（材料学专业论文）az31b镁合金铸轧工艺模拟及其实验研究.pdf

中南大学硕上学位论文 摘要 摘要 镁合金板材在航空航天、汽车、3 c 等领域都有着十分广泛的应用前景。但由于镁合金 室温塑性差，传统的轧制必须在较高温度下进行，而且轧制工序很长，导致生产周期过长， 成品率低，成本高。本论文建立了有限元模型，对a z 3 1 b 镁合金铸轧过程中的热力耦合 问题进行了有限元模拟，通过实验确定了合适的a z 3 l b 镁合金铸轧和后续热处理、轧制 工艺条件，并利用透射电镜( t e m ) 、扫描电镜( s e m ) 、金相( o m ) 、室温拉伸等实验方法详 细研究了a z 3 1 b 镁合金铸轧板材的微观组织及力学性能。研究结果表明： 通过有限元模型对a z 3 1 b 镁合金铸轧过程中熔体温度场和变形场进行计算，计算模 拟确定的铸轧参数为：浇注温度6 8 0 7 1 0 ；铸轧速度2 5 2 8m ，m j i l ；在此模拟基础上 采用相同的铸轧参数进行铸轧实验，成功制备出了厚度3 8m m ，宽度2 0 0n u n 的铸轧a z 3 l b 镁合金板。不引入外场铸轧的a z 3 l b 镁合金板枝晶网胞发达，二次枝晶间距约2 0 2 5u m ，板面内力学各向异性不明显，而引入超声场和电磁场( 以下称为“组合场”) 后铸轧得 到的a z 3 1 b 镁合金板微观组织更加细小均匀，有明显的半固态组织，平均晶粒尺寸约为 1 2 1 8um ，在力学性能上也可得到很大改善：相比不引入外场铸轧的a z 3 1 b 镁合金板 而言，引入组合场铸轧的a z 3 1 b 镁合金板铸轧方向抗拉强度可提高1 3 ，与铸轧方向呈 9 0 。方向延伸率提高了7 0 ，引入组合场铸轧a z 3 l b 镁合金板的硬度值也提高了2 6 。 超声场或电磁场单一作用下的铸轧a z 3 1 b 镁合金板力学性能也有所提高。另外，引入组 合场铸轧的a z 3 1 b 镁合金板在4 0 0 保温4h 均匀化处理条件下第二相已完全固溶。均 匀化退火后铸轧a z 3 l b 镁合金各方向的的力学性能仍然相差不大。并且引入组合场铸轧 a z 3 1 b 镁合金板在后续热轧过程中可以获得更好的力学性能。 关键词：a z 3 1 b 镁合金；铸轧；热轧；有限元模拟 a b s t r a c t m c 髓e s 池ma l t o ys h e e t sh 伽ee x 打e m e l ye x t e n s i v e 昭p l i c 口t o np r 0 s p e c t s 口tt h e c l e r o s p n c e n l l t o m o t i v e ，3cq n do t h e r 疖e l d s h o w e v e r 。b e c c i t l s eo ft h ep o o r ，o r m q b m 秒a lr o o mt e 玎l p e r n t l l r e t h e 仃n d i t i o n a lr o l l i n gm 征s tb ec n i e do u tq t 轴g h e rt e 怫) 盯a t 锐r e n n dt h er o t l 讯gp r o c e s si sv e 秽c o m p l e ) c ，r e s t l l t 溉m ec o s ti s u n ( i c c t p t a b l e i nt h i s d i s s e r t c 髓i o n f e mr n o d e lw 口se s t 口b t i s h e d ，n n d t h e r m o 。m e c h q n i c n lc o t 妒l i n gp ，o b l e ms i m t l i n t i o n 巧t w i nr o t t c a s t i n r 如rt h ea z 3 ib m n g n e s 妇m 硼0 yw a sd o n eb yt l s i n g 知i t ee l e m e mm e t h o d | r h e 柳诫m l l c n s i n g ， h e n t 打e a t i n g a n dr o h i n gp r o c e s sc o n d i t i o n so fm 口昏n e s i l l ma z 3lbs h e e t sw e r e i d e n t 弘j e db ye x p e n m e n t n q n s m i s s i o ne l e c 钾o nm i c r o s c o p yo r e m ) s c n m i n g e l e c t r 佣m i c r o s c o p y ( s e 岣。