（机械工程专业论文）az31b镁合金铸轧热流组织有限元模拟及超声铸轧实验研究.pdf

原创性声明 j i ，i i if l l l l y 1 7 18 8 。矬 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 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。与我共同工作的 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：盔鱼堑 日期： 丝年互月丘日 学位论文版权使用授权书 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 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；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。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：盔盛 导师签名垒叁! 迪日期：址年月日 4 中南大学硕l ：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 且轧制工序长，成品率低，成本高。本论文建立了a z 3 1 b 镁合金铸轧凝 固过程有限元模型，对铸轧过程中的热一流一组织耦合问题进行了有限元模 拟，同时通过实验确定了合适的a z 3 1 b 镁合金超声铸轧工艺条件，并利 用l e i c a l 5 0 0 m 金相显微镜、室温拉伸等实验手段详细研究了铸轧板材的 微观组织及力学性能，主要工作如下： 1 、应用熔池内镁液传热、流动、微观组织的形核与生长的有限元模 拟理论，建立了凝固过程三维热一流一组织的有限元模型，确定了热流一组 织模拟的边界条件。 2 、基于有限元模拟软件p r o c a s t 对a z 3 1 b 镁合金铸轧凝固过程 进行热一流一组织有限元模拟分析，得出了温度场、液穴、微观组织变 化规律，重点研究了a z 31 b 镁合金凝固组织的形核与生长规律，系统地 分析了不同工艺参数对a z 3 1 b 镁合金凝固组织的影响规律，定量阐明了 铸轧过程的主要工艺参数( 浇铸温度、铸轧速度、超声功率) 对a z 3 l b 镁合金铸轧薄带凝固组织晶粒尺寸、树枝晶区比例及晶粒取向度的影响， 为工艺优化和实现对薄带质量的最佳控制提供了理论依据和指导。 3 、在有限元模拟的基础上，进行了a z 3 1 b 镁合金超声铸轧实验研 究，对带坯进行组织观察和力学性能测试，分析了超声能场对a z 3 l b 镁 合金铸轧带坯组织、性能的影响，结果表明超声铸轧带坯较普通铸轧带 坯晶粒细小、均匀，力学性能显著提高，2 4 0 w 超声铸轧带坯较普通铸轧 带坯的轧制方向、4 5 。方向以及横向的抗拉强度分别提高了2 1 5 、2 5 8 和2 6 7 ；屈服强度分别提高了2 7 6 、3 1 8 、3 2 8 ；延伸率分别提 高了7 9 3 、7 7 8 、6 6 7 。 关键词a z 3 1 b 镁合金，铸轧，有限元模拟，凝固组织，超声波 d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r d e g r e eo fc s u a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u m a ll o ys h e e t sh a v ev e r ye x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sa tt h e a e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e ，3 ca n do t h e rf i e l d s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ep o o r f o r m a b i l i t ya tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h et r a d i t i o n a lr o l l i n gm u s tb ec a r r i e do u ta t h i g h e rt e m p e r a t u r e ，a n dt h er o l l i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l e x ，r e s u l ti nt h ec o s t i s u n a c c e p t a b l e s i m u l a t et e m p e r a t u r e f l o w m i c r o s t r u c t u r ec o u p l i n gp r o b l e md u r i n gt w i nr o l l c a s t i n g t h er o l l c a s t i n gp r o c e s sc o n d i t i o n so fm a g n e s i u ma z 31bs h e e t sw