（材料加工工程专业论文）6061铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化.pdf

兰州理丁大学硕十学位论文 摘要 本文以铝棒材为研究对象，考察了热处理工艺对6 0 6 1 铝合金显微组织及力 学性能的影响，借助t h e r m o r e s t o r - w 热模拟实验机、d e f o r m3 d 2 d 商业有限 元软件以及金相组织观察分析等手段，对6 0 6 1 铝合金等温挤压变形行为进行 了系统的研究。具体内容包括：采用不同的热处理工艺对6 0 6 1 铝合金进行固 溶时效处理，考察了不同热处理条件对6 0 6 1 铝合金显微组织及力学性能的影 响；进行了单轴压缩实验，获得该铝合金在不同应变速率和不同温度条件下流 变应力曲线；探讨了该铝合金在热挤压变形过程中流变曲线及流变应力的变化 规律，使用有限元分析软件d e f o r m3 d 2 d ，建立了考虑热传导、对流、摩 擦和塑性功等多种边界条件的热力耦合温度场的有限元模型，并在此基础上 分析了该类铝合金在热挤压过程中材料的微观组织演变。研究得出以下结论： 1 、6 0 6 1 铝合金经过固溶时效后，强度有了明显的提高。该系合金的主要强化 相为m 9 2 s i ，随着固溶温度的升高，合金的强化相m 9 2 s i 充分地固溶在合金 中，经时效后弥散的分布在基体中，提高了合金的硬度。比较得到，在固溶 温度为5 3 0 ，保温6h ，时效温度为1 7 3 ，保温3h 时试样获得较高的 综合性能。 2 、通过单轴压缩实验，获得6 0 6 1 铝合金不同应变速率和不同温度条件下应力一 应变曲线，发现变形温度和应变速率是影响6 0 6 1 铝合金流变性能的重要因 素，同一应变速率下变形温度越高流变应力越低，同一变形温度下应变速率 越高，流变应力越高。 3 、6 0 6 1 铝合金高温变形时的流变行为可以用z e n e r h o l l o m o n 参数的双曲线 方程较好地描述。通过实验和数值拟合确定各项材料系数，其本构方程可表 示为 占= 1 8 8 1 0 1 0 s i n h ( o 0 6 0 6 f f ) 2 0 脚e x p ( - 3 9 3 8 3 5 4 r t ) 其z 参数可表示为 z = 6 e x p ( 3 9 3 8 3 5 4 r t ) 。 4 、通过不同挤压工艺条件的匹配模拟，结合关键讨论，发现在挤压速度为 l0 m m s ，挤压坯料和模具预热温度为4 0 0 0 c 条件下，出料口制品温度达到 4 5 3 0 c ，制品横截面温度梯度差可控制在1 0 * c 以内，可基本实现等温挤压， 是一组优化的工艺参数。 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 5 、通过组织演化模拟发现，挤压制品截断面上出现粗晶区和细晶区的直接过 渡，并不是由材料表层摩擦生热导致， 后，由变形能转化引起微区内能增大， 大。 而是由于局部区域金属发生大变形以 导致局部区域出现了晶粒的再结晶长 关键字：6 0 6 1 铝合金；等温挤压；有限元；热力耦合；塑性变形； i v 兰州理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e6 0 61a l u m i n u ms t i c ki su s e dt oi n v e s t i g a t e h ei n f l u e n c eo fs o l u t i o n - a g i n g t r e a t i n g o nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，a n dd i s c u s s e d i s o t h e r m a le x t r u s i o n d i s t o r t i o nb e h a v i o rw i t ht h et h e r m o r e s t o r wh o ts i m u l a t o r 、t h ed e f o r m 3 d 2 dc o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e 、m e t a l l o g r a p h ym i c r o s c o p ea n ds o o n t h ec o n t e n ti n c l u d e s ：u s i n gt h ed i f f e r e n ts o l u t i o n a g i n gt r e a t i n gi st o i n v e s t i g a t e h ei n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e6 0 6 1a l u m i n u m ；f r o m h o ts i m u l a t o rh a so b t a i n e dt h et r u es t r e s s s t r a i nc u r v e su n d e rd i f f e r e n ts t r a i ns