d p t i c n lm i c r o s c o p y ( o 岣a 砌r 0 0 mt e m p e r q f t l r e t e n s i l et e s t s e tn t e ) 咿e r i m e n t q lm e t h o d sw e r ee m p l o i y e dt di r l v e s n g a f et h e m i c r o s 打锐c 饥彬e ，n n dm e c h a h i c n lp r o p e r t i e s 可t h ea z 3ibm n 昏n e s i m mn l l o i ys h e e t s t h er e s 让l t ss h c r wt h c l t ： 1 色n l p e r c i t 锐r e 毋e l d q n dd 哆如r m c i t i o n 务e l d 0 1 f i t w i nm 1 1 c n s t i n go fa z 3ib m a g n e s 诹mq l | o ym o l t 明w 锵r e s e c l 愆h e db yf e m ，w n ht 沁n p p m 缈i c l t em i n r o l l c n s t 锄gp r o c e s sp c l r a m e t e r so 彳a z 3n im n g n e s i 锐mn l l o y 口s ，f o l l o w s ：p o w i n g t e m p e r n 觚ew n s6 8 0 7 lo ；撕讯r o l l c c l s t i n gr 口t ew 傩2 5 2 8 删m 溉o 弧t h e 0 t h e rh 册d ，t h er e 口l 撕讯阳l t c n s t i n ge x p e n m e m o fa z 3 lbm q 孵e s i m mn t l d vw e 陀 c q ”i e d0 饿w i t ht h es n m ep 甜n m e t e r s 粥f e m ，t op r e p 钟e d 批诫r o l l c 口s n n g a z 3lbm 口g n e s i t l m n l l o y s h e e tw t tt h i c k n e s s 0 f3 8 m m 。w i d t ho f2 0 0 m m s 1 l c c e s 咖t l y d e n 出j t i c t h es h e e t s 即d u c e db y 撕i nr o l t c 口s n n gw n h o l l t 口唧 v i b r q t i o nw ( i sj f l 0 谢t s h 伽g d e n d r i t i ca r ms p a c e 协gw 口s2o 2 5 “m a n i s o 臼o 秽巧 m e c h c i n i c n lp 甲0 p e r t i e s 蟛t h e s es h e e t s 、v n si n s i g n i 矗c ( i m 碍啦e nt h e 豫l 打g 咯o n i cn n d e l e c t r o m a g n e t i cv i b r n t i o n ( c o m b i n a t i o n r o l l c a s t i n g 对t h ea z 3 lbm n g n e si t 册 v i b r n t i o mw c l si n 打。幽c e di n f 0t h et w i n a l l o y m i c r o s 饥t c t t l r e 可t h e s ea z 3 ib m a g n e s l t l mc l l l o y s h e e t sw 口ss m 口h e r6 m dm o r e t m i f o r m 。 仅n d s e m i s 0 l i a m l c r o s 臼懈c n l r ew q sv i s i b l e a v e r q g eg r q i ns i z e 巧t h ee x p e r i m e n f c i la n o yl n 罾o t s w q sq b o ml2 l8 | 上m a tt h es n m e t i m e ，c o m p c l r e dw i t la z 3h im c l 2 n e s i h m 口1 1 0 v sh e e t sp r o 幽c e d b y 卅衲r o l l c 仅s t i n gw “h o t l tq n yv i b r n t i o n t h em e c h c i n i c 口l p r o p e r t 记sw e r ei m p r o v e dr e m c i r b b t ed s 加t l o w s ：t h et e n s i l es 打e n 2 t hi nt h em 汛 r o t l c n s t i n gd i r e c t i o nw n si n c r e a s e db yl3 。