基于MD探究划痕速率对单晶FeO/Fe断裂的影响
龚建雄1，周存龙1,2，樊铭洋1，李兴玉1，王天翔3
(1.太原科技大学机械工程学院， 山西 太原 030024；2.太原科技大学山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室， 山西 太原 030024；3.山西太钢不锈钢精密带钢有限公司， 山西 太原 030024)
氧化皮的断裂行为及力学性能是影响无酸除鳞工艺参数设定的关键因素。通过分子动力学软件Lammps模拟划痕速率对氧化皮断裂行为的影响，从载荷-位移关系、中心对称参数(CSP)、原子堆积、位错、温度、原子位移矢量、径向分布函数等多角度分析不同划痕速率对单晶FeO/Fe界面分离的影响，并对430不锈钢表面氧化皮进行划痕试验验证。模拟结果表明，随着划痕速率从100 m/s增加至200 m/s，划至相同距离时，法向和切向峰值载荷逐渐增加，FeO/Fe界面处紊乱程度逐渐增大，温度升高，FeO层软化，位错长度及数量、原子键合强度等减小，促进了FeO/Fe界面的分离；试验结果表明，随着划痕速率从0.5 mm/min增加至2.0 mm/min，430不锈钢氧化皮断裂临界点提前，从距起始点1.26 mm提前至1.05 mm处，断裂临界载荷和结合强度逐渐降低，临界载荷由0.439 N降低至0.362 N，结合强度由15.2 MPa降低至14.1 MPa，与模拟结果趋势相对应。本研究为掌握氧化皮的断裂机理提供理论支撑、为提高无酸除鳞工艺参数设置的精确性提供重要指导。
分子动力学； 单晶FeO/Fe； 划痕速率； 界面； 结合强度
热轧生产过程中带钢表面常与空气发生反应生成一层致密的氧化皮，其存在不仅影响钢材的表面质量，还会加剧轧辊的磨损，因此在冷轧、镀锡等生产线上需要除去热轧后带钢表面氧化皮(简称除鳞)。传统除鳞方法主要以酸洗为主，但该技术存在污染性强、表面质量难把控等缺点。现代环保型、表面质量可控的无酸除鳞(抛(喷)浆、抛(喷)丸)技术逐渐被研究人员采用，但由于其结构复杂、种类繁多难以掌握，金属表面氧化皮的破裂行为及力学特性一直以来是影响无酸除鳞工艺参数设置的主要原因，且其存在孔洞、裂纹等缺陷，使得传统拉伸、弯曲等方法获得的力学性能准确性存疑。现如今压痕、划痕方法由于能精确测试至纳米级别氧化皮等的破裂行为及力学性能而被广泛运用。刘佳伟等通过纳米压痕技术研究2024-T4铝合金力学特性，结果发现随着最大压入深度的增加，其硬度和弹性模量逐渐增加，与试验值相差2.3%。RAHMAN M S等采用划痕技术测试了氧化皮/基体的黏附强度和剪切强度，对比了氦气和空气下氧化物的黏附力，结果表明氦气中形成的氧化物表现出更高的黏附强度。郭瑞等通过划痕测试研究了304不锈钢氧化皮在轧制方向和宽度方向的界面结合强度，发现沿轧制方向的界面结合强度高于宽度方向20%左右。ROJACZ H等采用划痕试验研究了亚铁合金中不同合金元素对700 ℃下氧化物力学性能的影响，结果表明亚铁合金中的Cr、Ti和Si元素对氧化层与基体之间结合力有较大影响。此外，许多学者通过压/划痕来研究材料的断裂行为机制，ITO H等探究了10%(物质的量分数)金刚石氧化锆在纳米压痕下不同晶向上的断裂行为及力学特性，结果得出金刚石氧化锆破裂优先发生在〈100〉的晶体取向上。CHENG X等使用划痕仪通过划痕试验研究了铁素体不锈钢上氧化皮在渐进和恒定载荷下的失效机理，结果表明，氧化皮在钢基板上附着良好，处于韧性失效状态。HAYASHI K等采用划痕试验和声发射结合研究了不同结构碳钢上形成的氧化皮断裂行为，结果表明碳钢上的FeO氧化皮相对脆弱，附着力差，而仅通过试验方法来获取氧化皮的断裂行为具有局限性。随着科技的快速进步，分子动力学模拟技术由于能从纳观尺度探究材料断裂时原子位移及演化特征而被广大学者使用。PHAM V T等通过分子动力学研究了SiGe薄膜在纳米划痕过程中温度、划痕深度对力学行为的影响，结果发现划痕过程中接触区发生了弹性和塑性变形，同时也形成了剪切变形区。杨彪等通过分子动力学对比了3个不同深度的孔洞与理想模型的纳米压痕过程，结果表明，孔洞会软化材料，且孔洞深度逐渐增大时，孔洞表面的原子对位错的长大起阻碍作用。目前，关于氧化皮研究主要集中在压/划痕材料表面及内部缺陷对其材料断裂影响上，在纳观尺度上通过分子动力学研究拉伸、弯曲下孔洞、裂纹等对其断裂影响，却未曾考虑氧化皮界面分离会影响断裂机制。因此本研究建立单晶FeO/Fe模型，从位错、原子位移、径向分布函数等多角度分析单晶FeO/Fe在不同划痕速率下界面分离机制，并通过试验验证模拟结果的可靠性，为无酸除鳞工艺参数设置提供精确指导，同时为深入了解氧化皮的断裂机理提供理论支撑。
1)模拟结果得出，随着划痕速率从100 m/s增加至200 m/s，划擦力中法向力峰值由591 nN增加至634 nN，切向力峰值由667 nN增加至705 nN，促使应变能积累与释放的更多，致使原子紊乱程度增大，温度由410.3 K增加至473.2 K，使得FeO层软化程度更大；位错总长由125.74 nm减小至56.98 nm，位错总数由81条减小至35条，界面硬化程度更明显；在划痕冲击下，挤入界面原子增多，原子键长增大，原子键结合强度减弱，因此划痕速率的增大，促使了FeO/Fe界面更易分离。2)由划痕试验可以得出，随着划痕速率从0.5 mm/min增加至2.0 mm/min，氧化皮破裂临界点逐渐提前，分别距离起始点1.26、1.22、1.05 mm，沟槽宽度逐渐减小，临界载荷从0.439 N降低至0.362 N，氧化皮与基体结合强度从15.2 MPa减小至14.1 MPa。3)试验结果中结合强度随划痕速率的增大而减小印证了模拟结果中随划痕速率的增大界面分离程度增大(即结合强度减小)的趋势，本研究也为氧化皮断裂机理提供了理论指导。
