（材料加工工程专业论文）6xxx系铝合金低温快速挤压模拟研究.pdf

中南人学硕士学位论文 摘要 摘要 本文采用物理模拟和数值模拟技术，借助g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟 实验机、 口工作站上的d e f o r m 有限元软件以及金相组织观察分 析等手段，对6 0 6 1 和6 0 6 3 铝合金低温快速挤压变形行为进行了较 系统的研究。内容包括：探讨了两种铝合金低温快速挤压变形过程 中流变曲线及流变应力的变化规律，建立流变应力模型，并分析了 微观组织变化；利用有限元热力耦合技术模拟研究了铝合金的低温 快速挤压成形动态过程。得出以下结论： l ，在应变速率小于2 0 s 卅时，铝合金流变应力随温度的增加而减小， 随应变速率的增大而增大。温升随应变速率的增大而增大，当应 变速率达到3 0 s ，初始温度为3 5 0 时，6 0 6 3 铝合金在0 0 5 秒内 温升达3 2 ，由于剧烈的温升，流变应力明显下降。 2 在应变速率为2 0 s ，温度4 5 0 时，真应力一真应变曲线出现了 明显的波动，并且组织中有新晶粒生成，说明尽管铝合金的层错 能比较高，仍可发生动态再结晶。 3 可以用包含a h h e n i u s 项的z 参数描述6 0 6 3 铝合金低温快速变形 时的流变行为，其z 参数可表述为： z = 叠e x p ( 1 7 1 6 8 r r ) s 1 流变应力、应变速率与温度的关系可用z 参数表示为： 盯= 5 9 5k 1 z ( 1 9 0 4 1 0 1 3 ) 】1 旭4 7 + f ( z 1 9 0 4 1 0 1 3 ) 】2 8 7 + l v 2 m p a 4 温升大部分发生在挤压的开始阶段，然后趋向稳定。以挤压比为 2 5 ：l ，挤压杆速度为1 5 m 州s 的情况为例，当坯料初始温度设定 为4 3 0 时，出模孔温度达5 2 2 5 ，坯料温升超过9 2 5 ，达到 了6 0 6 3 铝合金的风淬温度。在出模孔的制品任一横截面中，温 度变化范围约为1 0 。所得结果为选择工艺参数以避免挤压缺陷 和减少沿纵向和横向温度变化提供了指导。由于动态回复和动态 再结晶及剧烈的温升，挤压力升至峰值后，突然下降。 关键词铝合金，热力模拟，低温快速挤压，有限元模拟 ! ! ! 尘堂堡主兰堕堡苎 垒呈! ! 坠竺! a bs t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，山ed e f o n n a t i o nb e h a v i o r so f a l u m i n i u ma l l o v s f b r6 0 61a n d6 0 6 3 d u r i n gh i g hs p e e de x t r u s i o np r o c e s sa tal o w e r t e m p e r a m r e h a v eb e e n e x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d w i m p h y s i c a l a n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u e s t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a tt h es 仃a i nr a t eo fl e s st h a n2 0 s 。，t 1 en o w s t r e s sd e c r e a s e sw i t ht t l e i n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e ，w h i l ei n c r e a s e sw i t hm ei n c r e a s eo fs t r a i nr a t e t h et e m p e r a t u r er i s ei n c r e a s e sw i m 也ei n c r e a s eo fs t r a j nr a t e t h e n o ws t r e s sm a y d r o pa f t e ri t sp e a kv a l u eh a sb e e no b t a i n e dw h i c hc a n b ec a u s e db yh e a tg e n e r a t i o nt h a tm i s e sm e t e m p e r a t u r eb ya b o u t3 2 i n1 e s st 王1 a 1 1o 0 5 sd 嘶n g p l a s t i cd e f b m l a t i o n 2 a tm es 仃a i nr a t eo f 2 0 s a j l dm e t e m p e r a t u r eo f 4 5 0 ，t 1 1 em j es t r e s s s t r a i nc u r v e se x h i b i to s c i l l a t i o n sa p p a r e n t