t h ee t o n 留q t i o ni nt h ed i ”e c n o n9 0 o t 0 i l d i s 删i o nf - o rm 雏t e r d e g r c eo f c s ua b s 的c t 批i nr o l l c a s t i n gd r e c n o nw n s 伽c r 阳s e db y7 4 ，册dh 甜d n e s s 巧s h e e t sw q s 讯c r e q s e db y2 6 m e c h a n i c n lp r o p e r t i e s 可m c i 缈e s i 姗n l l o ys h e e t sp r o d t l c e db y 批i np o n - c n s t i n gw i t ht l l 打n s 0 n 记o re l e c 静0 m q g n e t 主cv i b r n t i o nc o t l t db ea d 、7 q n c e d t 0 0 o t h e 刑i s e s e c o n d p h q s e 西s h e e t sp r o 幽c e db y 批讯r o l l c 销n n g 珊a e r c l p p l i c a t i o n c o m b i n n t i o nv i b r a t i o ns o k t e dq f i e rc 仉n e n l i n ga t4 0 0 加rlh 筋e r 绷n e n l i n g ，册i s 0 们砂西m e c h 锨i c c i lp r o p e r t i e s 彭t h e s es h e e t sw 嬲 i 凇i 黟访c 硼t m e c i n w h i l e ，a z 3jbm n 髓e s i t l mq l l d ys h e e l l sp r o d t l c e db y 舢i n r o l l c n s t i n g 锯n d e rc i p _ p l i c q t i o n 何c o ，n b j n a n o nv i b r a t i o nc o l l l d 0 b f a i nb e t t e r m e c h 矾i c n lp r o p e r n e sq f l e rh o t r o l l i n g k e 了w o r d s ：a z 3 lm n g n e s i 戡mn l l o y ：柳弧阳l l c n s 黼g ：r o l l i n g ：f e m h i 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 镁及其合金是目前工程应用最轻的金属结构材料，纯镁的密度仅为1 7 4 趴m 3 ，大多 数镁合金的密度也均在1 7 1 9 c m ? 之间；此外，镁合金还具有比强度和比刚度高、阻 尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良和易回收等优点【1 ，2 1 。但是，由 于受材料制备、加工技术、抗腐蚀性能以及价格等因素的制约，镁合金尤其是变形镁合金 的应用在过去几十年中一直远远落后于钢铁和铝合金。近年来，由于对汽车轻量化和环保 要求的不断提高以及能源的日趋紧张才激发了研究人员对镁的极大兴趣。 镁合金根据成型方法不同主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类【3 5 l 。前者主要通过 铸造的生产方式获得镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年来，铸造领域中一些新 的生产工艺和技术，如压力铸造技术、半固态成型技术以及最新的t h i x o m o l d i n g 专利技术 都被用来开发新型镁合金材料，并取得了很大的发展和应用。与铸造镁合金相比，变形镁 合金材料更具有发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件 产品，并且可以通过材料组织结构的控制，热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更 高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。因此， 研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，生产高质量的变形镁合金产品， 是国际镁协所提出的发展镁合金材料最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划。 镁合金的合金系主要有【6 】m g 系、m g z n 系、m g m n 系、m g 1 冱系、m g 耽系和 m g l i 系等合金系。其中变形镁合金的合金系有：m g m n 系、m g a 1 z n 系、m g z n z r 系、 m 争l i 系、m 争t h 系、m g - m n - r e 系、m g z n - z 卜i 疆系、m g - a l r e 系、m g - z n - i 强系和 m g 1 也系等。主要变形镁合金的成分如下表1 1 ： 表1 1常见变形镁合金的牌号和化学成分 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 镁及镁合金的结构与性能特征 1 2 1 晶体特性 纯镁及大多数镁合金均为密排六方( h c p ) 晶体结构，图卜1 是纯镁的晶体结构示意图， 原予以( o 0 0 1 ) 面在空间按a b a b 顺序堆垛而成，其中a _ 0 3 2 0 9 姗，c = 0 5 2 1 0 啪，轴比( c a ) 为1 6 2 3 ，接近密排六方晶体结构轴比的理想值1 6 3 3 。图卜2 为镁合金中重要的晶面及晶 向。 