e r ei d e n t i f i e db ye x p e f i m e n t a la n df e m t r a n s m i s s i o n o p t i c a lm i c r o s c o p y ( 0 m ) a n dr o o mt e m p e r a t u r et e n s i l et e s t s ，e t a l e x p e r - i m e n t a lm e t h o d sw e r ee m p l o y e dt o i n v e s t i g a t e t h em i c r o s t r u c t u r e ，a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h es h e e t s t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa lea sf o l l o w s ： ( 1 ) b u i l tt e m p e r a t u r e f l o w m i c r o s t m c t u r ec o u p l i n gm o d e la n dd e t e r - m i n e dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rf e ms i m u l a t i o na p p l y i n gt h et e m p e r a t u r e f i e l d ，f l o wf i e l da n dm i c r o s t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n tt h e o r yi nt h es o l i d i f i c a t i o n o ft w i nr o l l c a s t i n g ( 2 ) u s i n gt h ef e m s o f t w a r ep r o c a s tt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d ， f l o wf i e l d ，a n dm i c r o s t r u c t u r ei nt h es o l i d i f i c a t i o no ft w i nr o l l - c a s t i n gw i t ht h e a z 31bm a g n e s i u ma l l o y ，o b t a i n e dt h el a wo ft h et e m p e r a t u r ef i e l d ， s o l i d i f i c a t i o na n dm i c r o s t r u c t u r e c h a n g e s s t u d i e d t h el a wo fa z 31b m a g n e s i u ms o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eg a i n sp r o d u c ea n dg r o w , a n a l y z e d t h ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ee f f e c t so ft h ep o u t i n gt e m p e r a t u r e ，c a s t i n gv e l o c i t ya n du l t r a s o n i cp o w e ro ng r a i n ss i z e ，t h ep r o p o r t i o no f c o l u m n a rc r y s t a lz o n ea n dt h ed e f l e c t i o n a n g l ew e r e f i r s tq u a n t i t a t i v e l y c l a r i f i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rb o t h t h e o p t i m i z a t i o n o ft h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r s a n dt h ec o n t r o lo ft h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n ds t r i pq u a l i t y ( 3 ) b a s e do nt h er e s u l t so ff e ma n a l y s i s ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h ee f f e c to f t h ep a r a m e t e r so nt h es o l i d i f i c a t i o no ft h em a g n e s i u ma l l o ys t r i p ，w h