i ya n dt 1 1 ef o h n a t i o no fn e w g r a i n sd u r i n g h o td e f o m l a t i o nh a sb e e nf o u i l d o u t d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n c a nh a v et a k e n p l a c e ，t h o u g ht 1 1 e r e i st l l e h i g h s t a c l ( i n gf a u l te n e r 叠yf o ra l u m i n u ma l l o y s 3 t h ez e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r ，z ，i sd e f i n e db vm ee x d r e s s i o n ： z = 占e x p ( 1 7 1 6 8 r 丁) s 一t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no f1 1 i 曲t e m p e r a t u r e c o m p r e s s i o nd e f o n n a t i o nf o r6 0 6 3a l u m i n i u ma l l o yi sg i v e n a s ： 盯= 5 9 5 1 n ( z ( 1 9 0 4 l o 3 ) 】1 7 8 4 7 + “( z ( 1 9 0 4 l o 3 ) 】2 78 4 7 + 1 ) 1 7 2 ) m p a 4 m o s to f t l l et 锄p e r a t l l r er i s eo c c m 葛a tt 1 1 ei n i t i a ls t a g eo f e x t m s i o na j l d t h e nm et e m d e r a m r et e n d st 0b es t a b l ea st h er 锄仃a v e l s 矗t 1 1 e r a ta r e d u c t i o nr a t i oo f2 5 ：1a n dar 眦s p e e d1 5 n 1 i 砒，f 0 re x a m p l e ，t h e t e m d e r a t u r er i s ei nt h eb i l l e tc a nb ea sm u c ha s9 2 5 a n d 廿1 e m a ) 【i m u mt e m p e r a t u r ei s 5 2 2 5 ，、v h i c ha p p r o a c h e sm ew i n d q u e n c h i n gt e m p e r 籼ef o r6 0 6 3a l u i n i n i 岫a l l o y 1 1 1 ed i f f e r e n c e i i l t e m p e r a t u r eo nm ec r o s s s e c t i o n so fm ee x m l d a t e si s 印p r o x i m a t e l y 1 0 t h er e s u l t so b t a i n e da r eo fu s ei n p r o v i d i n g u sw i t l lt h e g u i d e l i n e s i n s e l e c t i n g t l l e p r o c e s sp a r a m e t e r s t oa v o i de x t i u s i o n d e f e c t sa n dm i n i m i z e dm et e m p e r 咖r ev a r i a t i o n sa j o n gm ee x t r u d e a n do ni t sc r o s ss e c t i o n a r e rt h ep r e s s u r ed r o p s ，m es u d d e nd r o po f m e p r e s s u r em e r m e p e a l ( c a nr e s u l tf r o md y n a m i cr e c o v e r y ，d y n a m i c r e c “s t a l l i z a t i o na n dm et e m p e r a t u r e r i s e 1 1 中南人学硕七学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d sa l u m i n i u ma l l o y s ，t h e r m a ls i m u l a t i o n ， h 培h s p e e d e x t r u s i o na tl o w t e m p e r a t l l r e ， f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证 书而使用过的材料。