a i a y e r b l a y e r a l a y e r 图1 1 镁合金的晶体结构模型示意图 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 2 物理性能 f 鼎 【 l 嘲l 】 i 2 0 j 【i 0 io 】 1 2 i i o l 。醚刭1 篙 ；痴n 器 【2 1 0 l 【l o l o l 图l - 2 镁合金中重要的晶面和晶向 i 2 i 明 纠 】 纯镁的密度为1 7 4g c m 3 ，镁合金的密度大多在1 7 5 1 9 0 咖m 3 之间，约为铝合金的 2 3 ，钢的l 4 ，是目前可工程应用最轻的金属结构材料。镁合金的强度接近铝合金，而比 强度明显高于铝合金和钢，它的比刚度与铝合金及钢相当，但远远高于工程塑料【刀，因此， 镁合金很适宜于作结构材料使用。 镁合金弹性模量低。当受外力作用时，依据弹性变形功与弹性模量成反比原理，零件 发生较大的弹性变形，吸收较大的形变功。意味着零件承受震动时能吸收较多的能量，因 而镁合金具有远大于其他合金的阻尼、吸震、减震性能。镁合金的这一特性可以减少受震 设备机壳的噪音传递、有效预防零件凹陷性损坏。所以用镁合金材料作汽车的结构件可减 轻汽车在运动中的噪音和震动。 镁及其合金的熔点低( 如纯m g 为6 5 0 ) ，由于熔点低，可以容易地获得较高的过热温 度，所以大多数镁合金的流动性比较好，充型能力优于常用的其他金属。镁的这一优点可 用于压铸薄壁件而不会出现热裂和欠铸等缺陷，制品壁厚可小于o 6i 姗，而铝合金制品的 最小厚度只能在1 2 1 5 栅范围。 镁合金的比热值低。与铝合金相比，镁合金的单位热含量低，故可在模具内能更快速 地凝固，从而有效地缩短了压铸件在型内的停留时间。所以镁合金的压铸生产率高，比铝 合金高4 0 5 0 ，最高可达铝合金压铸生产率的2 倍【引。 镁的体积收缩率大。当温度接近熔点6 4 9 时，固态镁的密度为1 6 5g c m 3 ，而液态 镁的密度为1 5 8g c i n 3 。凝固时，纯镁体积收缩4 2 ，而当固态镁从6 4 9 降到2 0 时， 体积收缩为5 。由于镁在冷却过程线收缩及凝固期间收缩大，导致铸件形成微小分散小 孔，降低韧性。 镁合金具有高的散热性。其导热能力比a b s 树脂高得多，特别适合于制作元件密集的 电子产品。镁合金具有优于铝合金的电磁屏蔽性能以及阻隔电磁波功能，所以适合于制作 发出电磁干扰的电子产品，也可以用作计算机、手机等产品的外壳，以降低电磁波对人体 辐射危害。 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表卜2 列出了纯镁的一些基本物理性能【8 1 0 表1 2 纯镁的基本物理性能 1 2 3 化学性能 纯镁具有较好的耐蚀性，但如果形成合金或者在纯镁中含有f e 、c u 、n i 杂质元素， 会明显降低耐蚀性。其中n i 的危害最大，不能超过5p p m ，而c u 的则影响小一些，其含 量可允许达到1 3 0 0p p m 。 镁合金在潮气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀，但镁合金在干燥的大 气、碳酸盐、氟化物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及润滑油( 不 含水和酸) 中却很稳定。镁与氧的化学亲和力很强，但表面生成的氧化膜不致密，液态下该 表面更为疏松，故氧化剧烈且容易燃烧。由于镁合金易氧化的性能，它在焊接时需采用氢 弧保护。 1 2 4 力学性能 铸锭经塑性变形后得到的变形镁合金，组织显著细化，铸锭中原有的疏松、气孔、微 观内部缺陷被明显消除，使产品的综合力学性能相较压铸镁合金大大提高，表1 3 和表1 4 分别列出了常见的几种压铸镁合金及a z 3 1 b 镁合金轧制板材的室温力学性能【8 1 。 表1 - 3 几种常见压铸镁合金的室温力学性能 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 表1 - 4a z 3l b 镁合金轧制板材室温下典型的力学性能 影响变形镁合金力学性能的因素很多，有化学成分、铸锭组织、塑性加工方法( 指挤压、 轧制、锻造或其他技术) 、采用的变形工艺( 如温度、变形速度、变形比等) 以及热处理工艺 左盘 可o 1 3a z 3 l b 镁合金的研究现状 1 3 1a z 3 1 b 镁合金概述 l 、a z 3 l b 镁合金典型性能 a z 3 1 b 镁合金是目前应用最广泛的变形镁合金，其主要化学成分见表卜5 ，a z 3 1 b 镁合金 可以轧制成薄板、厚板、挤压成棒材、管材、型材，加工成锻件，且性能不断提高。 表1 5a z 31 b 镁合金的主要元素质量分数 a z 3 1 b 镁合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀综合性能，而且价格较低，因此是最常 用的合金之一，a z 3 1 b 镁合金的典型室温力学性能如表卜6 【9 1 所示，a z 3 1 镁合金主要通过轧 制、挤压和锻造等变形方式加工成形，制成各类棒、杆、型材和管材。 表1 石a z 3 l b 镁合金力学性能 a z 3 1 变形镁合金同时具有良好的强度和延展性，这主要通过控制轧制、挤压或锻造以 及向室温冷却时退火或伴生退火效应保留了部分加工硬化。