p e e d a n dt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ；f r o mt r u es t r e s s - s t r a i nc u r v e sa n du s i n gd e f o r m 3 d 2 dh a sb e e nd i s c u s s e dt h ec h a n g er u l ea n dh a se s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n t m o d e lw i t hb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h eh e a tc o n d u c t i o n 、t h eh e a tc o n v e c t i o n 、t h e f r i c t i o nh e a tg e n e r a t i o na n dt h ep l a s t i cm e r i ta n ds oo n t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、a f t e rs o l u t i o n - a g i n g t r e a t i n g ，t h e6 0 6 1a l u m i n u ma l l o y s i n t e n s i t yh a d e n h a n c e d t h em a i ns t r e n g t h e n i n gi sm 9 2 s i ，i tm e l t sf u l l yi nt h ea l l o yw i t h m e l t i n gt e m p e r a t u r ee l e v a t i o n ，a n de n h a n c e dt h ea l l o yd e g r e eo fh a r d n e s s t h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e se n g a g e di nt h eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e5 30 ，q u e n c h i n gt i m ew a s6h ，t h ea g i n gt e m p e r a t u r ew a s17 3 a n da g i n gt i m e w a s3h 2 、t h r o u g ht h es i n g l e a x l ec o m p r e s s i o ne x p e r i m e n th a do b t a i n e dt h et r u e s t r e s s s t r a i nc u r v e su n d e rd i f f e r e n ts t r a i n s p e e d a n dt h ed i f f e r e n t t e m p e r a t u r e t h ed i s t o r t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h es t r a i ns p e e d w e r ei m p o r t a n t a t t r i b u t et oa f f e c tt h ef l o ws t r e s so f6 0 61a l u m i n u ma l l o y s ，t h ef l o ws t r e s sg e t s s m a l l e rw i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea tt h es a m es t r a i nr a t e ，a n d b e c o m e sl a r g e rw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i nr a t ea tt h es a m et e m p e r a t u r e 3 、t h ez e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e rw a ss u i t a b l ef o r6 0 6 1a l u m i n u ma l l o y t h e z 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 yt h ee x p r e s s i o n ： z = 舌：e x p ( 3 9 3 8 3 5 4 r t ) a n dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o ni s = 1 8 8x1 0 1 0 s i n h ( o 0 6 0 6 a ) 2 0 脚e x p ( 一3 9 3 8 3 5 4 r t ) 4 、t h r o u g ht h em a s s i v es i m u l a t i o n s ，d i s c o v e r e dt h a tt h ee x t r u s i o ns p e e di s10 m m s a n dt h ee x t r u s i o nt e m p e r a t u r ei s4 0 0 。