与我共同 作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 作者签名： 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论 文，允许学位论文被套阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定 送交学位论文。 作者签名导师签名： 日期：年一月 ! ：! 二! 堕兰堕主兰垡堡茎一 蔓二：主奎堕堡垄 1 1 铝及铝合金 第一章文献综述 铝合金是工业上应用最广泛的有色金属材料之一，其产量占有色金属的首 位。铝合金得到广泛应用的原因，除了资源丰富，容易制取，成本低廉外，更 主要的是它具有一系列优良的特性。 铝合金的最大特征是密度低，室温下纯铝的密度约为2 7 x10 3 k m 3 ，铝合 金的密度在2 6 3 2 8 5 1 0 3 k m 3 之间，大约相当于铁的三分之左右。由于铝 合金密度低，强度较高，故其比强度很高，可与合金铜相比。因此，铝合金成 为一种重要的轻型结构材料，在航空工业，交通运输及建筑行业得到了广泛的 应用。 铝的另一特性是导电、导热性能好。纯铝的导电性仅次于银、铜、金而居 第四位，约为纯铜导电率的6 0 ，所以，纯铝和某些合金化程度较低的铝台金 常用来代替昂贵的铜，制作输电线及其他电子元件。 铝合金的第三个特性是耐蚀性好。这是由于铝极易氧化，在其表面生成一 薄层致密而坚固的氧化铝( a 1 2 0 3 ) 膜，阻止氧向金属内部扩散而起保护作用。只 有在卤素粒子及碱粒子的强烈作用下这种氧化膜才会遭到破坏。因此铝合金在 大气、淡水、海水、浓硝酸、硝酸盐及各种有机物中均具有足够的耐蚀性。基 于这特性，铝合金广泛应用于化学化工行业，也用以制造日常生活用品。 优良的工艺性能是铝合金获得广泛的应用的另一个重要因素。有的铝合金 具有极好的铸造性能，可得到高质量的铸件，一些铝合金具有良好的可塑性， 可通过压力加工方法来生产管、棒、板、带、型、线、箔等各种产品以及锻冲 等制品，以满足各方面的需要。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，可持续发展问题受到普遍重视，各个领域对于 节能、轻量化的要求越来越高。铝合金由于比强度高、耐腐蚀、加工性好、易 于回收等特点，是现代社会所追求的、最有希望的金属材料。铝合金挤压制品 种类多、用途广。据有关资料统计，1 9 9 8 年全球挤压机已超过5 5 0 0 台，铝材 品种达4 0 0 0 0 种。1 9 9 8 年国内挤压铝材实际产量约为9 5 万吨，而生产能力已达 到2 0 0 万吨。同期日本的实际年产量约为1 5 0 万吨，美国的实际产量则达到 3 5 0 万吨，欧洲国家的实际产量约为2 0 0 万吨，均远远超过中国的年产量。 本研究以6 ( ) ( 系中常用铝合金6 0 6 1 及6 0 6 3 为主要研究对象，以下着重 介绍这两种合金。 中南人学硕士学位论文 第一章文献综述 1 _ 26 x x 系铝合金 6 x x x 系合金的主要合金元素是镁与硅，并形成 娘，所相。若含有一定量 的锰l j 铬，可以中和铁的坏作用；有时还添加少量的铜或锌，以提高合金的强 度，晰又不使其抗蚀性有明显降低；导电材料中有少量的铜，以抵销钛及钒对 导电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织。在坂，尉中， n 如：s 升e 为1 7 3 ，但是在生产实践中难以保持此比例。因此，大部分合金不是 含有过量的镁，就是硅含量过剩。当镁含量过剩时，合金的抗蚀性好，但强度 与成形性能较低；当硅含量过剩，合金的强度高，但成形性能及焊接性能较 低，抗晶间腐蚀倾向稍好。 一般地，6 0 6 1 和6 0 6 3 合金半连续铸造状态主要组成为口( 一，) + 必g ，s f 二相 共晶体。 1 ，216 0 6 1 铝合金 6 0 6 l 铝合金属4 z 一螈一系，合金中镁、硅的含量比6 0 6 3 铝合金稍商， 并含有少量的铜，因而强度高于6 0 6 3 铝合金，但是淬火敏感性比6 0 6 3 铝合金 高，挤压后不能实现风淬。需重耨固溶处理和淬火时效，才能获得较高的强 度，6 0 6 1 铝合金可加工成板、管、棒、 以及需要良好耐蚀性能的大型结构件、 家具等构件。其特点是： 型、线材和锻件。主要用作建筑型材， 卡车、船舶、铁道车辆结构件、导管、 ( 1 ) 具有中等强度，有良好的塑性和优良的可焊性和抗蚀性，特别是无应力腐 蚀开裂倾向； ( 2 ) 可阳极氧化着色，也可涂漆，适合作建筑装饰材料。 主要相组成物：d 似f ) 、a 妇：，可能的杂质相刚f 3 、( 凡肋f ) 爿，s 等。 镁和硅为主要强化元素，形成强化相心，所，镁、硅含量是按照成形 脓，s f 的要求，使硅稍微过剩的原则设计的，6 0 6 1 合金嗨：& 1 4 。铜能提 高合金的强度，主要是固溶强化和增加人工时效效果，但使抗蚀性下降。加铬 叨以抵消铜的不良影响。 1 2 2 6 3 铝含金 6 0 6 3 铝合金是一种最典型的挤压合金，也是一种用途最广泛的合金材料， 主要产品为挤棒材，型材，管材。主要用于电子，电器，家电，通讯，建筑利 装修等工业部门，如门框，窗框，壁板，货柜，家具，升降梯，以及飞机，船 舶，轻工业部门，建筑物等不同色彩装饰构件。