在镁中添加铝和锌可以产生固 溶强化和晶粒细化的效果。 铝在镁中的溶解度很大，共晶温度( 4 7 3 ) 下为1 2 7 ，温度下降时，溶解度迅速减 少，在l o o 度时仅为2 o 。因此该合金系合金可进行热处理强化，工业用镁一铝一锌系合金 的铝含量一般不超过9 ，也就是在最大的共溶范围内。但在实际铸造条件下，只要铝的含 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 量超过6 ，由于不平衡结晶过程，就会出现共晶体，强化相将呈骨骼状分布在枝晶间。 锌在镁中的溶解度很大，在共晶温度( 3 4 0 ) 下可达到6 2 ，所以，当合金中锌含 量不高时，在组织中没有发现单独的镁锌相( m g z n ) 。当锌含量增加到6 2 时，才会有针 状的镁合金化合物出现。 由镁一铝一锌三元系相图的镁角部分( 如图卜3 【l o j ) ，可知：在室温下，该系存在一个单 相区( q ) ，三个两相区( 帅，m ，呲) ，两个三相区( 叶付毛，时什芎) 。铝和锌在镁 中的溶解度随温度降低而减少，因此镁一铝一锌系合金还可以进行热处理强化，其强化相为 丫，百，号相。由于这些化合物在温度升高时迅速软化，所以镁一铝一锌系合金的高温性能较 差。 合金的组织取决于合金的化学成分所处的状态。在平衡状态下，m b 3 合金基本上是仅 单相固溶体，丫的数量很少，在实际组织中还有一些点状的( a m n ) 相。m b 2 合金的组 织基本上与m b 3 相同。 m l 0 3 l 5暑7 9 i oi l i z i x ) 图1 3m 分a l - z n a 金三元湘图富镁角 2 、a z 3 l b 镁合金板材的变形性能 密排六方晶体结构中有两种全位错，柏氏矢量分别为奶 和l 3 ( c 斗曲 ， 其中前者的全位错最易开动【】。由于晶体发生塑性变形时滑移面总是原子排列最密的面而 滑移方向总是原子排列最密的方向，因此多晶密排六方结构镁的塑性变形在低于4 9 8 k 时 仅限于基面 0 0 0 1 ) 滑移及锥面 1 0 t 2 ) 孪生( 见图1 4 ) 【1 2 1 3 1 。因此，为产 生一般的形状变形，镁晶体只有三个几何滑移系和两个独立滑移系( 铝晶体有十二个几何 滑移系及五个独立滑移系) 。即位错的滑移不能产生足够多的滑移系满足v o nm i s e s 均匀塑 6 中南大学硕- 二学位论文第一章文献综述 性变形准则【悱1 6 1 。因此镁合金的室温塑性加工能力较差，大部分镁合金都是通过铸造的方 法成形，很少采用锻压、轧制、挤压等塑性成形的方法加工。在较高温度下，由于晶体中 1 0 t1 面滑移可以出现，从而使镁在高温下的塑性增加。因此，通常通过热加工来生产变 形镁合金产品。变形产品具有更高的强度、更好的延展率和更多样化的力学性能，可以满 足更多样化的结构件的需求。 i 厝夺灶阴 协klm 斟 - 瓞 ly !ir 蝴： 工j 闲n _ 函1 r 。上j d 图1 - 4 密排六方镁晶体中( 1 互l o ) 上孪生的原子偏移情况 ( a ) ( 1 互1 0 ) 、( o 0 0 1 ) 晶面和( 1 0 i 2 ) 孪晶面； ( b ) ( 1 乏l o ) 晶面上孪生前后的原子排列情况( 箭头表示孪生方向) 目前镁合金在成形性方面的研究热点集中在超塑性变形和镁合金板材的成形性以及 冲压性能的改善方面。超塑性变形主要由晶界滑动机制所控制，同时动态再结晶也是合金 超塑性变形的一种协同机制。工业态变形镁合金的超塑性具有重要的实际意义。h w a t a l l a b e 等研究了高温下工业态a z 3 1 镁合金的超塑性，研究结果表明，晶粒为1 3 0um 的工业态 a z 3 1 镁合金，在3 7 5 和3 l o 。5 s 1 时可获得高达1 9 6 的延伸犁1 7 1 。工业态a z 3 l 镁合金 在温度6 2 3 7 2 3 k 和应变速率1 0 5 l o - 3 s 1 范围内出现良好的超塑性，其最高断裂延伸率达 到3 1 4 【嘲。s h u l l e i 等【1 9 1 研究表明，提高温度可以提高a z 3 l 合金板材的冲压( 拉深) 能力， 2 0 0 时冲压( 拉深) 能力已经较好，最大拉深比可达3 0 ，拉伸延伸率从室温的l o 提高到 了8 0 9 0 。d o e g e 等1 2 0 】的研究表明，a z 3 1 b 合金板材在5 0 即可以实现一定程度的冲 压成形，而在同样条件下a z 6 l 合金板材冲压断裂。 1 3 2a z 3 1 b 变形镁合金的应用 a z 3 l b 镁合金有许多独特的优点，已经广泛应用于航空航天、汽车、3 c 、体育器材等 领域，这些镁合金部件降低了产品的重量，节省了能源，提高了使用性能和可回收性。目 前a z 3 1 b 变形镁合金主要用途见表1 7 。 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表l - 7a z 3 l b 镁合金的主要用途【2 l 】 1 4 铸轧过程的数值模拟 1 4 1 数值模拟法 数值模拟是基于计算力学、传热学、反应工程学的原理，建立联立与质量、动量、能 量等物理量有关的偏微分方程组，用数值方法求解，经过数学分析，给出整个流场中各变 量的时空分布，进而分析材料加工过程的速率和效果。