i c h p r o d u c e db yt w i n r o l lc a s t i n g ，b yc h a n g i n ge x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s t h e u l t r a s o n i cw a si n t r o d u c e di n t ot h es o l i d i f i c a t i o no ft h ea z 3lm a g n e s i u ma l l o y i n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h es h e e t s m i c r o s t r u c t u r eo ft h e s es h e e t so fv i s i b l es e m i s o l i ds t r u c t u r ew a ss m a l l e r a n dm o r eu n i f o r m a n a l y z e dt h ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so fd i f f e r e n tu l t r a s o n i c p o w e r r e s u l t ss h o wt h a tt w i n - r o l lc a s t i n gb i l l e ta f f e c t e db yt h e u l t r a s o n i c w i t ham u c hf i n eg r a i ns i z ea n dm o r eu n i f o r m ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d c o m p a r e dw i t hg e n e r a lt w i n r o l lc a s t i n gb i l l e t ， t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f2 4 0 wu l t r a s o n i ct w i n r o l lc a s t i n gb i l l e t o i l r o l l i n gd i r e c t i o n ，4 5 0 d i r e c t i o na n dt h e t r a n s v e r s ew a ss i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d t h et e n s i l es t r e n g t hh a si n c r e a s e db y 21 5 ，2 5 8 a n d2 6 7 ；t h e y i e l ds t r e n g t hh a si n c r e a s e db y2 7 6 ，31 8 ，3 2 8 ；t h ee l o n g a t i o nh a s i n c r e a s e db y7 9 3 ，7 7 8 ，6 6 7 k e yw o r d sa z 3 1bm a g n e s i u ma l l o y ，t w i nr o l l - c a s t i n g ， f e m s i m u l m i o n ，s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r e ，u l t r a s o n i c 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章文献综述1 1 1 引言l 1 2 镁及镁合金的结构与性能特征1 1 2 1 晶体特性l 1 2 2 物理性能2 1 2 3 化学性能3 1 2 4 力学性能3 1 3 铸轧过程的数值模拟4 1 3 1 双辊铸轧数值模拟研究概况4 1 3 2 铸件凝固组织模拟的研究现状5 1 4 镁合金铸轧过程概述6 1 4 1 镁合金铸轧原理和优势6 1 4 2 镁合金铸轧的研究进展7 1 4 3 镁合金铸轧研究存在的问题8 1 5 课题研究背景和意义8 1 6 论文主要工作9 第二章铸轧模拟有限元理论1 1 2 1 铸轧过程物理模型及影响热流组织场的因素1 1 2 2 铸轧凝固过程有限元基本理论1 2 2 2 1 热传导问题的数学描述1 2 2 2 2 流动过程的数学描述1 4 2 2 3 凝固组织形核与生长的数学模型1 5 2 3p r o c a s t 中c a f e 模块的基本原理17 2 3 1 元胞自动老j l ( c e l l u l a r a u t o m a t a ) 法1 7 2 3 2 耦合计算流程18 2 4 本章小结19 第三章a z 31b 镁合金铸轧凝固过程有限元模拟2 0 3 1 铸轧过程有限元模型的建立。2 0 3 1 1 几何模型的简化2 0 3 1 2 网格划分2 1 3 2 几个关键问题的处理2 l 3 3 有限元模拟的基本假设2 4 3 4a z 3i b 镁合金物性参数的建立及边界条件的确立。2 5 3 4 1 材料参数的确定2 5 3 4 2 模拟过程参数设置2 6 3 5a z 31b 镁合金铸轧三维热一流一组织有限元模拟结果。