超声波对AZ31B镁合金铸轧温度场影响的研究

论文摘要

镁合金是一种新型的结构材料,已经广泛应用于军事、汽车、家电电器、手机、计算机以及其它电子设备制品中。镁板带的普通连续铸轧虽然克服了传统镁板带加工方法的缺点,具有能耗低、生产周期短、成材率高和加工成本低等优点,然而该方法制备的镁板带枝晶网胞比较发达,组织不均匀,晶粒粗大,影响了镁板带的力学性能和深加工性能。本文在镁板带普通连续铸轧的基础上,将超声波引入到镁板带铸轧中实现镁板带的超声铸轧,并应用大型软件ANSYS建立了三维镁板带超声铸轧的有限元模型,对铸轧过程温度场进行了模拟仿真,并且通过大量的实验初步探讨了镁板带超声铸轧各工艺参数的匹配关系,研究了各参数对镁板带凝固组织和力学性能的影响。本文研究的主要内容如下：（1）分析了超声波传播的基本理论以及超声波的空化效应、声流效应对金属凝固组织的影响。（2）阐述了热分析的基本理论,应用ANSYS软件建立了镁板带超声铸轧的三维有限元模型,研究了超声波振动对镁熔体与铸嘴、侧耳、轧辊和空气之间传热系数的影响,利用热量转化的方法来处理超声波的热效应,采用ANSYS提供的函数编辑器将超声波振动函数成功转化为相应的动态边界条件,此外,还根据实验的具体条件确定了超声铸轧过程的其他边界条件。（3）利用有限元模拟软件ANSYS对镁板带超声铸轧的温度场进行模拟仿真,得出了不同前箱温度、铸轧速度和超声波功率下的温度场分布规律。仿真结果显示超声波对温度场有一定的影响,其合理前箱温度为685℃～695℃,铸轧速度为2.1m/min-2.5m/min。（4）对超声铸轧镁板带和普通铸轧镁板带进行金相对比观察表明：普通铸轧镁板带枝晶网胞比较发达,组织不均匀,晶粒平均尺寸（直径）在50μm-60μm之间；而超声铸轧镁板带组织更加均匀,晶粒细化,晶粒平均尺寸（直径）在20μm～30μm之间。对镁板带的力学性能测试证实,超声波处理使铸轧镁板带的抗拉强度、屈服强度和延伸率比普通铸轧镁板带的分别提高了22.85%、34.36%和123.06%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 镁及镁合金
• 1.1.1 镁及镁合金的性能特点
• 1.1.2 镁合金的优点
• 1.2 镁合金的用途
• 1.2.1 镁合金的应用
• 1.2.2 镁合金的发展前景
• 1.3 超声波的性质
• 1.3.1 超声波的特点
• 1.3.2 超声波的应用
• 1.4 镁合金的主要成形方法
• 1.4.1 镁合金的铸造技术
• 1.4.2 镁合金的超声波铸造现状
• 1.4.3 镁合金的铸轧技术
• 1.5 本课题的研究意义和主要内容
• 1.5.1 本课题的研究意义
• 1.5.2 本文的主要研究内容
• 第二章 功率超声波细化晶粒的相关理论
• 2.1 超声波的传播理论
• 2.1.1 超声场及其特征量
• 2.1.2 超声波在镁铸轧中的传播特性
• 2.2 超声波对金属结晶的影响
• 2.2.1 超声波的空化效应
• 2.2.2 超声波的声流搅拌作用
• 2.2.3 超声波振动对晶体形核的影响
• 第三章 超声铸轧过程温度场的有限元模拟
• 3.1 有限元模拟的基本理论
• 3.1.1 ANSYS的简介
• 3.1.2 热分析的基础知识
• 3.1.3 FLOTRAN CFD分析模块的介绍
• 3.2 超声铸轧温度场有限元模型的建立
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 温度场有限元模型的建立
• 3.3 关键问题的处理及边界条件的确定
• 3.3.1 关键问题的处理
• 3.3.2 边界条件的确定
• 3.4 温度场仿真结果与分析
• 3.4.1 超声波铸轧温度场与普通铸轧温度场的对比
• 3.4.2 不同工艺参数对超声波铸轧温度场的影响
• 3.5 仿真结果的验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 超声铸轧镁板带实验
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验材料
• 4.3 实验方案
• 4.3.1 实验设备
• 4.3.2 实验方法
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 超声波铸轧实验的工艺参数
• 4.4.2 超声波对镁板带组织的影响
• 4.4.3 不同工艺参数对镁板带组织的影响
• 4.4.4 超声波对镁板带力学性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要成果