目前，建筑用型材普遍采用 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 6 0 6 3 铝合金。6 0 6 3 铝合金属于低合金化的爿f 堙一s f 系高塑性合金，具有很 可贵的特点： ( 1 ) 热处理强化后具有中等强度，冲击韧性高，对缺口不敏感。 ( 2 ) 有极好的热塑性，可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材或锻 造结构复杂的锻件，淬火温度范围宽，淬火敏感性低，挤压和锻造脱模后，只 要温度高于淬火温度，即可用喷水方法淬火，薄壁件( 3i 皿1 ) 还可以实行风淬。 ( 3 ) 焊接性能和抗蚀性能优良，无应力腐蚀开裂倾向，在热处理可强化型合金 中，爿f 一蛾一所系合金为唯一没有发现应力腐蚀开裂倾向的合金。 ( 4 ) 加工后表面十分光洁，且容易阳极氧化和着色。 其缺点是淬火后如在室温停放一段时间再时效，产生“停放效应”，会对 强度带来不利影响。 主要组成物：口( 彳z ) 、螈，。可能杂质相：口一爿z 如肼、刚，等。 镁和硅为该合金主要强化元素，形成强化相a 姬，研。合金中朋窑：含量为 1 2 左右，镁、硅含量是按成形朋岛研所需要的量，即垤：所= 1 7 3 ：1 而设计 的，若镁过剩， 硬，在铝中的溶解度会显著减小，降低强化效果。若s i 过 剩，会降低合金的抗蚀性，降低阳极氧化膜的光泽度。锰和铬可提高合金抗蚀 性，减小“停放效应”。钛可细化铸造组织和焊缝组织，减小热裂倾向，并可 提高合金伸长率。铜虽然对合金有强化作用，但含量高则会损害抗蚀性。由于 6 0 6 3 合金主要用于装饰，为保证其抗蚀性，铜含量作杂质控制。铁会明显损害 阳极氧化膜的色泽，锌在允许范围内对合金性能影响不明显。 6 0 6 3 的工艺特点是高温塑性好，淬火温度范围宽，临界淬火速度小，可在 挤压锻造脱模后实现喷水或风淬。均匀化退火后宜快速冷却，以保证阳极氧化 着色后色泽的均匀性。对于质量高的小直径铸锭，挤压前可以不进行均匀化退 火。淬火与人工时效之间的停留时间，不应超过1 小时，否则对强度有损害， 特别是对屈服强度。6 0 6 3 铝合金固溶处理时，可能伴随晶粒长大，其原因是锰 的偏析所致。因此应保证铸锭成分均匀，如果固溶处理与挤压过程相结合，晶 粒长大可以避免。 1 。3 铝合金挤压技术 13 1 挤压技术发展概况 挤压法与轧制、锻压等金属塑性加工方法相比，出现的较晚。英国人 s f b r a m a n 于1 7 9 7 年设计了世界第台用于铅挤压的机械式挤压机，并取得了 中南火学硕士学位论文 第一章文献综述 专利。1 8 2 0 年英因人b t h o m a s 首先设计制造了液压式铅管挤压机，这台挤压 机具有现代管材挤压机的基本组成部分：挤压筒、可更换挤压摸、装有垫片的 挤压轴和通过螺纹连接在轴上的随动挤压针。从此，管材挤压得到了较快的发 展。著名的t r e s c a 屈服准则就是法国人t r e s c a 在1 8 6 4 年通过管材的挤压实验 建立起来的。1 8 7 0 年，英国人h a i n e s 发明了铅管反向挤压法，即挤压筒的一端 封闭，将挤压模固定在空心挤压轴上实现挤压。1 8 7 9 年法国的b o r e l 、德国的 w e s s l a u 先后开发了铅包覆电缆生产。1 ：艺，成为世界上采用挤压法制备复合材料 的历史开端。大约在1 8 9 3 年，英国人j r o b e r t s o n 发明了静液挤压法，但当时 没有发现这种方法有何工业应用价值，直到2 0 世纪5 0 年代才开始得以实用 化。1 8 9 4 年英国人g a d i c k 设计了第一台可挤压熔点和硬度较高的黄铜及其他 铜合金的挤压机，其操作原理与现代的挤压机基本相同。1 9 0 3 年和1 9 0 6 年美 国人g w l e e 申请并公布了铝、黄铜的冷挤压专利。1 9 l o 年出现了铝材挤压 机，1 9 2 3 年d u r 龃l u m i n 蚰最先报道了采用复合坯料成形包覆材料的方法。 1 9 2 7 年出现了可移动挤压筒，并采用了电感应加热技术。1 9 3 0 年欧洲出现了钢 的热挤压，但由于当时采用油脂、石墨等作润滑剂，其润滑性能差，存在挤压 制品缺陷多、工模具寿命短等致命的弱点。钢的真正挤压得到较大发展并被用 于工业生产，是在1 9 4 2 年发明了玻璃润滑剂之后。1 9 4 1 年美国人h h s t o u t 报 道了铜粉末直接挤压的实验结果。1 9 6 5 年，德国人r s c h u i l e r d e r 发表了等温挤 压实验研究结果，英国的j m s a b m f ! f 等人申请并公布了半连续静液挤压专利。 1 9 7 1 年英国人d g r e e n 申请了c o n f 0 衄连续挤压专利之后，挤压生产的连续化 受到极大重视，于2 0 世纪8 0 年代初实现了工业化应用。 由上述可知，挤压技术的前期发展过程是从软金属到硬金属，从手工到机 械化、半连续化，进一步发展到连续化的过程。 由于挤压技术具有理论性强、工艺技术性高等许多重要特点，它是金属材 料工业生产、新材料制备与加工的重要方法之一。