cc a nr e a l i z e dt h ei s o t h e r m a le x t r u s i o n v 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 b a s i c a l l y i t sd i s c h a r g eh o l et e m p e r a t u r ei s4 5 3 ，t h e l a t e r a ls e c t i o ng r a d i e n t o ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei ss m a l l e rt h a n10 5 、f r o mt h es i m u l a t i o n ，t h er e s u l ts h o wm i c r oa r e as t r a i nc a n1 e dt om i c r oa r e a i n t e r n a le n e r g yi n c r e a s e da n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h e nf o r mb i gc r y s t a l g r a i n k e yw o r d s ：6 0 6 1a l u m i n u ma l l o y i s o t h e r m a le x t r u s i o nf i n i t ee l e m e n td e f o r m t h e r m a le n e r g yc o u p l i n g p l a s t i cd e f o r m a t i o n v i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 秀咽斌 日期：彬年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名：套碉呸天 导师签名：7 互9 j 玄2 日期：洲，年月7 曰 日期：2o lo 年易月7 曰 兰州理下大学硕十学俯论文 第一章绪论 1 1 课题意义及国内外研究现状综述 铝及铝合金重量轻，在体积一定的使用场合，铝的重量仅为铁或铜的三分之 一，具有较高的耐腐蚀性、良好的导电性和导热性，无毒，对于热和光有较高的 反射性，易于加工成各种形状和进行各种表面涂饰。由于铝及铝合金具有良好的 物理、机械和工艺的综合性能，被广泛应用于航天建筑等行业，所以对它的力学 性能有了很高的要求。人们做了许多研究工作以提高合金的力学性能，例如铝 材进行变形加工时，如冷轧工艺，其强度几乎能增加一倍；如果在铝中添加少量 合金元素，如锰、硅、铜、镁等，其强度能获得更大的增长；某些合金进行热处 理能进一步得到强化和硬化；铝挤压制品在淬火时效后，其纵向( 挤压方向) 力 学性能可得到明显改善，远高于其它加工方法的同类产品，因而挤压工艺得到广 泛应用。 2 0 世纪6 0 年代以来，铝合金挤压材料的增长速度平均每年高达9 5 ，不 仅超过了铝合金的其他加工材料，而且大大超过了钢铁材料的增长速度。据不完 全统计，目前铝合金挤压材料的年产量己超过6 0 0 万吨。目前型材品种己达5 0 0 0 0 多种，其中包括各种具有复杂截面的型材、连续变断面型材、阶段变断面型材、 大型整体带筋壁板及异型空心型材。管材品种也有了很大发展，除各种不同规格 的圆管以外，还生产出各种铝合金异型管、变断面管、螺旋管、翅片管等。 在我国，随着经济的发展和人民生活水平的迅速提高，铝( 合金) 挤压型材在 生产和生活中得到了大量应用，铝型材加工也得到了迅速发展。近年来，我国的 铝加工企业己增加到10 0 0 家以上，主要装备水平与国外先进水平较为接近，有 铝挤压机2 0 0 0 余台，模具数量已增至3 0 万套，铝型材年产能力约为1 0 0 多万吨， 均居世界前列 2 - 4 】。 然而在挤压生产过程中，由于挤压模具内部是封闭的型腔，因此材料的流动、 应力与应变场的分布及其模具的载荷情况很难监测和掌握，所以经常会出现组织 性能不均匀，严重变形等一系列质量问题【5 】。本文通过模拟加试验的研究方法分 析铝合金等温挤压过程中材料的热变形行为和工艺参数的优化，提高挤压生产效 率和产品质量，解决变形和热应力问题。 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 1 2 挤压成形工艺概述 1 2 1 挤压技术过程实质 挤压工艺，是指将金属毛坯放入预留有孑l 隙的模具模腔内，在强大的压力和 一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有 一定力学性能挤压件的一种压力加工成形方法。