中碳元素含量的增加,改变了其晶界形态、提高了强度、降低了延展性,并且厚向变化较小;碳钢脱碳层中碳元素含量的减小,使其内部珠光体消失、降低了强度、提高了延展性,并且厚向变化较小。(2)针对层合板界面层中力学性能变化最剧烈的多元素合金层开展实验及表征研究,揭示了多元素合金层的生长规律和元素成分与力学性能的分布规律。实验结果表明,多元素合金层内部主要元素厚向的分布及变化规律保持稳定,不受自身厚度的影响;多元素合金层的增厚生长服从抛物线规律,并受体积扩散的控制,其激活能为54.35kJ/mol;沿多元素合金层厚度方向,从不锈钢侧到碳钢侧,多元素合金层内部的纳米硬度和弹性模量分别单调减小和单调增加,同时以上变化趋势不受多元素合金层厚度的影响;多元素合金层的厚度越大,层合板的层间结合强度越高。(3)针对工业生产的热轧复合不锈钢-碳钢层合板产品,取样开展热稳定性的实验研究,揭示了温度对于层合板厚向各层的化学成分、微观组织、力学性能的影响。实验结果表明,当层合板处于摄氏500℃以下的热状态时,其内部元素分布、微观组织能够基本保持稳定;当温度高于摄氏500℃时,层合板内再次发生明显的原子扩散,碳钢中的碳元素向不锈钢扩散,各层厚度发生相应变化;不锈钢中碳元素的增加使其屈服极限、强度极限和纳米硬度都增大,延伸率和表面耐腐蚀性能都减小;层合板整体的屈服极限、强度极限和结合强度均会随着温度的增加而降低。(4)针对工业生产的热轧复合不锈钢-碳钢层合板产品,取样开展面内单向拉伸和厚向压缩方式下的形变及破坏行为的实验研究和有限元模拟验证,揭示了界面层对于层合板整体形变及破坏的影响。实验及仿真结果表明,在层合板面内单向拉伸塑性变形过程中,多元素合金层与不锈钢增碳层之间的分界首先出现破坏并逐渐扩展,发生破坏前该层间分界两侧应力差值达到500MPa以上。层合板厚向上整体变形协调性决定了其面内单向拉伸时破坏没有首先发生在强度最弱的区域,而是发生在力学性能差异最大的层间界面上;多元素合金层与不锈钢增碳层之间的力学性能差异最大,从而导致该层间界面出现较大应力差异并首先发生破坏。(5)基于新提出的层合板厚向材料分层结构及其力学模型,建立了层合板减薄轧制过程有限元模型,仿真结合实验,揭示了层合板减薄轧制过程的弹塑性变形行为与板形翘曲生成变化规律。结果表明,层合板能够在不发生界面破坏情况下进行减薄轧制,但是减薄轧制后的层合板会出现严重的翘曲变形。优化相关工艺参数并不能明显改善减薄轧制后层合板的板形缺陷,而后处理实验结果表明矫直处理可以有效消除减薄轧制后层合板的板形缺陷。(6)基于新提出的层合板厚向材料分层结构及其力学模型,建立了层合板冲压成形过程有限元仿真模型,仿真结合实验,揭示了层合板冲压过程的弹塑性变形行为与成形性能。结果表明,冲压过程中层合板试样没有发生界面破坏,冲压方向对层合板的成形极限和回弹量的影响相对较小;在其它条件不变的情况下,层合板的成形极限和回弹量会随着不锈钢覆层厚度的增加而增大,同时层合板的回弹量会随着冲压量的增大而减小。