自1 7 9 7 年世界第一台铅管成 形用机械式挤压机问世以来，经过2 0 0 多年的发展，有了很大的进步，特别是 自2 0 世纪5 0 年代以来，随着欧美、日本等先进国家对建筑、运输、电力、电 子电器用铝合金挤压型材需求量的急剧增长，近2 0 年来高速发展的工业技术对 挤压制品断面形状复杂化、尺寸大范围化与高精度化、性能均匀化等的要求， 以及厂家对高效率化生产和高剩余价值产品的追求，挤压技术和生产得到了迅 速的发展。仅就铝合金挤压型材而言，据不完全统计，目前全球共有铝材挤压 机5 0 0 0 台以上，铝材品种4 0 0 0 0 种以上，铝材年产量1 0 0 0 万吨以上。挤压型 材应用领域越来越大，且不断地向小断面超精密化、大型或超大型化两个方向 发展。 ! 壹查堂堡主堂垡堡苎 兰二童奎堕堡堡 1 3 2 铝合金挤压技术的发展趋势 等温挤压、冷却模挤压、高速挤压、静液挤压等先进工艺技术得到迅速的 发展与应用。c o n f o r n l 连续挤压新技术的开发成功与大规模工业化应用，使挤 压生产由不连续变为连续，在节能降耗、简化工艺生产、提高成品率与生产效 率等方面，新的挤压方法较传统挤压方法大大地向前迈进了一步。各种特殊挤 压技术，如粉末挤压，铝包钢线和低温超导材料等层状复合材料( 包覆材料) 挤压技术得到了广泛应用。同时，由于实验技术与数值模拟技术的进步和发 展，有关挤压基础理论的研究也取得了许多重要的成果。 ( 1 ) 铝合金挤压型材正在向大型化、扁宽化、薄壁化、商精化、复杂化、多品 种、多用途、多功能、高效率、高质量的方向发展。目前世界上最大挤压机为 3 5 0 m n 的立式反向挤压机，可生产痧1 5 0 0 脚以上的管材； ( 2 ) 研究开发挤压模具和大型工具的设计计算系统，进一步提高工模具的质量 和使用寿命。 ( 3 ) 开发测定各种挤压变形性能的方法及相关试验技术，以不断提高挤压生产 效率和产品质量。 ( 4 ) 研究相对应变、变形速度、温度、应力状态对铝合金材料挤压变形性的影 响，以优化工艺。 1 3 3 铝合金低温快速挤压技术 随着材料加工向高速，节能，连续化方向发展。近年来，很多铝材挤压生 产厂家都希望采用低温快速挤压新技术。 低温快速挤压是指挤压温度低于4 5 0 ，而杆速度高于1 0 衄s ，即在保证 型材出口温度达到直接风冷淬火温度的条件下，尽量降低铸锭加热温度，通过 提高挤压速度，使型材温度升高来补偿，以达到低温快速挤压的目的这样既提 高了生产效率，又节约了能源。同普通挤压方法相比，低温快速挤压法具有其 突出的优点：由于挤压时温度低，坯料加热时间相应缩短，同时变形速率快， 坯料变形时问短，既节省能耗，又大大提高了生产效率，是一种很有前景的材 料加工方法。 6 0 6 l 、6 0 6 3 铝合金在挤压生产建筑型材时，现在都是利用制品挤压后的余 热在挤压机上直接进行风冷或水冷淬火( 挤压热处理) 。这样可以减少热处理 工序，提高生产率。 彳，一倾一日系合金的淬火敏感性随合金尬：所含量的增加而增大。由于 6 0 6 1 合金的淬火敏感性较6 0 6 3 合金的大得多。因此，6 0 6 3 铝合金挤压生产时 可以采取风冷，而对6 0 6 1 合金必须采取水冷。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 无论采用水冷还是风冷，要获得好的冷却效果的前提是坂，s 泔目必须充分 固溶。不同他：s f 含量的4 ，一尬一系合金的充分固溶热处理温度是不同 的，如含他：研量为1 1 的合金充分固溶温度应不低于5 0 0 ，含腋，& 量为 1 ，5 的合金充分固溶温度应不低于5 5 0 。因此，挤压时必须高温挤压。为获 得高的挤压温度，有两种方法：一是把铸锭加热到5 0 0 及以上，二二是把铸锭 加热至4 2 7 4 5 4 进行快速挤压，使制品出模后温度升到5 0 0 以上。第一种方 法凶铸锭温度太高，必须降低挤压速度，否则会使制品表面质量下降，甚至有 时还会产生表面裂纹。因此，一般采用第二种方法。使6 0 6 3 合金挤压制品有高 的挤压速度、强度和光泽表面的理想挤压条件是，首先将均匀化且快速冷却的 铸锭加热到4 2 5 ，然后怏速挤压，使铸锭在挤压筒内逐步升温以至通过模孔 时达到最高值，以便 农，s i 充分固溶。制品出模后用风( 水) 急剧冷却。6 0 6 1 、 6 0 6 3 合金挤压热处理周期如图1 1 和图1 2 i l j 所示。为便于分析，我们把这个周 期划分为三个阶段。阶段为制品由模孔挤出后通过前梁而进入风冷( 6 0 6 3 ) 或 水冷( 6 0 6 1 ) 区时的自然冷却阶段；阶段为强制风冷( 6 0 6 3 ) 或强制水冷( 6 0 6 1 ) 阶 段；阶段为人工时效阶段。挤压热处理时该三令阶段奶都能正确地执行，则 能获得细小 岔，彤沉淀粒子，从而获得高强度和光泽表面质量的挤压制品。 低温快速挤压技术在国内金属加工领域中应用很少，有关这方亟的文献也 极少。据报道，福建的南平铝厂曾从事过这一方面的研究和生产实践，但结果 似乎并不理想。可能是由于技术保密等原因。国外几乎没有关于低温快速挤压 技术方面的报道。 y 套 蠼 蘑 剥 蚓 臻 第一瞻段第二阶段第三阶段 时翔，m i n ( 时埔) 圈卜16 0 6 l 合金挤压热处理示意图 j 塑! 