挤压技术作为一种高效、优质、 低消耗的少无切削加工工艺，在金属材料的塑性加工中获得了迅速发展，目前在 机械、轻工、民用、宇航、军工、电器等部门中的应用日益广泛，己成为塑性加 工技术中不可缺少的重要加工手段之一【6 岱j 。 铝型材挤压一般可经历充填挤压、稳态挤压和终了挤压三个阶段，如图1 1 所示为铝型材挤压过程 一一 菇慕叛删么黼黼常磊攮斑么 ( a ) 填充挤压阶段( b ) 稳态挤压阶段( c ) 终了挤压阶段 图1 1 铝型材挤压过程 1 2 2 铝合金的挤压特性 ( 1 ) 挤压时铝合金对工具材料粘附作用很强，产生很大的接触摩擦应力。此应力 接近于剪切应力的最大值( 剪切屈服强度) ，这将使毛料的表面层和中间层之 间的剪切变形量产生很大差别，变形的不均匀性增加p j ( 2 ) 接触表面的机械咬合，接触面积不断变化。经机械加工的模具表面与坯料表 面具有一定的不平度，存在着微观的凸起和凹谷，彼此接触时互相嵌入，形 成机械咬合。当沿接触表面产生滑动时，模具表面的凸起必须碾平陷进凹谷 内的变形金属，坯料与模具之间不断产生新的接触面。很显然，凸起越高， 压入变形金属内的深度越大，表面沿切向位移所需的力就越大，即摩擦阻力 就越大。 ( 3 ) 中间物质的剪切。在冷挤压加工中，在变形工具与变形金属的接触表面之间， 常有中间物质存在，形成一定厚度的隔离层，部分的或全部的屏蔽着金属的 表面。这些中间物质主要为金属表面上的工艺润滑剂、水和尘埃等，对摩擦 过程有很大的影响。通常是中间物质的强度大大的低于变形金属。当沿接触 表面产生滑动时，将在中间物质的隔离层内发生剪切变形。 2 兰州理t 大学硕十学位论文 1 3 铝型材挤压技术国内外研究现状 1 3 1 挤压技术发展历程 挤压法和轧制、锻压等金属的塑性加工方法相比，出现得较晚。自l7 9 7 年 英国人s b r a m a n 设计了世界第一台用于铅挤压的机械式挤压机以来，挤压技术 的发展一直比较缓慢，先后出现了液压式铅管挤压机和铝型材挤压机。第二次世 界大战以后，由于工业的增长，挤压生产受到了极大的重视，相继出现了钢的热挤 压和其他材料的等温挤压等多种挤压方法，极大的提高了生产效率和产品质量， 并于2 0 世纪8 0 年代初实现了工业化应用。由此可见，挤压技术的前期发展是从 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【l 0 。1 2 】。 在挤压工艺方面，各国学者、工程师在传统铝型材挤压基础上，改进和开发 了许多新的挤压工艺，这对铝型材生产技术的提高发挥了重要作用。俄罗斯在铝 合金型材挤压方面占据十分重要的地位，5 0 年代开始铝合金壁板的生产，许多技 术在我国仍沿用至今。同本自7 0 年代以来，就开始研究各种不同的挤压加工方法， 静液挤压、连续挤压等技术早已进入实用阶段。目前还在不断开发新的挤压技术， 如精密挤压技术、连续挤压技术、可变断面挤压技术、弯曲挤压技术等。另外， 德国、美国、英国、意大利、法国、挪威、瑞典等国的铝合金型材挤压技术也发 展到了相当高的程度【l 引。 1 3 2 我国铝型材挤压生产概况 我国的铝加工工业始于上世纪5 0 年代，经过半个多世纪的发展，铝型材加工 能力得到了极大提高，为国民经济建设作出了重要贡献。2 0 0 2 年起我国铝型材产 量超过美国，跃居世界第一，成为铝型材净出口国；2 0 0 6 年铝材总量达到8 3 3 7 万吨，其中进口6 8 6 万吨，出口达到12 4 3 万吨。图1 2 为我国近年来铝型材生产 总量和进出口情况【1 4 1 。 1 ” 。 ； ，l尤 l崩 ，l i - 1 p_。2 1 l _” 一 凳刊 一一 “_翻 翱o 眸麴0 缚勰i o 晦绎 t 4 0 萎住o 1 氆 簟孽o 粕 2 0 o 图1 2 我国铝材总产量和进出口产量 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 至u 2 0 0 6 年底，包括东北轻合金有限责任公司、西南铝业( 集团) 有限责任公司 在内的6 家大型铝加工企业，拥有5 0 m n 以上大型挤压机达到2 0 台套，这使得我 国在大型铝型材加工能力上得到了很好的提升。特别是，辽宁忠旺集团拥有6 2 台各类型挤压机，已成为世界上最大的挤压厂；广东铝业正在建设世界上最大的 油压铝型材挤压机，挤压能力达到1 3 0 m n ；长沙经阁实业( 集团) 有限公司已建成 中国首家全自动化铝型材挤压厂，产能达到6 万吨，这使其产品质量和生产效率 都有了不同程度的提高。与此同时，诞生了一大批有影响力的民营生产企业，如 广东兴发创新股份有限公司、广东坚美铝型材有限公司、南海亚洲铝厂有限公司、 龙口市南山铝材总厂、台山市金桥铝型材厂有限公司等，他们和国有大中型企业 一道，为中国铝型材业走向世界的主力军。 从收集资料来看，我国已经成为世界上的一个挤压铝型材生产大国，但非强 国，铝型材生产中仍存在一些挑战性的问题。其一，我国目前有铝型材挤压生产 企业6 0 0 多家，但平均年生产能力仅o 7 万吨，低于世界平均水平0 9 万吨：其二， 产品结构不合理，低端产品生产规模庞大，同质化明显，竞争非常激烈，造成现 有生产能力大量闲置；而高端产品则品种规格偏少，产能不足；铝型材仍以建筑 型材为主，工业型材比重低；其三，行业竞争秩序较为混乱，价格恶性竞争现象 比较突出，影响了本行业的健康发展；其四，重视理论研究不够，独立丌发能力 弱。