它具有计算速度快、成本低的优点。 因此，这样的数学模拟方法成为工程装置优化、仿真设计和实现过程最佳控制的有力工具。 从模拟的方法上来讲，主要分为两大类，一类是利用商业软件，如用于计算流体力学 c f d 的a n s y s 、p h o e n i c s 、c f x 、s 1 ：f 懈c d 、f i d a 等，对流场直接进行计算；另一类 是针对所研究问题的特点而自行编制程序进行计算。 对应用第一类方法进行数值模拟的步骤为： 进行物理近似作一些相应的假设，选择数学表达式，建立研究对象的数学模型； 8 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 建立商业软件下的几何模型，定义初始条件和边界条件和划分网格； 进行计算： 计算结果的处理、分析。 其中数模的建立是核心，初始条件和边界条件的确定是关键，物性参数的获得是保证。 自从1 9 7 3 年l e e 和k o b a y a s h i 首次提出刚塑性有限元以来，极大地推动了有限元数值模 拟技术在金属塑性变形过程中的应用【2 2 】。k o b a y a s l l i 与他的合作者先后成功地利用刚塑性、 刚粘塑性有限元分析了锻造、挤压、轧制等体积成形问题和拉伸、弯曲、冲空、锁口等板 料成形问题。1 9 7 2 年z i e l l l ( i e 、i c z 提出了刚粘塑性材料的有限元公式并导出了刚粘塑性有限 元中的罚函数法，同时与他的合作者分析了拉拔、轧制、挤压等工艺过程，而且对稳态流 动的热力耦合计算提出了耦合方法和解。在此基础上，a l t a l l 和w u 等人在b e r k e l e y 实验室开 发了大型的通用化数值模拟软件a l p i d ( a n a j y s i so f l a f g ep l a s t i ci l l c r e m e l l 协ld e f o m a t i o n ) 。 m o r i 和o s a k a d a 提出了刚塑性有限元的材料可压缩方法，并成功地对各类轧制和挤压等工艺 以及疏松材料、粉末成形工艺进行模拟。h 训e y 和s t u i g e s s 对塑性有限元中的摩擦问题进行 了研究，并分析了挤压、轧制等成形问题。2 0 世纪8 0 年代中期，一些学者开始对三维问题 的刚塑性、刚粘塑性有限元进行了研究，并取得很大的进展。 在国内，自2 0 世纪8 0 年代初开始，不少学者也对刚塑性、刚粘塑性有限元模拟塑性成 形问题作了大量的研究工作，并对锻造、轧制、挤压、粉末成形等工艺过程进行了数值模 拟，对成形过程的缺陷预测技术进行了研究。 目前，金属塑性成形有限元模拟技术也日渐完善，出现了不少商品化的金属体积成形 有限元仿真软件，其中最具代表性的有：( 1 ) 美国s f t c 公司的d e f o r m2 d 、d e f o i 乇m3 d ： ( 2 ) 美国m s c 公司的m s c ，m a r c 、m s c a u t o f o r g e ；( 3 ) 法国的f o r g e2 、f o r g e3 d 等。 这些商品化软件在全世界的金属塑性加工行业得到了较为广泛的应用，为行业企业带来了 可观的经济效益。 1 4 2 双辊铸轧数值模拟研究概况 铸轧过程的传热、流动现象是极其复杂的，液态金属在流动的过程中发生凝固，在熔 池内同时存在三种不同的区域( 固态区，液态区和液固两相区) ；且铸辊的接触边界随它的转 动而不断发生变化。工艺参数对板带质量影响最大。如熔池入口的浇注温度、铸辊转速、 熔池深度等工艺参数是否处于最佳范围，是铸轧过程稳定性和薄带质量改善的决定性因素 之一。单纯靠试验在经济成本、试验方案、重复性等方面都存在诸多问题1 2 3 彩】。 科研工作者在双辊铸轧的数值模拟方面，做了许多工作，主要集中在流场、温度场、 应力场及其耦合方面。 周英等【2 睨7 】采用通用有限元计算软件a n s y s 的f l o t r a n 模块对型腔流场进行模拟 计算，定量讨论了流场有限元计算的出口速度的绝对误差、相对误差，及其与出板速度、 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 出口开口度大小等因素的关系。总结了流场有限元计算的许用不均匀度，即稳定生产所要 求的流场波动限度的标准的取值范围及其适用条件。 邓圭玲等【2 8 】针对在常规铸轧条件下结构型式完全不同的2 种铸嘴，根据实际工况，分 别应用层流模型和低雷诺数的k - 湍流模型，用商业软件c f x “e r s i o n 4 2 ) 对铝液在其内 部的流动进行了三维数值仿真。 熊勇刚【2 9 j 等针对快速超薄铸轧的材料、几何和摩擦等多重非线性，将铸轧辊与板坯之 间的力学行为视为热弹塑性接触问题，应用无网格有限元祸合方法建立计算模型，较好地 解决了板坯变形剧烈而使得有限元网格发生畸变的问题，对轧制过程中轧制压力分布进行 了分析，并得到了其分布规律。 张素颖掣3 0 】用交替方向隐式插分法通过v b 语言计算了薄带坯的动态温度场，进而模 拟了薄带坯的凝固传热过程。 湛利华等【3 l 】健立了快速铸轧过程这类具有质量输运现象的金属凝固传热有限元数学 模型，考虑了影响辊套与带坯传热的界面接触热导问题，采用大型通用有限元分析软件 a n s y s 对快速铸轧过程中的辊套与铸坯耦合温度场进行了仿真分析，并就不同工艺参数 ( 铸轧区长度、接触界面换热系数、浇注温度、铸坏厚度以及铸轧速度等) 对铸坯温度分布 及其相变区间的影响进行了系列研究。 