堑堡主堂垡堡兰 笙二重壅堕堡堕 p 倒 嶷 篓 斟 蟾 第一阶段第：狳段嚣、曼阶段 0 ， 2 345 5 0 0 时闭7 m m ( 对数) 图卜26 0 63 合金挤压热处理示意图。 1 4 金属塑性变形行为研究 1 4 1 台金塑性变形行为研究方法 研究材料塑性变形行为时通常要借助一些基本实验方法，常用的方法主要 有单轴拉伸法【2 1 、扭转法【2 ，3 1 、压缩法f 2 】等。在很多重要的金属成形工艺( 包括 轧制、挤压、拉拔、锻造等) 的优化设计和实施之前，均要求事先借助这些方 法了解材料在不同变形条件下的塑性变形行为。采用这些基本实验方法，有利 于对颏材料进行开发研究时，建立起有关材料的塑性变形特征和成形性指标， 用上述实验方法获得的应力一应变关系可以分析材料的塑性变形行为及其本 质。 根据6 0 6 1 和6 0 6 3 铝合金的实际应用，其实际变形过程主要是挤压变形， 由于压缩实验方法比较适合模拟挤压变形。因此本文采用压缩实验方法研究铝 合金的变形行为。 按应变类型可分为轴对称压缩和平面应变压缩等，按测温度变化情况可分 为等温压缩和非等温压缩。平面应变压缩适合于模拟板材热轧( 特别是热精 轧) 和各向同性材料的变形。但由于存在外端的影响，流变应力值比实际值偏 高，摩擦与拉伸条件的不确定性和几何软化现象的出现等使其不太适合热变形 本构关系的研究【4 】。非等温压缩对于模拟实际锻造过程最具优势但温度场的不 确定性给实验和数据处理带来误差和难度。 僦螂 弘 吾 o 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 轴对称等温压缩常用来模拟挤压和锻造过程j 。其特点在于可直接在较大 应变速率范围内测定材料在热变形时的真实应力一应变关系。它对应变速率敏 感材料和应变速率不敏感材料均适用。但由于工件和模具之间存在接触摩擦， 应变值超过一定值以后，样品会出现不均匀变形现象，侧鼓( 又称腰鼓) 和侧 翻等，从而改变变形的恒应变速率状态，应力状态也由原来的单向压应力状态 变成复杂三向应力状态，特别是在周向易出现拉应力而( 可能) 使样品发生早 期侧裂，破坏成形的真实性。不过，这一问题可通过改善润滑条件得到一定改 善。如采用两端带浅凹槽的样品，并填充诸如石墨、聚四乙烯及玻璃粉等润滑 剂。润滑效果良好时，压缩真应变高达2 3 0 ( 9 0 ) 时仍不出现明显腰鼓印j 。 1 4 2 合金流变应力 合金高温塑性变形流变应力盯应满足： 口= 厂( 占，0 ，r ) = _ ) ( 亡) ( r ) ( 1 1 ) 但是，其具体表现形式则与材料、变形方式和变形条件有关。忍z 加等人【9 】 研究不同温度下钢镦粗变形时采用幂指数温度项来描述温度对流变应力的影 响，即： 盯= 画f 8 毒”e x p ( 6 r ) ( 1 2 ) 另外，人们还提出了高温塑性变形流变应力更为简单的表达形式： 盯= 口2 s ”舌”r 吖 ( 1 - 3 ) 以上髓式中 、口：均为与材料有关的经验常数。然而，以上两式的流变应 力方程中都忽略了个很重要的因素，即n 和州均随变形温度的变化而变化。 因此，它们实际上也只能是温度变化较小时的一种近似关系，为解决这一问 题，人们提出了一种更为可靠的含温度项的方程： 盯= b ( r ) s ”r 占”n ( 1 - 4 ) 式n - 4 ) 中研( 7 1 ) 和月( r ) 均为温度r 的函数，b ( r ) 为塑性模量，通常丑( r ) 及 m ( r ) 随温度升高而增大，n ( r ) 随温度的升高而降低。但b ( 丁) 、m ( 7 1 ) 、n ( r ) 函 数关系只能从大量的实验数据求解。求出材料在高温塑性变形时的流变应力与 变形温度、应变速率、应变量之间的相互关系后，即可以得到其高温变形流变 应力变化规律，同时，利用这种流变应力的变化特征还可以求出材料高温变形 时的有关材料常数，如、口、聍和彳值，为用z 参数研究变形条件与材料形 变组织和性能的关系提供方便。一般来说，如果z 值不变，则材料稳态流变阶 段的组织特征不发生明显变化。据此可建立组织和性能的预测模型。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 43 合金动态回复和动态再结晶行为研究 对金属材料动态回复和动态再结晶的研究最早源于对蠕变行为的研究。后 来，人们才认识到热加工变形中的动态回复和动态再结晶并了解到它们对热变 形组织的重要影响。通常根据材料的层错能的大小，可将它们分为动态回复 型和动态再结晶型。前者包括大部分铝及铝合金、铁素体合金等：后者主要包 括铜及铜合金、镍及镍合金、澳氏体钢等。动态回复和动态再结晶程度以及由 此形成的组织特征决定了材料的热加工态性能，并可能影响材料在后续加工和 热处理时的组织和性能变化行为。 材料发生动态回复和动态再结晶时对应的典型流变曲线如图1 3 所示，图 1 3 f a ) 为仅发生动态回复时的流变曲线，可分为过渡变形阶段和稳态流变阶段。 在实际加工变形过程中，变形量一般都比较大，变形通常位于稳态变形阶段。 变形过程中除可以发生动态回复外，其它软化机制也可能起作用，如动态再结 晶、沉淀相的粗化、织构的变化等，流变曲线可能会变得复杂些。 