镁合金板材轧制边裂的预测和流变-损伤分析(英文)

研究镁合金板材轧制过程中的温度变化、边裂和轧制力,建立热-力-损伤耦合有限元模型。采用楔形试样研究压下量对温度、损伤和轧制力的影响。结果表明:随着压下量的增加,轧制力增大,镁板的温度降低;当压下量大于51.6%时,发生边裂,此时损伤值大于0.49;镁板轧制中的塑性?损伤是空洞发展、剪切变形和应变积累综合作用的结果。     

轧制温度对AZ31B镁合金薄带轧制的边裂及显微组织的影响

在不同轧制温度对AZ31B镁合金薄板进行了温轧,对不同厚度板带的边裂和显微组织进行了观察和分析。通过轧制试验研究了轧制温度对AZ31B镁合金薄带的边裂和显微组织的影响。结果表明:镁合金薄板温轧边裂是由剪切变形引起的。随着轧制温度的升高,裂纹的深度和间隔都大幅度减小,孪晶数量减少,晶粒尺寸增大。在220℃轧制能够有效抑制边裂的产生,并得到较为理想的晶粒组织。     

铸态AZ31B镁合金变温轧制过程及流变应力

在变形温度250~450℃、应变速率0.005~5 s-1下对铸态AZ31B镁合金圆柱试样进行了Gleeble高温压缩实验。对不同初轧温度、不同轧制压下量下镁合金的热轧制过程进行了实验、数值模拟及损伤分析。采用动态材料模型中的计算方法计算了热加工图,用Zener-Hollomon参数法建立了单向压缩时的流变应力模型,最后综合传热学基本原理及轧制理论,建立了变温轧制过程中的流变应力模型。研究结果表明:合理分解温度范围求解单向压缩流变应力模型,有效提高了模型的预测精度;轧制前滑区和后滑区的主传热机制有所区别,考虑到轧辊对轧件的作用力主要分布在后滑区,则此区域为边裂重点研究区域;数值模拟过程中轧件边部区域的Normalized Cockcraft and Latham损伤值最大,并且随着变形温度的降低以及道次压下量的增大而增大。此现象与轧制实验结果相符,不同轧制条件下轧制流变应力模型的求解结果与数值模拟结果较吻合。     

AZ31B镁合金板材轧制边裂与温度场研究

在轧制温度为350℃,轧制速度为0.5 m/s,压下量分别为20%,30%,40%的不同工艺条件下,对规格为150mm×150 mm×7 mm的AZ31B镁合金铸轧板材进行了轧制实验和数值模拟研究。对镁合金板材的表面温度场和裂纹应力状态进行了分析,并建立了其表面温度梯度数学模型。分析在不同轧制条件下AZ31B镁合金板的边裂损伤和温度分布的有限元数值模拟结果以及轧后显微组织,并将数值模拟计算结果和实验结果进行比较。结果表明:在同一温度条件下,随着轧制压下量的增大,镁合金板塑性变形产生的热量增大,而小压下量条件容易促进MgZn2和Mg2Si等脆性相的产生。因此,减少长条形孪晶和脆性相产生是控制边部裂纹的关键因素之一。     

铸态AZ31B镁合金中厚板热轧制温度场数学模型

采用Gleeble1500D热/力模拟试验机对铸态AZ31B镁合金圆柱试样在变形温度250~450℃、应变速率0.005~5s~(-1)下进行高温压缩试验,基于高精度流变应力模型,依托于刚塑性有限元分析软件针对镁板不同初轧温度、不同道次压下率以及不同轧制速度条件下的中厚板热轧制过程进行了热力耦合数值分析,利用数学解析的方法建立了不同工艺条件下镁板变形区域的温度场数学模型。结果表明,不同热轧工艺条件下轧制变形区域内温度的分布有很大区别,温度场数学模型需要划分不同工艺条件针对轧制后滑区和前滑区来分别建立;用简单数学方程来表征镁合金的传热过程,使得温度在线控制机理模型形式上更为简单,并且能够精确表征中厚规格镁板宽范围轧制条件下的传热机制。     

AZ31镁合金热轧边裂预判模型研究

采用等压法,通过等温热压缩实验获得了AZ31镁合金变形温度和应变速率分别在473~673 K和0.005~5 s-1条件下对临界断裂应变的影响规律,以及Zener-Hollomon表达式,据此针对AZ31建立了临界断裂应变与变形温度和应变速率间的基本模型;在此基础上,基于镁合金轧制边裂的基本机理,引入CockcroftLatham断裂准则,建立了含有材料变形激活能和基本轧制工艺参数的AZ31镁合金轧制边裂预判模型;并通过相同条件下有限元模拟和热轧试验分别得到沿板宽方向损伤值和边部裂纹深度,以此对所建立的边裂预判模型进行验证,结果显示所建立边裂预判模型的预测值和实测值平均误差为11.3%。     