只有继续加快和深化行业结构调整，对产品结构、研发力量、能源消耗等问 题加以分析并解决，才能提高行业整体的技术水平和竞争能力，使我国早日成为 铝型材生产强国【i 5 1 0 j 。 1 4 挤压技术的基本方法 挤压成形工艺有多种分类方法。按照毛坯温度的不同，可分为冷挤压、温挤 压和热挤压：按照毛坯材料种类的不同，可分为有色金属挤压和黑色金属挤压； 按照挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间关系的不同，可分为正挤压、反挤 压、复合挤压、墩挤、减径挤压和径向挤压。通常我们所说的挤压成形工艺是指 正挤压、反挤压和复合挤压三种方式1 7 1 。 1 4 1 正向挤压和反向挤压 挤压时，金属流出模孔的方向与挤压力施加的方向相同的挤压方法，称之为 正向挤压法。正向挤压具有设备简单、更换工模具简便、产品的外接圆直径大、 产品表面质量高、对铸锭的表面质量要求不高等优点。但同时又具有有效挤压力 小、挤压产品的头、尾尺寸变化较大、由于金属变形的不均匀性，产品的组织不 4 兰州理t ) ( 学硕十学 奇_ 论立 均匀，尾端易造成缩尾和粗晶环且挤压头端变形程度小性能较低、挤压产品 的机械性能存在各向异性等缺陷。 挤压时，挤压力旆加的方向与制品流出的方向相反，称之为反向挤压法。其 原理如图所示： 甲；_ 釜 嗣闲i 嗣 图13 反向挤压原理图 与j 下向挤压相比，反向挤压可以节省3 0 4 0 挤压力、产品的尺寸精度高、挤压 残料小，成品率高、产品力学性能均匀、挤压速度快等优点。但也有设备复杂、 投资大、产品外表面光洁度差、对铸锭的表面质量要求严格、产品的外接圆尺 寸受模轴内径尺寸限制、不能采用分流模和宽展模进行挤压，多以管、棒产品为 主，产品规格受限等不足之处。 42 冷挤压和热挤压 冷挤压是目前挤压工艺中应用最广，发展最快也是完备的一种成形方法，这种 方法生产的零件尺寸准确、表面光洁不需后加工，而且节省材料生产率高，可加工 形状复杂的零件。但这种挤压方法对毛坯的要求较高，要求表面处理和润滑处理 很好并且需要很大的挤压力，所以对设备的吨位、刚度、强度均要求较高。相比 之下热挤压可以克服玲挤压挤压吨位大和变形力差的缺点，显著的提高生产效率 但在我国铝合金型材挤压温度都比较高，一般在4 8 0 - 5 2 0 c ，挤压杆速度大都在 5 m m s 以下，甚至有的型材挤压速度低于l m m s ，即采用的是高温低速挤压，这样 不仅增加了能耗，而且大大降低了生产效率”8 1 。 43 等温挤压工艺的原理及优点 在上述挤压过程中，都不可避免的会出现金属的温度和变形不均匀，从而导致 产品的尺寸、形状、组织和性能等质量缺陷问题。而等温反向挤压对限制及消除 这些质量缺陷是一种较理想的解决方法。等温反向挤压是指铝型材在恒定的出 口温度( 1 0 ( 2 ) 的情况下对铝锭坯进行反向挤压成形，通过系统深入地分析挤 压过程中热力平衡，并考虑挤压过程中各变量诸如铝锭坯加热温度、挤压速度、 挤压比、挤压简温度及铝型材几何形状等的影响对挤压过程进行数值模拟分析， 得出可用于实际生产的挤压各变量值，用于指导生产。 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 其特点就是要确保在整个挤压过程中，模孔附近变形区金属的温度始终保持 恒定或基本恒定，尽量保持金属变形抗力和金属流动的均匀性，使模孔的压力不变 或基本不变，从而获得较高的挤压速度，同时挤压型材的形状与尺寸精确、组织与 性能沿断面和长度方向均匀性也获得提高因此，实施等温反向挤压，对提高铝合 金挤压制品的生产率与质量控制均具有十分重要的意义，是一种很有前景的材料 加工方法【l9 1 。 挤压沮度 图1 4 挤压成形极限图 等温反向挤压可提高铝型材生产的产量与质量，实现等温挤压的基础是挤压 成形极限图【2 叭，如图1 4 所示。挤压成形极限图描述了挤压过程中挤压温度与挤 压速度之间的关系。图中有两条曲线，第一条是挤压能力曲线，由挤压吨位决定， 第二条是挤压制品表面质量曲线。 由图1 4 看出，通过对挤压过程系统深入地分析研究，可以在较高的挤压速 度下进行等温挤压，同时避免产品缺陷，保证机械性能，提高生产率。 1 4 4 等温挤压过程中铝型材出口温度的主要影响因素 铝型材挤压时，当加热的铝锭坯被送入预热的挤压筒中时，便开始了复杂的 热量变化过程。热量变化过程包括以下几部分 2 1 j ： ( 1 ) 铝锭坯在变形区由于变形而产生的热量； ( 2 ) 铝锭坯和工模具之间( 挤压筒、挤压杆、模具) 由于摩擦产生的热量以及 铝锭坯在变化死区剪切产生的热量； ( 3 ) 铝锭坯挤压过程中本身的热能转换； ( 4 ) 铝锭坯与工模具之间( 挤压筒、挤压杆、模具) 的热量传导； ( 5 ) 挤压制品与环境的热量交换。 由于以上的热量变化，铝锭坯在挤压筒中随着变形的进行，温度有升高的趋 势，即靠近模具口处铝锭坯的温度高于靠近挤压垫处铝锭坯的温度。 6 兰州理t 大学硕十学位论文 1 4 5 等温挤压过程的实现方法 等温挤压对保持金属变形抗力基本恒定，使金属材料变形流动均匀，十分有利， 从而使制品获得均匀的组织和优良的性能，保证制品质量。