图1 3 热加工条件下的典型流变曲线( a ) 动态回复( b ) 动态再结晶 图1 3 为动态再结晶型流变曲线，发生动态再结晶时，在大应变速率条 件下，流变应力通常先增加到一最大值，然后减小到介于峰值应力和屈服应力 间的某一值并保持基本恒定。较低应变速率时，动态再结晶引起的软化与已再 结晶晶粒的变形和重新硬化交替进行，流变曲线出现了周期性锯齿型流变特 征，随应变量的增大，材料中发生再结晶的体积分数增大，软化和硬化问交互 作用变得越来越不明显，从而使流变曲线趋于平衡。 高温塑性变形过程中动态回复机制主要包括( 1 ) 刃型位错攀移；( 2 ) 滑 动螺型位错上刃型割阶的非守恒运动；( 3 ) 被点缺陷钉扎的化错脱钉及三维位 错嘲络的脱缠；( 4 ) 螺型位错的交滑移等j 。这些适应于蠕变变形的模型同 样适应于高温变形。经典的攀移理论认为，刃型位错的攀移速度与在攀移位错 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 附近区域内应力作用下产生位错的几何条件密切相关。蠕变变形受空位运动和 刃型位错的攀移速率控制，与自扩散过程有关，变形激活能与材料的自扩散激 活能相近。s t u w e 在1 9 6 5 年提出了一种基于刃型位错攀移到亚晶界处的高温稳 态蠕变机制【l “。由该模型得出的应力一应变曲线和实验值相当吻合，但所得到 的弧晶粒不是等轴的，而且其尺勺比实际挤压变形后得到的相应值要大好几倍 。螺型位错的交滑移也是控制变形的动态回复机制之一。s h e r b v 等人( 1 4 】研究 高纯铝的蠕变变形后发现，蠕变变形激活能随温度的升高而增加。在7 7 k 8 8 0 k 温度范围内，激活能与温度无关，其大小为1 4 8 5 k j m 0 1 与纯铝的自扩散 激活能相近，表明此时变形主要受位错的攀移控制。在2 5 0 k 3 7 5 k 范围内， 蠕变激活能为1 1 5 1 k j 恤o l ，螺型位错的交滑移成为主要热激活速率控制机制， 两平台之间激活能缓慢增加，说明此时两种机制同时发生作用。整个蠕变温度 范围内的激活能与流变应力和应变无关。s c h o e c k 和s e e g e r i l 5 j 也认为激活能为 1 1 5 k j ，m o l 的温度条件下，蠕变变形可能受与交滑移介入有关的过程控制。对 高纯镍的蠕变研究也表明，镍的平台值与自扩散激活能相近，但平台温度以下 的激活能则比自扩散激活能要大得多，这可能与溶质原子和第二楣颗粒对位错 的拖曳作用有关。高温塑性变形时，在外加应力的剪切分量和热激活作用下， 位错可脱离这些障碍的钉扎丽继续运动。因此，位错脱钉过程也可能控制晶体 的高温塑性变形。此外，割阶化螺型位错的非守恒运动也是控制材料高温塑性 变形的机制之一【l 。 粼 翻 越 真应力 图l - 4 动态再结晶与不连续动态再鲒晶应力应变曲线 动态再结晶与动态回复不同，l u t o n 和s e l l a r s m 研究了n i 和n i f e 合金的 动态再结晶行为，发现发生动态再结晶时存在一一临界变形量，相应地存在临 ! 堕查堂堡主兰堡堡苎 墨二童苎堕堡笙 界位错密度成，超过临界应变量f 。后发生大量再结晶所需的时间由此时对应的 应变量s ，决定。当 ，时，前 一轮动态再结晶结束前，后一轮动态再结晶就已经开始，此时s 。比要小一 些，流变曲线出现峰值后降低并趋于平稳，图i 一4 示出了这两种流变曲线特 征，其中图1 4 a 称为连续动态再结晶，图l 一4 b 则称为不连续动态再结晶。这两 种形式都属于晶粒范围内的动态再结晶，其形核过程的实质是：稳态交形时， 在原始晶粒内形成的小角度亚晶界不断吸收滑动位错或与其它亚晶合并，逐渐 增大两侧亚晶粒同的取向差，并最终形成迁移率较大的大角度晶界。 1 5 金属塑性成形研究 15 、1 金属塑性成形物理模拟研究 金属塑性加工的模拟方法有物理模拟和数值模拟，二者是金属成形工艺研 究和设计的常用辅助方法。 物理模拟是在实验条件下选取合适的试样，采用合理化的实验工艺，应用 先进的测试和分析手段，尽可能逼真地再现和记录加工生产过程中人们关心的 某一过程，某一环节。实验模拟的方法包括网格法、软材料实物模拟法、密栅 云纹法和光弹光塑性等。近年来，日本研究人员【1 8 】对0 6 1 o 咖的6 0 6 3 铝合金 薄壁型材的导流模挤压进行了物理模拟研究，得出了型材前端形状齐平是导流 模孔型状的经验设计数据。1 9 9 8 年，蔡薇等人f j 舛采用蜡系列介质对6 0 6 3 铝型 材的高温挤压变形过程进行了模拟实验，获得了挤压制品均匀变形时的端部形 状。国内还采用高温密栅云纹法和光弹光塑性法研究并优化了数种铝型材挤压 工艺和模具设计1 1 8 】。 分析学者们的研究可知，物理模拟法作为一种有效的实验分祈手段，对模 拟铝型材变形过程有着不可替代的作用，既可用于指导模具和工艺设计，又可 用于验证理论解析和数值模拟等方法的研究结果。它可以避免通过实际生产过 程研究问题时情况复杂、影响因素多和不必要的浪费等诸多不利因素，阱小试 样迅速精确和有针对性地揭示材料在加工过程中组织和性能的变化规律，从而 预测材料在加工过程中出现的闯题，为新材料的研制，新工艺的开发提供科学 依据。通过大量的实验结果，得出材料模型和变形边界条件，为数值模拟打基 石出。 一! 直奎堂堡主堂堡堕塞 塑二空壅堕堡堕 我国近年来物理模拟方面研究有所忽视，企业界更少使用。