中高应变速率轧制AZ31镁合金的边裂、组织与性能

对铸态AZ31镁合金进行温度350～450℃、平均应变速率为2.26～8.3 s~(-1)的中高应变速率轧制,研究轧制后镁板的边裂和组织性能。研究结果表明:随着平均应变速率增加,轧制边裂得到改善;轧后镁板室温拉伸断裂方式具有韧-脆性断裂向韧性断裂转变的趋势,在拉伸断口中观察到拉长形孔洞和夹着韧窝的层状结构;镁合金抗拉强度受细晶强化和孪晶强化的共同作用,建立了考虑细晶强化和孪晶强化叠加的本构关系。     

递温镁合金板轧制的数值仿真和验证实验

对镁合金板材轧制过程的热量变化方程进行推导,并用有限元方法分析此热力耦合过程,并对仿真结果进行实验验证.结果表明:板材在轧制过程中有较大的温度变化,轧制过程板料的温度变化主要是由变形产热、摩擦生热和板料-轧辊热传导、以及与环境的传热情况决定,并且受板和轧辊间温度差的影响;随着板温度的下降,轧制力和等效应力线性增加,最大轧制力是最小轧制力的3倍;当温度降到210 ℃,等效应力达到160 MPa时,板料出现边裂缺陷,达到轧制成型极限;板料较佳轧制温度应高于210 ℃.     

AZ31镁合金板带轧制的边部裂纹特点及其演变

镁合金板带材在轧制过程中容易产生边裂等缺陷。对薄带材轧制,边裂不仅将增加切边、降低成材率,更不利的是边裂在后续轧制道次扩展,容易引起断带,造成连续轧制中断,破坏生产过程的连续性。结合AZ31镁合金薄板的轧制试验,跟踪记录,总结了轧制过程中产生的边裂的形态,分析了其特点;设计了预制裂纹的镁合金板材试件,通过轧制试验研究了不同宽度板材的裂纹、不同形状的裂纹和裂纹圆弧化处理后,在轧制过程中的扩展和演变规律,为抑制和控制边裂的产生与扩展,生产无边裂缺陷的镁合金薄板带材提供依据。     

AZ31镁合金板材弯曲行为的研究

对AZ31镁合金轧制过后的中厚板进行弯曲行为研究,以探究温度对镁合金板材的弯曲的影响以及弯曲过程中镁合金板材组织变化。结果发现,弯曲断裂应力随温度升高而大幅下降,其主要原因是温度升高导致非基面滑移和孪生被激活使得板材的变形抗力下降。通过模拟弯曲过程得到镁板内侧主要受压应力,外侧主要受拉应力,实际卷取过程中断裂应变大于弯曲断裂应变。在100℃弯曲过程中镁板的拉伸区产生孪晶数量远少于压缩区,拉伸区再结晶晶粒占比为2.10%,变形晶粒占比高,大部分晶界为小角度晶界,位错密度大,（0001）极密度点在轧制接触面法向（ND）方向聚集,晶粒c轴取向向ND方向转动,导致拉伸区变形程度大、协调性差,更易发生断裂。     

AZ31镁合金板材纵波轧制形变规律及边部损伤分析

纵波轧制+平辊轧制(LFR)是一种减轻镁合金轧制边裂的新型轧制工艺,通过一道次纵波轧制+二道次平轧,可有效减少镁合金板材边裂。为了进一步明晰LFR变形规律,本文通过对比AZ31镁合金板材纵波轧制+平轧(LFR)及平轧+平轧(FFR)热-力耦合有限元虚拟轧制对比和物理实验,分析了纵波轧制变形区金属变形规律及其对板材边部损伤的影响。结果表明：纵波轧制形成了异形搓轧区,板材各部位受到较大的三向剪切作用;急速金属流动产生的塑性变形热避免了板材边部温降,有利于提升塑性;剪切及温度影响促使LFR板材形成混晶组织,降低了波谷部位损伤,进而有效抑制了镁合金板材边裂的产生及发展。     

析出相对AZ91镁合金热轧板组织及边裂行为的影响

采用光学显微镜(OM)、配有能谱(EDS)的场发射扫描电子显微镜(SEM)、室温拉伸试验等研究了析出相对AZ91镁合金在不同变形量和道次轧制后的微观组织、变形机制及边裂行为的影响。结果表明:对铸态AZ91镁合金而言,小压下量、多道次轧制可减少边部裂纹的产生,提高轧制成形能力;在轧制变形过程中,析出相由片层状向球状颗粒转变,且粒度更小,球状颗粒状第二相在轧制变形过程中可以通过促进孪晶细化和动态再结晶,从而有利于抑制裂纹的萌生;热轧后室温拉伸断口呈现较强的沿晶断裂特征,微裂纹主要分布在Mg/Mg_(17)Al_(12)相界面结合处及较粗大的第二相附近。在拉伸变形过程中,球状析出相颗粒可能成为微裂纹萌生的源头之一,微裂纹进一步扩展并形成宏观裂纹。     

