6016铝合金热变形行为及热连轧过程数值模拟研究

论文摘要

6016铝合金是Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金,此类合金具有良好的可成形性、抗蚀性、可焊性、疲劳强度与中等的静态强度,用于制造飞机油箱、油管、汽车、船舶等交通运输装备的钣金件、仪表、街灯支架、制泠装置、电视塔、钻设备、导弹零件、铆钉线材等。6016合金也是欧美全铝汽车覆盖件的首选材料。本文采用热变形模拟与数值模拟相结合的方法对6016铝合金热轧过程的显微组织演变进行研究并对热连轧轧制力进行了预测。在Gleeble-1500热模拟机上对6016铝合金进行了热压缩变形实验,变形温度为300500℃,变形速率为0.0110 s-1。结果表明:在低应变速率（≤1s-1）条件下,流变应力随着应变的增加而增大,达到峰值后趋于平稳,表现出动态回复特征;而在高应变速率（10s-1）条件下,随着应变的增加,流动应力曲线出现锯齿状波动,达到峰值后逐渐下降,表现出不连续动态再结晶特征。本构分析表明:可以采用双曲正弦函数来描述6016铝合金高温热压缩变形流变行为,热变形激活能为270.257 kJ/mol。计算峰值应力与实测峰值应力之间的相对误差在±8%之内。通过光学显微镜（OM）和透射电子显微镜（TEM）观察了不同条件下热变形后铝合金的微观组织结构,探讨其高温变形过程中组织结构的变化规律。研究表明,本文所用的6016铝合金在高温塑性变形时主要的软化机制为动态回复;再结晶晶粒随着变形温度的降低和变形速率的提高而产生明显的细化。以5182铝合金工业热连轧的现场实际测量数据为依据,探索了铝合金热连轧过程中温度场的影响因素,热辐射发射率与热对流系数均采用系统默认值。发现当轧件的速度大于轧辊的线速度90%时,摩擦因子m对温度场的影响可以忽略,轧件的温度场主要受热传导系数影响。过程获得了热连轧数值模拟所需要的合理的边界条件参数。在计算机控制的板带热轧生产中,轧制力是轧制工艺规程设定中非常重要的环节,其设置精度直接影响板带的质量。利用有限元分析软件DEFORM-3D对某厂5182铝合金板材热连轧过程进行数值模拟,建立了各机架轧制力数学模型。通过与实际生产轧制力值比较表明:模型的误差在10%左右,计算精度能够很好的满足实际生产需要;基于5182铝合金模型建立了6016铝合金的轧制力模型,可为轧制工艺的参数设置提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 热轧技术及连轧技术
• 1.2.1 热轧技术及连轧技术特点
• 1.2.2 热轧工艺制度的制定
• 1.2.3 连轧工艺制度的制定
• 1.3 轧制过程计算模型
• 1.3.1 模型在轧制过程控制中的作用和特点
• 1.3.2 轧制过程计算模型的建模方法
• 1.4 热轧变形抗力及轧制力参数
• 1.4.1 变形抗力影响因素及变化曲线
• 1.4.2 热轧变形抗力的测定
• 1.4.3 轧制力的计算及影响因素
• 1.5 有限元分析
• 1.5.1 有限元求解及发展趋势
• 1.5.2 DEFORM 简介
• 1.5.3 DEFORM-3D 应用
• 1.6 本文的研究意义及研究内容
• 第2章 实验方法及实验内容
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 热变形实验
• 2.2.2 显微组织结构分析
• 第3章 6016 铝合金热压缩变形行为的研究
• 3.1 6016 铝合金高温压缩真应力-真应变曲线
• 3.2 本构模型的建立
• 3.2.1 应力‐应变本构方程基本理论
• 3.2.2 流变曲线的温升修正
• 3.2.3 本构方程相关系数求解
• 3.2.4 本构模型的验证
• 3.3 单道次压缩显微组织的演变
• 3.3.1 不同位置的组织对比
• 3.3.2 不同变形温度对合金的显微组织的影响
• 3.3.3 不同变形速率对合金的显微组织的影响
• 3.4 不同变形条件下的微观显微组织
• 3.5 分析与讨论
• 3.5.1 变形温度和变形速率对真应力‐应变曲线的影响
• 3.5.2 动态软化机制
• 3.6 本章小结
• 第4章 6016 铝合金热连轧数值模拟
• 4.1 轧制过程仿真基本理论
• 4.1.1 热传导基本方程
• 4.1.2 求解温度场的有限元法
• 4.1.3 精轧过程轧制力计算
• 4.2 热连轧数值模拟
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 轧板出口温度
• 4.3 轧制力数学模型
• 4.3.1 几何模型的建立
• 4.3.2 轧制力模型的建立
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录