胡忠举掣3 2 】根据铸轧辊套温度场的特点，运用g 甜e r k j n 方法，得到了铸轧辊套温度场 的近似分析解；对铸轧辊套的热应力场进行了数学描述，并应用础d r 应力函数法，获得了 铸轧辊套热应力解析模型 李春福掣3 3 j 对连铸方坯带液芯轧制的工艺进行了计算机模拟实验的分析，指出了方坯 带液芯轧制时的变形特点、应力、应变的变化趋势，以及液芯率的大小对轧制能耗和应力、 应变及变形规律的影响。在有液芯存在时，轧件的上下表面向内凹陷，侧面易于形成单鼓 变形，并且随液芯率的增大而增大；同时由于静不定的作用引起轧件角部的旋转。加上变形 的作用，将导致边部应力大大增加，其表现出来的变化是先减小而后增大的趋势。 唐朝阳等j 应用大型通用有限元分析软件a n s y s 为平台，并对软件进行了二次开发， 在弹塑性有限变形理论基础上，对快速铸轧塑性变形仿真建模进行了研究。计算域包括固 态与液态，但为了避免计算域不同状态单元刚度相差悬殊造成计算收敛困难甚至刚度矩阵 奇异，对液态铝力学特性进行约定，即弹性模量( e ) 取不等于零的小量，泊松比( 1 1 ) 接近0 5 ， 并依据使液态体积模量( e ( 1 2i i ) ) 与常温体积模量尽量接近的方法，使液态的应力状态与 静水压相近。根据塑性变形原理，静水压力对塑性变形不产生影响，从而把液体部分从塑 变模型里分辨出去。 宁忠良等1 3 5 】采用有限元法，用a n s y s 软件计算并描述了水平式双辊铸轧铝薄带熔池 内液态金属流动与传热的n s 动量方程、能量方程及k 湍流双方程等。分析了不同入口 温度对凝固终点位置的影响，以及根据计算出的热流密度推出了铸辊与熔池间的传热规 l o 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 律。此模拟结果可以为控制铸轧过程的稳定提供有效的数据。 杜艳平等【3 6 】建立了双辊式薄带钢铸轧过程的三维流场与温度场祸合数学模型，研究了 工艺参数对铸轧过程的影响。结果表明：较低的过热度可以在薄带的整个厚度方向上得到较 为均匀的组织，但是过热度太低则易使金属冷凝在浇注系统中，不利于夹杂物上浮；铸轧速 度在v v c 的一定范围内可使凝固终点正好在辊缝吻合点以上2 8 咖范围内。 在半固态铸轧技术的数值模拟方面，董洪波【3 7 1 康永林1 3 8 ，3 9 1 宋仁伯【4 0 1 进行了有益的探 索，他们采用多孔材料的几何模型，对半固态材料做出如下假设【4 l j ：由于半固态材料是 由固相和液相组成的，假设固相在液相中均匀分布，并将半固态材料的组成视为与多孔材 料等价；假设半固态材料为可压缩的连续体；假设半固态材料成型过程中，忽略材料 的弹性变形。 1 5 铸轧过程概述 1 5 1 镁合金铸轧原理和优势 图1 5 为金属的铸轧示意图。当金属浆料从供料嘴流出和内部通冷却水的一对旋转的 铸轧辊接触时，表面立即冷却形成薄壳。随着半固态金属浆料的热量不断被铸轧辊导出， 其中的液体金属继续结晶。随着铸轧辊的不断转动，在铸轧的前阶段，表面凝固( 带有液芯) 的镁合金在铸轧区内被冷却凝固的同时被变形；在铸轧的后阶段，金属完全凝固，轧件的 变形完全与普通轧制变形相同。 连续铸造方法有多种，其中双辊式连续铸轧与其他连续铸锭方法的根本区别是其结晶 器是两个带冷却系统的旋转铸轧辊，液态金属要在两个轧辊辊缝间完成凝固和热轧两个过 程，且在很短的区域( 铸轧区) 和很短的时间内( 2 3s ) 完成。连续铸轧不同于连铸连轧，连 铸连轧是液态金属在铸造机结晶器凝固后，再在后续的轧机上完成变形；而连续铸轧的凝 固和热轧是在同一辊缝同时进行的。两个过程虽然也有时间先后，但是由于时间很短，过 渡很快，因此中间的凝固、变形过程变得很复杂【4 1 1 。 措 图1 5 金属铸轧示意图 双辊式铸轧有下注式、倾斜式、和水平式三种。传统生产变形镁合金的方法是热轧 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 和挤压，但由于镁合金室温塑性差，传统的轧制必须在较高温度下进行，而且轧制工序很 长，由于镁合金的导热性能很好，所以在轧制过程中至少得进行2 3 次中间加热，导致 生产周期过长，成本太高，价格昂贵，与其他金属结构材料相比特别是铝合金板材相比没 有太多竞争优势。挤压是一种近终成型方法，与热轧相比具有节省时间和能量的优势，而 且挤压的样品可以获得理想的应力应变状态，但是挤压的板材宽度不足以满足工业的需 要。连续铸轧有以下特点：液态金属一次加工成近终型的板材，生产流程短；省去以前的 开坯工序，因而也不用铣面、加热等工序，因此采用铸轧方法生产薄金属板带与传统方式 相比，可降低工程投资8 0 ，降低生产成本2 0 3 0 。冷却速度可达到l o o l 0 0 0 呵1 ， 而传统的铸造只有2 3 s ，因此铸轧板材枝晶间距仅5 1 0um ，溶质元素在固溶体 中的过饱和程度大大提高，使得铸轧板材的抗拉强度和屈服强度提高1 0 2 0 ；连续铸轧 过程的紧密配合减少了金属的缩孔、疏松及偏析。 1 5 2 镁合金铸轧的研究进展 2 0 0 0 年以来，澳大利亚c s i r o 联邦科学与工业研究组织工业技术研究院就致力于镁 合金板带铸轧技术的研究。