实现等温挤压基本方 法有【2 2 之3 1 ：坯料的梯度温度加热；挤压参数的热力耦合仿真；闭环控制等温挤压。 ( 1 ) 坯料的梯度温度加热：通过此种方式，使坯料在长度方向上形成温度梯度。 如果温度梯度设计合理，无论采用哪种方式，挤压速度可得到提高，挤压过 程都更接近于等温挤压。 ( 2 ) 挤压参数的热力耦合仿真：采用挤压热力耦合仿真系统实施等温挤压，硬 件花费少，对现有的工艺、设备改动很小，等温挤压系统容易建立，挤压模 不会超载，而挤压型材的产量与质量都能得到一定的提高。但该系统也有 不足之处。因系统是否真正处于等温挤压状态，是否达到最大的挤压速度， 取决于挤压热。力耦合仿真系统的仿真精度，但在挤压实施前并未得到充分 证实。此外，对于一些非正常停机、更换挤压模时其温度的随机变化等情 况，该等温挤压系统也很难处理。 一 ( 3 ) 闭环控制等温挤压：采用闭环等温挤压系统，挤压生产率可提高1o 左右， 成材率可提高2 3 ，挤压型材的质量更加均匀，挤压模不会超载，特 别是对工具工件系统随机的温度变化，挤压机未达到热平衡状态等情况， 能够给予及时的补偿，对挤压硬的合金，其尺寸精度还可得到改进。此外， 系统安装不需要挤压机专门的停机时间。闭环等温挤压的主要问题是：设备 投资费用大，用新模时，需要进行试挤才可获得温度控制的目标值，系统 不能自动的获取其所需温度控制目标值与挤压速度极限值。 考虑闭环控制系统的成本比较高，所以本实验主要采用前面两种方法进行研究。 1 5 铝型材挤压过程数值模拟 铝型材截面形状复杂，挤压成形过程属于极度大变形三维流动问题。挤压工 艺、模具质量成了挤压过程是否经济可行的关键因素。预测变形过程中的材料行 为、提高制件质量、改进工艺设计、研究模具摩擦磨损机理等，一直都是挤压成 形研究的重要目标。然而，采用传统的分析方法对这些方面进行研究，人们会发 现受到很多限制，如传统理论分析一般都基于对宏观模型的大量简化和假设，所 得结果难以从微观尺度上真实反映金属的变形规律【z 4 。 随着对计算机科学和力学理论研究的深入，人们将计算机技术和数学、力学 理论相结合，发展了“计算机辅助工程( c a e ) ”技术【2 纠。利用计算机等先进手段， 完成铝型材的制造仿真过程，获得变形体的流速分布、应力应变分布、温度分布 7 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 及载荷位移曲线等规律，并可预测实际挤压过程中可能出现的缺陷，及时调整工 艺参数，修改工艺和模具设计，为实际生产提供依据。c a e 技术已经成为塑性 加工领域的一个重要分析手段，截止目前，在金属塑性成形中应用的计算机仿真 方法主要有边界元法【2 6 i ( b e m ) 、有限差分法( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 、有限体 积法( f v m ) 以及自然单元法【2 1 卜2 8 1 ( n e m ) ，其中以f e m 和f v m 在铝型材挤压成形 中的应用最为广泛。著名的c a e 软件有a n s y s 、m a r c 、d e f o r m 、 m s c s u p e r f o r m 、m s c s u p e r f o r g e 、m s c n a s t r a n 等。这些商业软件具有强 大的有限元分析能力和高度集成功能，提供了丰富的图形界面和前后处理模块， 能够让使用者在最短时间内完成对复杂问题的研究与分析。 本研究利用商用d e f o r m 有限元软件，通过对6 0 6 1 铝合金热模拟和挤压过 程的数值模拟技术相结合的方法，为获得最佳工艺参数提供参考。 1 6 金属热塑性变形及组织力学性能研究 1 6 1 金属材料热变形行为研究概述 变形温度t o 6t m ( t m 为金属熔点的绝对温度) 、应变速率超过10 。4 s 。1 的变形称为热变形【2 9 1 。由于热变形过程中，金属内部不仅存在着金属的流动， 同时发生着组织变化，故热变形对金属的组织、性能和流变应力有着相当重要的 影响。 1 6 2 金属材料热变形行为的研究方法 研究金属材料热变形行为的实验方法主要有拉伸、扭转、平面应变压缩、圆 柱体单向压缩等 30 1 。这些基本实验方法是认识材料的高温塑性变形特征和评价 材料成型性指标的重要依据。在很多重要的金属成型工艺( 锻造、轧制、挤压和 拉拔等) 的优化设计和实施之前，均要事先借助这些基本的实验方法对材料在不 同变形条件下的塑性变形进行实验模拟，以便了解其高温变形力学行为。用这些 基本方法所测得的应力应变关系数据，对分析材料的塑性变形行为以及变形的 本质都有很大的作用。这四种实验方法各有优劣，分别适用于不同变形过程的模 拟研究【3 1 32 1 。 本文工作主要是为铝厂挤压工艺提供相关的技术支持，所以主要是采用单轴 压缩来获取合金高温不同应变率下的真应力真应变曲线。圆柱体单向压缩常用 来模拟挤压和锻造过程，其特点在于可以在较大的应变速率范围内测定材料在高 温变形过程中的真应力真应变关系。它对应变速率敏感性材料和应变速率不敏 兰州理t 大学硕十学位论文 感性材料均适用，但由于试件和模具之间存在接触摩擦，应变值超过一定值以后， 导致出现样品变形的不均匀现象，如腰鼓和侧翻等，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 边向易出现拉应力而可能使样品发生早期侧裂，破坏成形性的真实性。