2 8 3 5 1 铸轧过程熔体温度、液穴的变化规律2 8 3 5 2 铸轧凝固组织形核与生长分布规律3 0 3 6 本章小结3 3 第四章工艺参数对a z 3 1 b 镁合金铸轧凝固组织影响3 4 的仿真研究3 4 4 1 铸轧速度对铸轧凝固组织影响的仿真研究一3 4 4 1 1 铸轧速度对组织分布及晶粒尺寸的影响3 4 4 1 2 铸轧速度对树枝晶区比例的影响一3 7 4 1 3 铸轧速度对晶粒取向度的影响3 7 4 2 浇注温度对铸轧凝固组织影响的仿真研究3 9 4 2 1 浇注温度对组织分布及晶粒尺寸的影响3 9 4 2 2 浇注温度对树枝晶区比例的影响4 2 4 2 3 浇注温度对晶粒取向度的影响4 3 4 3 超声功率对铸轧凝固组织影响的仿真研究4 4 4 3 1 超声功率对组织分布及晶粒尺寸的影响4 5 4 3 2 超声功率对树枝晶区比例的影响4 8 4 3 3 超声功率对晶粒取向度的影响4 9 4 4 本章小结5 l 第五章a z 3 1 b 镁合金超声铸轧实验研究5 2 5 1 实验材料及方法5 2 5 1 1 实验方案5 2 5 1 2 实验材料5 2 5 1 - 3 铸轧实验5 3 5 1 4 热轧实验5 4 5 1 5 金相组织观察5 4 5 1 6 室温拉伸力学性能测试5 4 5 1 7 硬度测试。5 5 5 2a z 3 1 b 镁合金铸轧带坯的组织5 5 5 2 1 超声能场对铸轧镁带坯组织的影响5 5 5 2 2 超声功率对铸轧镁带坯组织的影响。5 7 5 2 3 铸轧速度对铸轧镁带坯组织的影响5 8 5 2 4 浇注温度对铸轧镁带坯组织的影响6 0 5 3 超声铸轧镁带坯的力学性能检测结果及分析6 l 5 3 1 铸轧带坯的力学性能6 1 5 3 2 铸轧带坯均匀化退火后的力学性能6 3 5 3 3 铸轧带坯热轧板材的力学性能6 4 5 4 本章小结6 5 第六章全文总结与展望6 6 6 1 主要研究工作及结论6 6 6 2 研究中存在的问题及展望6 7 参考文献6 8 致谢7 2 硕士期间发表的论文7 3 中南人学硕上学位论文 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，室温下纯镁的密度仅为1 7 4 g c m 3 ，大多数镁合金的密度也均在1 7 5 - - 1 9 0g e m 3 之间；镁合金具有储量丰富、比 强度和比刚度高、导热性好、机加工性能优良、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果佳和易 回收等优点【1 。2 】。但是，由于受材料制备技术、加工技术、抗腐蚀性能以及价格等因 素的制约，在过去几十年中镁合金尤其是变形镁合金的应用一直远远落后于钢铁和铝 合金。近年来，对汽车轻量化和环保要求的不断提高，能源的日趋紧张，这激发了研 究人员对镁及镁合金的极大兴趣。 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1 3 刮。前者主 要通过铸造的生产方式获得镁合金产品。传统的铸造工艺已经较为成熟，近年来，铸 造领域中一些新的生产工艺和技术被用来开发新型镁合金材料，如半固态成型技术、 压力铸造技术以及最新的t h i x o m o l d i n g 专利技术，并取得了很大的发展和应用。变 形镁合金材料与铸造镁合金相比更具有发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样 的棒、管、板、型材及锻件产品，并且可以通过对材料的组织结构的控制，以及热处 理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的强度、更好的塑性、更多样化的力学性 能，从而满足更加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 形镁合金生产制备新工艺，从而生产出高质量的变形镁合金产品具有重大的现实意 义，这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。 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，纯镁的晶体结构示意图如图 卜1 所示，原子以( 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 n m ， e = o 5 2 1 0 n m ，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 。镁合金 中重要的晶面及晶向如图卜2 所示。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 bl 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 0c 1 2 2 物理性能 n - l oj l 2 1 0 1 【l o o o q j 2 0 li i o , o 1 2 1 1 0 。