应该注意的 是，计算机方法的使用离不开实验背景，而物理模拟毕竟是建立在实验基础上 的，还可以用于检验数值模拟结果的合法性。适当开展物理模拟方法的研究和 开发应用，既有利于提高生产效率、降低模具制造成本，也会避免这方面研究 少走弯路。 1 ，5 2 金属塑性成形数值模拟研究 数值模拟就是将物理模拟的实验结果与数值分析技术特别是有限元技术结 合起来，研究材料在塑性加工过程中的变形情况、温度、应力、应变等分布规 律以及微观组织、力学、机械及物化性能等的变化情况。利用合适的数值分析 方法以数值形式在计算机上再现实际加工过程，它可以使人们不必亲临生产现 场而能够定量、直观、准确和全面了解加工过程。目前，数值模拟技术已成为 金属塑性成形领域重要的研究手段，而且数值模拟可以弥补当前物理模拟技术 的局限性。 ( 一) 有限元法在数值模拟中的发展 世界范围内的激烈竞争及电子计算机的普及和数值计算方法的改进，使得 有限元的理论和应用得到了蓬勃的发展，有限元技术在金属塑性加工分析中的 应用也取得了惊人的进步。 离散化的数值计算方法的基本思想早在上个世纪4 0 年代初期就已经提出来 了，但直到5 0 年代中期，m j t u n l e r 和r w c l o u 曲等人才将此方法用简单受 载铰接的三角平板单元进行了飞机的结构分析，这一工作被认为是有限元法的 创始。1 9 6 0 年r w c 1 0 u g l 正式使用有限元( f i i l i t ee l e m e n t ) 这一术语，并用这 种方法求解了弹性力学的二维平面应力问题，引起了人们的极大关注。以后， oc z i e l l l ( i e 、v i c z 等人对建立有限元法的完备理论体系和计算方法方面作出了重 要贡献。随着计算机技术的迅速发展，有限元法己成为能处理几乎所有连续介 质和场问题的一种强有力的数值计算方法，其在金属塑性加工中的应用也得到 了迅速而深入地发展。 】9 6 7 年，p v m a r c a l 和i p k i n g 【2 0 谰有限元求解弹塑性问题，开始了在塑 性领域中的应用。1 9 6 8 年y y 唧a d a 等人【2 1 】推导了弹塑性小变形问题的应变矩 阵显式，大大推进了小变形弹塑性有限元的发展和实用。但是以小变形理论为 基础的弹塑性有限元只适用于分析金属成形的初期情况，随着变形量的增加会 出现明显的误差，这就推动了大变形弹塑性有限元法的发展。大变形的理论基 础研究可追溯到1 9 5 9 年r h i l l 的工作，直到1 9 7 0 年h d h i b b i t 等人1 2 珥首次利 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 用l a 静a n g e 描述提出大变形弹塑性有限元列式，从此，大变形弹塑性有限元法 不断完善并解决了一系列实际问题。 采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形问题，不仅能按照变形路径得到塑 性变形区的发展状况、工件中的应力应变分布规律以及几何形状的变化，而且 还能有效地处理卸载等问题。计算残余应力和应变等，从而可以分析和防止产 品的缺陷等问题。但大变形弹塑性有限元法是建立在有限变形理论基础上的， 从分析金属成形过程的角度出发，存在着计算工作量大的缺点。为了保证计算 精度和解的收敛性，每次增量加载中不能有过多的单元进入屈服状态，所以每 次计算的增量步长不可能太大，在计算变形问题时，需要较长的时间和较多的 费用，效率较低。 为克服上述的不足，c h l e e 和s k o b a y a s h i 俐于1 9 7 3 年提出了基于变分原 理的刚塑性有限元法，采用l a 野a i l g e 乘子技术旖加体积不可压缩条件。由于这 种方法不象弹塑性有限法那样用应力、应变增量求解，因此，计算时每步的增 量步长可以适当取大，但对于每次增量变形来说，材料仍处于小变形状态，下 一步计算时在材料以前的累加变形几何形状和硬化特性基础上进行的，因此可 以用小变形的计算方法来处理大变形问题。1 9 7 9 年，o c z i e n k i 嘶c z 等人斟1 给 出了罚函数法的体积不可压缩的刚塑性有限元法。 刚塑性有限元法通常只适用于冷加工。对于热加工( 再结晶温度以上) ， 应变硬化效应不显著，而对变形速度有较大的敏感性，因此热加工时要用粘塑 性本构关系，相应地发展了刚粘塑性有限元法。0 c z i e n 虹e 、v i c z 等人【2 副把热加 工时的金属流动视为非线性n e 叭o n 型不可压缩粘性流体，导出了刚粘塑性有 限元列式。s k o b a y a s h i 和s o h 在刚粘塑性材料变分原理的基础上，也导出了 类似的刚粘塑性有限元列式。目前刚粘塑性有限元是国内外公认的分析金属塑 性成形问题最先进的方法之一。 近几十年来，随着计算机技术的迅速发展和数值计算方法的日益完善，尤 其是随着有限元技术的不断完善和发展，有限元数值模拟法已被广泛应用于铝 型材挤压的变形模拟、温度场模拟以及摩擦与润滑分析等方面。 ( 二) 变形模拟 在国外，科普、道森、汤姆森等人1 8 1 用有限元法，采用不同网格尺寸，对 各种铝型材热挤压过程进行了不同层次的模拟，获得了力、功、能、平均压力 和平均温度、金属流动、应力、应变、应变