这一问题 可通过减小试件变形量，加入金属薄膜衬垫，并涂覆镍基润滑脂改善润滑条件予 以解决。 1 6 3 晶粒大小对金属和合金机械性能的影响 ( 1 ) 晶粒大小对金属和合金强度的影响 晶粒大小对金属和合金的强度影响很大，一般说来，在室温下，晶界强度要 高于晶粒强度，当金属材料的晶粒较细时，晶体内晶界较多，室温强度( 包括屈 服强度和抗拉强度) 也较高3 3 1 。见表1 1 。 表1 - 1 晶粒大小对铜的屈服强度的影响 材料屈服强度与晶粒尺寸d 的关系满足h a l l p e t c h 经验公尺 一三 盯，2o i + k d r 11 、 、一， 式中ov 为位错在晶粒内运动的摩擦阻力，d 为晶粒大小。oi 大体上相当于 单晶体金属的屈服强度，k 为表征晶界对强度影响的常数，与晶界的结构有关， 而与温度的关系不大。 在多晶体中，屈服强度是与塑性变形由先变形的晶粒转移到相邻晶粒密切相 关的。而这能否发生，主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的 应力集中，能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源开动起来，从而进行协调性滑移。 根据t = 1 1 下。的关系式，应力集中f 的大小取决于位错塞积的数目，n 越大，则 应力集中也越大。当外加应力和其它条件一定时，位错数目1 1 与引起塞积的障碍 晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，n 越大，所以应力集中也越大。反之， 晶粒越小，应力集中也就越小。因此，在同样外加应力下，大晶粒位错塞积所造 成的应力集中激发相邻晶粒发生塑性变形的机会比小品粒大得多。小晶粒的应力 集中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻的晶粒发生塑性变形，从而使金 属材料的强度得以提高。 ( 2 ) 晶粒大小对金属或合金塑性和韧性的影响 晶粒大小对金属或合金塑性和韧性有重要的影响，般说来，晶粒越细小， 9 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 塑性也越高。这是因为在相同外力的作用下，细小晶粒的晶粒内部和晶界附近的 应变程度相差较小，变形较均匀，相对来说，因应力集中引起开裂的机会也较小， 这就有可能在断裂之前承受较大的变形量，所以可得到较大的延伸率和断面收缩 率。同时，由于细晶粒金属中的裂纹不易产生也不易扩展，所以在断裂过程中能 吸收更多的能量。即表现出较高的韧性。晶粒大小对铝单晶体和多晶体的屈服强 度和塑性的影响见图1 5 。 毽 、 委 簧 图1 5 铝( 纯度为9 9 9 9 ) 的单晶体和不同晶粒尺寸的多晶体 室温下的应力应变曲线 1 、2 不同取向的单晶体3 、品粒尺寸为0 5 3 m m 的多晶体 4 、品粒尺寸为0 1 l m m 的多晶体 比较图1 5 中不同晶粒大小的多晶体的屈服强度和断裂前的应变，可以看 出：l 、多晶体中细晶粒组织的屈服应力高于粗晶粒组织的屈服应力。2 、晶粒越 细小，断裂前的变形量越大，即塑性越高。由于细晶粒金属中的裂纹不易产生也 不易传播，因而在断裂过程中积蓄了更多的能量，即表现出较高的韧性。 综上所述，细化晶粒不但可以提高材料的强度，同时还可以改善材料的塑性 和韧性，这是材料的其它强化方法所不能比拟的。 1 6 4 金属材料热变形行为的研究内容 ( 1 ) 金属材料热变形的流变应力 一定变形温度、变形程度和变形速率条件下的屈服极限称为材料的流变应 力，它是表征材料塑性变形能力的一个最基本参数。在实际塑性变形过程中，材 料的流变应力决定了变形时所需施加的载荷和所需消耗的能量，它不仅是衡量材 料塑性加工性能的重要指标，也是进行设备选型及校核的依据。因此对材料流变 应力的研究具有重要的理论意义及工程价值。 在金属和合金的塑性加工过程中，材料的流变应力的大小决定了变形时所需 负荷及所需消耗能量的大小，通常由该材料在不同变形温度z 、变形速率s 和变 形程度g 下，单向压缩( 或拉伸) 时的屈服应力、峰值应力或稳态应力值的大小来 l o 兰州理t 大学硕七学位论文 衡量，也与材料成分、晶粒尺寸、热处理制度以及变形历史等其它条件有关，即 可用式( 1 2 ) 表示【34 | ： 仃= 厂( s ，营，t ，c )f12 、 式中c 代表除g 、占和丁以外的其它条件，在实际的变形过程中，c 一般保 持不变，通常忽略其影响，则上式可改写成： 盯= f ( s ，舌，丁) ( 1 3 ) 通常材料变形时的流变应力主要由两部分组成，即o = oa + ob 其中oa 为作 用在位错上的外加应力，ob 为与结构有关的局部内应力。在金属塑性变形初期， 随着应变量的增大，位错密度逐渐增加，使材料的流变应力成增加趋势，材料的 微观结构也要发生变化，如晶粒的破碎、亚晶粒的形成等，这时，ob 也发生变 化，但其对流变应力的影响不如oa 显著。在高温变形过程中，由于发生动态回 复和动态再结晶而使材料的位错密度又有减小的趋势，因此oa 达到一定值时不 再增加。