谜裂1 篙 ；面浮鹩铝 1 2 1 i o j l o i o i 图1 2 镁合金中重要的晶面和晶向 o o o q 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 0g c m 3 之间，约为铝 合金的2 3 ，钛的2 5 ，钢的1 4 ，因此，镁合金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，但远远高于工程塑州7 。，这充分说明镁合会很适宜于作结构材料使用。 镁合金弹性模量低，因而在承受震动时能吸收较多的能量，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以及 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。 镁及镁合金的熔点低( 如纯m g 为6 5 0 ) ，因而可以容易地获得较高的过热温度， 这导致大多数镁合金的流动性比较好，充型能力较其他的常用金属好。镁的这一优点 可用于镁合金压铸薄壁件而不易出现热裂和欠铸等缺陷，制品壁厚可小于0 6 m m ，而 铝合金制品的最小厚度只能在1 2 1 5 m m 范围。 镁合金的比热值低。与铝合会相比，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问。所以镁合金的压铸生产率 高，比铝合会高4 0 - 5 0 ，最高可达铝合会压铸生产率的2 倍l 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 m 3 。凝固时，纯镁体积收缩4 2 ，而当固态镁从6 4 9 c 降到 2 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 2 0 4 c 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。 表1 - 1 列出了纯镁的一些基本物理性锹引。 表1 - 1 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，但镁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5 p p m ，而c u 的影响则小一些，其 含量可允许达到l3 0 0 p p m 。 镁合金在潮气、淡水、海水及绝大多数盐、酸溶液中易受腐蚀，但镁合金在干燥 的大气、氟化物、碳酸盐、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、煤油、汽油及润 滑油( 不含水和酸) 中却很稳定。镁与氧的化学亲和力很强，易氧化，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。因此，它在焊接、 熔炼及各种加工时需采用氩气保护。 1 2 4 力学性能 铸锭经塑性变形后得到的变形镁合金晶粒组织显著细化，铸锭中原有的疏松、热 裂纹、气孔、微观内部缺陷被明显消除，使得产品的综合力学性能相较压铸镁合金大 大提高，表1 2 和表1 3 分别列出了常见的几种压铸镁合会及a z 3 l 镁合会轧制板材 的室温力学性能隋i 。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 袁l - 2 几种常见压铸镁合金的室温力学性能 表1 - 3a z 31 镁合金轧制板材室温下典型的力学性能 1 3 铸轧过程的数值模拟 1 3 1 双辊铸轧数值模拟研究概况 铸轧过程中传热、流动极为复杂，液态金属在流动的过程中发生凝固，在熔池内 同时存在固态区、液态区和液固两相区三种不同的区域；且铸轧辊与熔体的接触边界 随轧辊的转动而不断发生变化。这增大了探索工艺参数对板带质量影响规律和凝固机 理难度。如熔池入口的浇注温度、铸轧辊转速、熔池深度、铸轧辊换热系数等工艺参 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，但单纯 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【钆】。 很多科研工作者在双辊铸轧的数值模拟方面开展了许多研究工作，主要集中在温 度场、流场、应力场及其耦合方面。 邓圭玲等【l2 】针对两种结构型式完全不同的铸嘴，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，利用商业软件c f x ( v e r s i o n 4 2 ) 对铝液在此两种铸嘴 内部的流动进行了三维数值仿真。 周英等 1 3 - 1 4 1 采用商用有限元软件a n s y s 对型腔流场进行了模拟计算，定量分析 了流场有限元计算的出口速度的绝对误差、相对误差，以及与出板速度、出口开口度 大小等因素的关系。并总结了流场有限元计算的许用不均匀度，即在稳定生产时所要 求的流场波动限度的标准的取值范围及其适用条件。 熊勇刚l 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，应用无网格有限元耦合方法建立计算模 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 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。 张素颖等【1 6 】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。 