目前c s i r o 已经建立了一个工业规模的试验工厂，用镁合金板 带连铸机生产出低能耗、高质量的镁合金薄板带材，这台设备可以生产出6 0 0l 彻1 宽的符 合商业质量标准的镁薄板带。目前己商业化批量铸轧出了常规镁合金( a z 3 1 、a z 6 1 、a m 6 0 、 a z 9 1 ) 与一批新镁合金带卷，厚度为2 3 5 咖，并用c s i r o 开发的特殊工艺顺利地轧成 0 5 o 6m m 的薄板带【4 2 l 。 日本国立小山工业高等专门学校的h w a t a r j 等人正在研究半固态镁合金双辊铸轧技 术，并取得了一定的进展，通过大量的试验研究得出一些参数之间的相互关系。发现了铸 轧出的镁板带具有很强的塑性加工能力，为此项技术的后续研究奠定了基础。h w a 协r i 等 利用半固态双辊连续铸造带坯工艺研究了变形镁合金a z 3 l 、a z 9 l 、a m 6 0 的带坯工艺技 术参数和组织性能，合金的温度为5 9 5 6 4 0 、铸轧速度1 0m m i i l 3 0m 在m n ，带坯 厚度为2 5 l t 皿4 o 锄，晶粒尺寸1 0um 1 5 um 【4 引。 此外，英国曼彻斯特大学科学技术学院的k d 了、v e y 在半固态技术研究方面也取 得了一些成绩。德国也有报道称可以直接从粗镁得到合格的镁板材【州5 1 。 目前国内很多研究机构对连续铸轧过程进行深入的研究，包括熔体区流动规律以及传 热特性、熔体电磁搅拌技术、熔体的净化及细化处理、冷却及凝固控制、铸轧区的金属流 变行为等，主要通过有限元和计算机辅助等手段进行研究，理论的不断完善对生产起到有 力的支持【4 引。 陈绪宏等【4 9 】采用立式双辊铸机进行a z 3 l b 镁合金薄带连铸的实验研究。研究结果表 明，浇铸温度在6 5 5 6 6 5 ( 高于液相线2 0 3 0 ) ，辊速为1 3r 恤i n 1 1 5m i n 一， 预留辊缝为0 9m m 时，以2 0 0 s 1 3 0 0 s 。1 的冷却速度，可以得到边部整齐，表 1 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 面质量较好的镁合金薄带，铸带的晶粒组织细小，为5i im l oum 。 南昌大学张莹等【4 1 】应用电磁搅拌和双辊铸轧技术成功得到镁合金铸轧薄板，并得出最 佳的电磁搅拌工艺参数为：剪切速率为9 0 0r m i n 1 ，静置时间为l 5i i l i n ，浇铸温度5 6 5 ， 在3 8 0 进行后续轧制，压下率达4 8 。 东北大学李铮等人【5 0 5 1 】在实验室使用双辊式连续铸轧出性能优良的镁合金板材，并对 其进行后续的轧制，在2 4 0 3 0 0 进行热轧，最大压下率达到了5 0 ，得到了宽2 5 0n l l l l ， 厚l 3m m 的板材。 洛阳铜加工厂是国内首先能进行镁合金薄板量产的厂家。2 0 0 5 年，公司成功开发出连 续铸轧镁合金板材技术，其客户主要是美国的波音公司，其产品几乎覆盖所有类型。 山西省银光镁业集团和福建华镁合作，于2 0 0 6 年成功生产宽6 0 0n 姗、厚度最小达3 i i l i i l 的板材，并准备继续投资扩大生产规模，提高产品种类，银光公司己经在镁行业有很 大的影响。 1 5 3 镁合金铸轧研究存在的问题 虽然在镁合金单辊薄带和双辊薄带的制备方面展开了大量的研究，并取得了一些的成 功。但它们面临着共同的挑战：浇铸过程中的安全与防护问题；镁合金的凝固较快，导致 凝固不均匀，易形成偏析和裂纹；浇铸速度慢，成本较高；薄带品质较差、成品率低，这 已经严重阻碍了镁合金薄带的产业化进程。 薄带品质较差。镁合金薄带表面裂纹特别是横向裂纹多；薄带边部不平整，厚度不 均匀，目前在5 1 5 之间波动；薄带宽度较小，虽然目前已能生产出1 0 0 0 1 3 0 0 m m 宽 的薄带，但如果想与热轧带材相抗衡，薄带的宽度至少应达到2 0 0 0 i l u l l 以上。 浇注速度慢。虽然钢带、铝合金薄带和镁合金薄带都是从合金液直接获得薄带坯， 但在浇注方式、工艺特性，特别是浇注速度存在明显的差异。与双辊铸造钢带和铝合金带 相比，镁合金薄带的浇注速度明显偏低。由于薄带在刚离开结晶辊时的强度对浇注过程的 顺利进行起着决定性的作用。若连铸过程中的拉带应力、铸轧机轧制力和带坯内应力( 包括 热应力) 大于带坯的强度，则凝固壳很容易产生裂纹，造成漏液，从而导致断带或形成表面 裂纹，这是浇注速度不能提高的非常重要的原因。 浇注工艺不稳定。镁合金双辊薄带连铸包含凝固和铸轧两个过程。在整个浇注过程 中，由于镁合金极易与空气接触而发生燃烧，因此，一套合理有效的保护装置必不可少， 目前使用的都是以s f 6 气体为主的混合保护气体，价格非常昂贵；另外，任何一项工艺参 数的微小变化均会引起铸轧过程的失稳，导致铸带质量缺陷或铸轧过程的终断。 布流装置和铸辊材料、结构不理想。布流的主要目的是使镁合金熔体均匀地分布在 铸辊整个宽度内形成一定高度和稳定的熔池，熔池内传质流应具有最小的温度和速度梯 度。布流方式直接影响熔体在熔池内的流动与传热。但目前的布流装置对熔池内的流场和 1 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 温度场均匀没有实质性的效用。铸辊材料要求有良好的导热性、较高的机械性