同时动态回复和动念再结晶也影响着微观结构的变化，如多边化过程、 亚晶粒的长大和动态再结晶晶粒的形成和长大，这又影响了ob 的变化。流变应 力的值是oa 和ob 的瞬时值之和。前者是z 参数的函数，后者是组织的函数， 即ob 与材料内部的位错密度、位错组态及相组成有关。 ( 2 ) 金属材料热变形的软化机制 金属材料在较低温度下变形时，位错密度不断增加，从而会发生加工硬化。 在较高温度( t 0 6 t m ) 变形时，材料处于高塑性状态，同时存在加工硬化和 动态软化的现象，正是由于这两个矛盾因素的相互作用，使得材料的真应力真 应变曲线出现先硬化、后软化、再稳态的特征。在热变形过程中，主要的动态软 化过程为动态回复和动态再结晶，其典型流变曲线形状如图1 6 所示【”刁引。 1 )动态回复 当变形量很低时，应力基本上随应变呈线性增长趋势，通常认为加工硬化与 ，厂一 位错密度有关，即流变应力正比于胪p ，其中l l 为剪切模量，b 为柏氏矢量， p 为位错密度，变形量很高时，位错密度的增长趋势逐渐减弱，所以加工硬化 效应也会逐渐低于线性增长规律，这一现象主要由变形过程中的回复现象造成， 因此称为动态回复( d y n a m i cr e c o v e r y ) ，其典型流变应力曲线如图1 6 ( a ) 所示。 动态回复主要发生在层错能高的金属的热加工过程中，如a 1 、口f e 及其合金等。 可以把变形过程中的动态回复过程看成是与通常的静态回复相类似的过程。在这 个过程中螺位错交滑移，刃位错攀移，造成位错对消和重排，并发生“多边形化” 过程：进行位错之间的反应，如异号位错在同一滑移面上合并消失，或进行位错 与空位列的反应，使位错攀移上升，从而使位错由原来的水平组合变成垂直组合。 该过程的实质是位错从高能态的混杂排列向低能态的规则排列转变，形成垂直排 6 0 6 1 铝合金等温挤压热变形行为研究及工艺参数优化 列的位错墙( 亚晶界) ，使晶粒内部变得较完整。所以此阶段内使晶体内应力大大 下降，强度稍有下降，塑性稍有上升。 b 仃- b ( a ) 动态回复型( d r v )( b ) 动态再结品型( d r x ) 图1 6 热变形条件下典型流变应力曲线 如图1 6 ( a ) 所示，金属材料在热变形发生动态回复时，主要分为三个变形 阶段：第一阶段为微变形阶段，此时材料中的应变速率从零增加到实验所要求的 应变速率，加工硬化率非常高，真应力应变曲线近似直线。当应力达到屈服应 力以后，变形进入第二阶段，即屈服变形阶段，此时材料开始发生动态回复引起 软化，加工硬化率逐渐降低，但软化作用仍小于硬化作用。前两个阶段又成为过 渡变形阶段。最后进入第三阶段，为稳态变形阶段。此时，加工硬化被动态回复 所引起的软化过程所抵消，即有变形所引起的位错增加的速率与动态回复所引起 的位错消失的速率几乎相等，达到动态平衡，因此最后一段曲线接近于一水平线。 在实际的热加工变型中，变形量一般较大，变形通常位于稳态变形阶段。 2 ) 动态再结晶 动态再结晶( d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ) 主要是指材料在高温塑性变形时， 在适当的变形条件下( 变形温度、应变速率、变形程度等) 发生再结晶形核和长大 的过程，主要有非连续动态再结晶、连续动态再结晶等【3 ，发生动态再结晶的 金属，在热加工范围内典型应力应变曲线如图1 6 ( b ) 所示。材料的动态再结 晶行为不但对高温塑性变形时的流变应力有重要影响，也是决定产品最终组织和 性能的决定性因素。动态再结晶主要发生在层错能较低的金属中，如c u 、n i 、 y f e 及其合金等。这类合金容易产生层错，扩展位错中的层错带较宽，位错的 交滑移和攀移比较困难，不易产生动态回复，因而在热加工过程中，局部会积累 足够高的位错密度，导致发生动态再结晶。 如图1 6 ( b ) 所示，金属材料热加工发生动态再结晶时，在低温高应变速率 条件下，曲线迅速上升到一峰值，随后由于发生动态再结晶而引起软化，使流变 应力减小到介于峰值应力和屈服应力问的某一值，而后保持基本稳定，即处于稳 1 2 兰州理t 大学硕十学何论文 定变形阶段，这种再结晶类型称为连续动态再结晶。在高温低应变速率时，金属 发生不连续动态再结晶，此时动态再结晶引起的软化与再结晶晶粒的变形和重新 硬化交替进行，流变曲线可出现周期性类似锯齿状的流变特征。每一波峰对应一 新的动态再结晶开始，此后由于软化作用大于硬化作用，而使曲线下降。每一波 谷则代表再结晶完结。此后硬化作用大于软化作用，而使曲线上升。当存储能积 累到一定程度后又开始新的再结晶。如此反复进行，就出现了波浪形的流变应力 曲线。随着应变量的增大，金属中发生再结晶的体积分数增大，软化和硬化间的 交互作用变得越来越不明显，从而使流变曲线趋于平稳。 1 7 本文的研究内容、采用的技术路线和意义 1 7 1 研究内容 挤压型材的坯料通常是由铸锭加工而成，所以铸锭通常要进行均匀化处理， 其目的在于减少偏析、消除不平衡和低熔点共晶体，以避免后两者在以后挤压中 会引起开裂。 本文的研究内容分为两部分，包括热处理工艺对6 0 6 l 铝合金显微组织及力学 性能的影响和6 0 6 1 铝合金等温挤压变形的物理、数值模