胡忠举等根据铸轧辊套温度场的特点，运用g a l e r k i 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a i r y 应力函数 法，获得了铸轧辊套热应力解析模型。 湛利华等【体。1 9 】建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，考虑了影响铸轧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铸轧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( 接触界面换热系数、浇注温度、铸轧区长度、铸坯厚度以及 铸轧速度等) 对铸坯的温度分布及其相变区间的影响进行了系列研究。 唐朝阳等【2 蛇1 以大型商用有限元软件a n s y s 为分析平台，结合二次开发，基于 弹塑性有限变形理论，对快速铸轧塑性变形的仿真建模进行了研究。其计算域包括了 固态与液态，但为了避免因计算域不同造成状态单元刚度相差悬殊带来计算收敛困难 甚至刚度矩阵奇异的情况，其对液态铝力学特性进行了约定：泊松比( 1 1 ) 接近o 5 ， 弹性模量( e ) 取不等于零的小量，并采用使液态体积模量( e ( 1 2l a ) ) 与常温体积模量尽 量接近的方法，达到液态的应力状态与静水压力相近的目的。 宁忠良等1 2 2 l 采用有限元法，采用a n s y s 软件计算并建立了水平式双辊铸轧铝薄 带熔池内液态金属流动与传热的k 湍流双方程、能量方程及n s 动量方程等。对 不同入口温度对凝固终点位置的影响进行了分析，并通过计算出的热流密度得出了铸 辊与熔池间的传热规律。该模拟结果可为控制铸轧过程的稳定性提供有效的数据。 杜艳平等【2 3 j 建立了双辊式薄带钢铸轧过程的三维流场与温度场的耦合数学模型， 研究了铸轧工艺参数对铸轧过程的影响。结果显示：较低的过热度可以使薄带在厚度 方向上得到比较均匀的组织，但是过热度太低则容易使金属冷凝在浇注系统中，对夹 杂物上浮不利。 1 3 2 铸件凝固组织模拟的研究现状 凝固组织的计算机仿真就是把数值模拟中的确定性模型与使用概率方法建立的 概率性模型相结合，结合一定的合理算法和计算机处理技术，实现通过计算机屏幕动 态显示凝固组织形成。这项技术兴起于上世纪九十年代初，到现在已取得了一些进展， 其中尤其以以下研究者在该方面展丌的的工作比较有代表性： b r o w t h 和s p i t t l e l 2 4 - 2 5 j 依据晶粒最小自出能为基础，采用m c ( m o n t e c a r l o ) 方法 对品粒组织进行了模拟，定性的预计了过热度、合会成份、型温、平衡分配系数等对 中南大学硕上学位论文 第一章文献综述 晶粒组织形成的影响，并动态的实现了在计算机屏幕上显示晶粒组织的形成过程。 r a p p a z 等1 2 o 】基于数值模拟分别建立了一维、二维、三维c a f e ( c e l l u l a r a u t o m a t i o n 。f i n i t ee l e m e n t ) 模型，并对熔模铸造、激光重熔、连续铸造、焊接等不同凝 固条件下的凝固组织分别进行了预测研究和动态显示，逼真的获得了凝固组织中柱状 晶和等轴晶竞争生长过程的显示。h o n g 掣3 1 川l 对a 1 4 5 c u 合金进行研究，将单元 自动生成机制的c ac e l u l l a r - a u t o m a t i o n 模型与有限元方法f i n i t ee l e m e n t 相结合，同 样建立了二维c a f e 模型。在模型中用有限元法进行热流计算得到宏观网格的温度， 而微观网格c e l l 的温度则通过插值法求解。并特别针对挤压铸造和平板流动铸造分别 进行了仿真模拟，得到在各种工艺条件下模拟的凝固组织与实际情况相吻合。z h u 和 s m i t h 掣3 5 j 以a 1 4 5 s i 合金为主要研究对象，在考虑材料的界面能的基础上，将连 续性方程和m c 法相结合，并通过引入枝晶生长强化因子的方式，建立出了宏观传热、 传质与微观形核、生长的统一仿真模型，也实现了凝固组织形成的动态显示。 凝固组织的数值模拟应用虽然取得了上述可喜的成绩，但总的来看依然存在若干 问题：首先，这些研究者的工作大多还停留在形状简单的二元合金实验铸件的模拟上， 但实际生产中的铸件形状则比较复杂，铸件的材质更是千变万化；其次，理论模型大 多没有考虑诸如对流偏析等因素带来的影响，仅仅是建立在稳态生长的基础上，这样 的假设必然会对凝固组织的模拟精度造成影响；再次，数值模拟的计算算法比较复杂 且计算量非常大，复杂铸件的模拟需要难以得到满足；最后，根据凝固组织来预测推 断铸件的力学性能等方面的工作尚无人问津，这方面的模型更是一片空白。 1 4 镁合金铸轧过程概述 1 4 1 镁合金铸轧原理和优势 图l - 9 为镁合金的铸轧示意图。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) 的镁合会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。 