AZ31B镁合金中厚板轧制热力耦合场数学模型

采用Gleeble-1500D热力模拟试验机对铸态AZ31B镁合金圆柱试样进行了宽范围变形条件下的热压缩试验,拟合热压缩试验数据,针对镁合金应变软化特性建立了一种新的热力本构模型;依托于Deform-3D对镁板的实际热轧过程进行了热力仿真分析,依据轧制理论假设、宏观连续介质力学以及热力学原理,采用数学解析的方法建立了镁板热轧制区域中的应变、应变速率值分布模型以及三维温度场、应力场数学模型。研究结果表明:新建的热力本构模型预测精度较高,平均相对误差为5.1%;建立的轧制变形区域中的应变、应变速率值分布模型,温度场数学模型以及热力耦合场数学模型不仅形式简单易于为生产利用,更能精确表征中厚规格镁板热轧制过程中的热-力耦合变形机制。     

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 采用光学显微镜、扫描电镜以及能谱分析等方法对低合金中厚板边部裂纹形成机制进行研究。结果表明：中厚板边部裂纹的形成是由于在轧制过程中钢板边部表层出现低温组织;变形不均匀导致边部应力集中,以钢板次表层存在的皮下气泡或颗粒状CaO-SiO2-Al2O3夹杂物为裂纹源,萌生裂纹并扩展,形成中厚板边部多处断续出现的横向应力裂纹。     

AZ31镁合金中厚板轧制温度场的数值模拟与实验验证

通过数值模拟分析了AZ31镁合金中厚板在轧制变形区的温度分布，建立了轧后镁板平均温度关于轧辊温度、轧制速度、轧制压下量、板材厚度的经验公式，并辅以相应的实验验证。结果表明：当镁板较薄、轧制速度较小时，镁板中心层的塑性变形热在轧制变形区向表层传递，中心层的温升不能代表镁板塑形变形产生的温升；轧后镁板的平均温度与轧辊温度、轧制速度、轧制压下量正相关，与板材厚度反相关；轧后镁板平均温度的计算值与实验值的最大相对误差为8.34%，平均相对误差为7.4%，经验公式能很好的预测轧后镁板的平均温度。经验公式的提出，利于实现“AZ31镁合金板材的等温轧制”控制；对镁合金轧制工艺制度的合理制定以及后续轧制设备的选择有重要指导意义。     

基于接触摩擦量化作用的镁合金轧制力预报研究

本研究针对镁合金热轧制工艺,通过协调有限元分析结果及物理试验数据,提出一种关于热轧制接触摩擦因子的确定方法,耦合多轧制工艺参数进一步拟合出其求解关系式,工艺参数包括：轧制温度,轧制速度以及压下率。在之前对AZ31B镁合金板材轧制过程轧制力预报模型及温度场数学模型建立研究的基础上,综合考虑接触单位压力及摩擦应力两方面因素的作用,对前期轧制力预报模型进行了优化重构,经确定接触摩擦作用到轧辊的压力约占整体轧制力的4.36%。     

低镍奥氏体不锈钢冷轧边裂原因分析

针对低镍Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢冷连轧过程中的边裂问题,采用金相显微镜、扫描电子显微镜分析了断口、边裂位置附近、正常位置显微形貌;分析了冷轧带钢横向应力、轧制力分布规律。结果表明,钢中镍元素偏析、存在Al₂O₃夹杂物、形变马氏体组织含量增加,以及带钢边部应力、轧制力较大,是导致低镍奥氏体不锈钢冷连轧过程出现边裂,甚至导致断带的主要原因。为此,提出了连铸冷却模式采用弱冷;在热连轧铸坯加热及后工序带钢固溶退火工艺中对材料合金元素进行均质化处理;优化冷连轧工艺,保证第1道次压下率为30%~35%,总压下率为50%~68%,使马氏体形变组织得到有效控制;保证原料楔形、板凸度等在合理范围内,并通过调整弯辊力来改善轧制力的横向分布等措施,使带钢轧后边裂断带率由0.98%降至0.25%。     

200（CrMnN）系奥氏体热轧板边裂的影响因素及控制措施

通过对中间坯及钢卷的边裂缺陷进行分析,找出了造成奥氏体不锈钢热轧板边裂的主要原因是加热温度偏高导致铁素体含量较高以及材料中含有大量的显微气泡。针对以上问题制定了工艺优化措施,并取得了明显效果。     

70mm厚锻造及轧制镍基合金690板材热塑性和热裂纹敏感性

利用光学显微镜、扫描电镜及Gleeble 1500热模拟机,分析70mm厚锻造及轧制镍基合金690板材的热塑性及热裂纹敏感性。试验结果显示：锻造和轧制板材均有优异的热塑性,同种材料表层试样的热塑性高于中心位置试样的热塑性。模拟加热过程发现,较低温度条件下轧制板材的热塑性高于锻造板材的热塑性,随着温度的升高锻造板材的热塑性高于轧制板材的热塑性。模拟冷却过程发现,锻造板材比轧制板材具有更好的热塑性。热模拟试样的断面较为光滑,部分位置出现熔融现象。横向可调拘束裂纹敏感性试验结果显示,锻造及轧制镍基合金690板材具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹的数量及长度随着施加应变的增加而增加。