高强高韧铝合金厚板的蛇形轧制研究
Research on Snake Rolling of Thick Plate of High Strength and Toughness Aluminum Alloy
高强高韧铝合金厚板是现代航空、航天、船舶制造及交通运输等领域中极为重要的结构材料.热轧是制造高强高韧铝合金厚板工艺中最关键的工序,即变形手段.通过热轧可实现板材的大变形,消除铸造缺陷、细化晶粒,从而增强板材的整体性能.但是,由于受现有轧机开口度及坯料原始厚度的限制,同步轧制难以实现大厚度铝合金板材的充分和均匀变形,造成轧板表面和中心的变形、组织和性能的不均一、产品残余应力过高等问题,成为高强高韧铝合金厚板制造技术中迫切需要解决的难题.蛇形轧制可实现在不增加压下量的前提下,增加轧板的中心的变形量,提高轧板变形和组织的均匀性.因此,研究蛇形轧制的特性以及在高强高韧铝合金厚板生产中的应用,将有助于提高我国的厚板制造技术,对我国铝加工工业的发展具有十分重要的意义.本文结合国家"十一五"科技支撑计划的课题《先进铝加工技术研究开发》(课题编号:2007BAE38B05)和国家"973"项目《材料复合新技术基础》中的课题《先进轻合金材料制备加工计算机模拟及辅助设计》(项目编号:2010CB735811),研究了蛇行轧制的特性及在高强高韧铝合金厚板生产中的应用.研究工作主要包括:推导了蛇形轧制的咬入临界条件;采用主应力法研究了轧制条件对轧制力、轧制力矩及轧板曲率的影响;建立了7150铝合金蛇形轧制的传热、接触摩擦及组织演变数学模型;基于MSC.Marc有限元软件,进行了二次开发,研究了7150铝合金单道次轧制中金属质点的流动特点、竖直和水平方向轧辊的受力以及轧制参数对轧板曲率的影响;研究了多道次蛇形轧制中,不同道次压下量、异速比对轧板温度、轧辊受力、等效应变及再结晶百分比的影响,并通过工艺改进提高了轧制质量;进行了单道次和多道次的蛇形轧制实验对有限元数值模型的精确性进行了验证.论文取得的主要研究成果如下:(1)根据轧板咬入时的力学条件,推导出了蛇形轧制轧板咬入轧机辊缝间的临界条件.与同步轧制相比,蛇形轧制的坯料更加容易被咬入.蛇形轧制轧件咬入的难易程度除了与摩擦系数、压下量及轧辊半径相关外,还与轧辊的错位量相关.(2)基于主应力法,推导出了蛇形轧制的轧制力、轧制力矩及轧板曲率的计算公式,并运用公式计算了轧制参数的影响.结果表明,异速比的增加会导致上轧辊轧制力矩增加,轧制力和下轧辊力矩减小.较大的轧辊错位量、压下量和较小的摩擦系数通常会产生较大的轧制力.较小的轧辊错位量、摩擦系数和较大的压下量通常会导致较大的上、下轧辊的轧制力矩.随着错位量的增加,剪切应变差增加,而线性应变差减小,它们的共同作用导致轧板曲率先减小后增加.异速比的增加导致剪切应变差的增加,并导致总的轧板曲率增加.(3)通过在Gleeble1500D实验机上进行不同温度、应变速率下的单道次等温压缩实验,建立了双曲正弦函数描述的7150铝合金的应力和应变关系模型.采用温度补偿的Avrami方程来描述7150铝合金蛇形轧制过程发生再结晶的动力学转变.通过等温双道次间隔热压缩实验,计算不同条件下材料的软化率,建立了7150铝合金蛇形轧制过程再结晶百分比的数学模型.(4)在轧板变形区,蛇行轧制轧板下侧的金属质点流动速度均快于上侧.蛇形轧制中轧辊在竖直方向上的受力与同步轧制无太大差别,而在水平方向比同步轧制轧辊受力高出52.1%.随着错位量的增加,轧板曲率先减小后增大;轧板上、下表面温差、异速比、压下量的增加及轧板初始厚度及轧辊半径的减小都会增加轧板的曲率.(5)在坯料原始厚度为400mm、总压下量为80%的条件下,工艺改进后的蛇形轧制比最初的同步轧制的轧板中心的等效应变和平均等效应变分别高出36.6%和18.6%,等效应变和再结晶比例的标准方差低38.9%和41.1%.轧板的总体变形量以及变形和组织均匀性得到了较大提高.(6)单道次轧制实验的轧板曲率结果与实验结果最大差值不超过实验值的12%.多道次轧制实验的等效应变值与数值模拟等效应变平均偏差为0.21,最大偏差为0.27,均不超过实验中轧板最大等效应变的8.3%.建立的有限元数值模型在对高强高韧铝合金蛇形轧制的模拟中具有较高的精确性.
- 作者：
- 付垚
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 专业名称：
- 材料科学与工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 谢水生
- 中图分类号：
- TG339
- 关键词：
- 高强高韧铝合金；厚板；蛇形轧制；主应力法；数值模拟
- High strength and toughness aluminum alloy；Thick plate；Snake rolling；Slab method；Numerical simulation
- 基金项目：
- "973"%"十一五"科技支撑计划