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 3 s ) 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，因此中问的凝固、变形过程变得很复杂p 5 1 。 6 中南人学硕上学位论文 第一章文献综述 带 图! - 9 镁合金铸轧示意图 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 法生产金属薄板带与传统方式相比，可降低工程投资8 0 ，降低生产成本7 0 8 0 。 冷却速度可达到1 0 0 1 0 0 0 s - ，而传统的铸造只有2 3 s 一，因此铸轧板材枝晶 间距仅5 1 0 l ar n ，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 4 2 镁合金铸轧的研究进展 澳大利亚c s i r o 联邦科学联合工业研究组织工业技术研究院从2 0 0 0 年就开始致 力于镁合会板带铸轧技术的研究。一个工业规模的试验工厂已经建立，c s i r o 通过 用镁合金板带连铸机生产出了低能耗、高质量的镁合金薄板带材，该设备可以生产出 符合商业质量标准的6 0 0 m m 宽的镁薄板带。目前己成功批量铸轧出常规镁合金 似z 31 、a z 6 1 、a z 9 1 、a m 6 0 ) 与一批新镁合金带卷，厚度包括2 3 m m 一5 m m ，并用c s i r o 开发的特殊轧制工艺成功轧成0 5 m m 一0 6 m m 的薄板带1 3 6 1 。 同本国立小山工业高等专业学校的h w a t a r i 等人对半固念镁合会双辊铸轧技术 进行了研究，并取得一定的进展，基于大量的试验研究得出了一些铸轧参数之间的相 互关系，并发现铸轧出的镁板带具有很强的塑性加工能力，为该项技术的后续研究奠 定了孥实的基础。h w a t a r i 等通过半固态双辊连续铸造带坯工艺对变形镁合金a z 3 1 、 a m 6 0 、a z 9 1 的带坯工艺参数和组织性能进行了研究。工艺参数为：铸轧的温度为 7 中南人学硕上学位论文第一章文献综述 5 9 5 6 4 0 、铸轧的速度1 0 m r a i n 3 0 m m i n ，带坯的厚度为2 5 m m 4 0 m m ，晶粒的 尺寸1 0pm 1 5pm1 3 7 1 。 此外，英国曼彻斯特大学的k d 、v e y 在半固态铸轧技术研究方面也取得了一 些成绩。德国也有报道称他可以直接从粗镁得到合格的镁板材3 8 - 3 9 1 。 目前国内很多科研院所对连续铸轧过程进行了深入研究，主要包括熔体区流动规 律以及传热特性、熔体的净化及细化处理、熔体电磁搅拌技术、铸轧区的金属流变行 为、冷却及凝固控制等，主要利用有限元和计算机辅助等手段进行研究，通过不断的 完善理论对生产起到有力的支持【4 叫2 1 。 陈绪宏等1 4 3 】采用立式双辊铸机对a z 3 1 镁合金薄带连铸进行了实验研究。研究发 现，浇铸温度范围为6 5 5 6 6 5 ( 高于液相线2 0 3 0 ) ，辊速范围为 1 3 r m i n l 1 5 r m i n 一，当预留辊缝为0 9 m m ，冷却速度为2 0 0 s - 1 3 0 0 c s 1 时， 可以制备出边部整齐，较好的表面质量的镁合金薄带，且铸带的晶粒组织细小，晶粒 尺寸为5 1 1m 1 0 l am 。 南昌大学张莹等i 删通过应用电磁搅拌和双辊铸轧技术成功研究出镁合金铸轧薄 板，并得出最佳的电磁搅拌工艺参数为：剪切速率呻0 0 r m i n ，静置时间一l m i n ， 浇铸温度一5 6 5 ，在3 8 0 进行后续轧制，压下率达到了4 8 。 东北大学李铮等人1 4 5 4 6 l 在实验室应用双辊式连续铸轧技术，制备出了性能优良的 镁合会板材，并对其在2 4 0 3 0 0 。c 进行热轧，最大压下率达5 0 ，得到了宽2 5 0 m m ， 厚l - 3 m m 的板材。 洛阳铜加工厂是国内首家能进行镁合金薄板量产的生产厂家。2 0 0 5 年，公司成 功的开发出连续铸轧镁合金板材技术，公司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 年成功研究生产出宽6 0 0 m m 、厚 度最小达3 m m 的薄板材，并准备继续加大投资，扩大生产规模，提高产品种类，目 前，银光公司己经在镁行业已经占有一席之地。 1 4 3 镁合金铸轧研究存在的问题 虽然在镁合金双辊铸轧薄带的制备方面展开了一定的研究工作，并取得了一些的 成功。但它们仍然面临着一些挑战：镁合金的凝固较快，容易凝固不均匀，形成偏析 和裂纹；浇铸过程中的安全与防护问题；浇铸速度慢，成本较高：薄带产品品质较差、 成品率低，这些已经严重阻碍了镁合金薄带的产业化进程。 1 5 课题研究背景和意义 由于镁合金的应用不断扩大，产量逐年有较大上升，材料界希望有一种低成本的 8 中南人学硕上学位论文 第一章文献综述 板带轧制工艺。目前，世界金属加工制备正朝着低成本、低能耗、高效率、短流程、 连续化、自动化、高灵活性、高质量的方向发展，同时还要满足顾客小批量、多品种 的要求。传统的镁板带材是用3 0 0 r a mx1 0 0 0 m mx2 0 0 0 m m 镁锭经过多次反复热轧至 5 - 6 m m 厚度的板坯，后一步的轧制过程是高能耗、费时的，而且会导致低的金属屈 服应力。用双辊连续铸轧机生产带坯，再温轧成薄板，其制造成本比铸锭热轧低 7 0 8 0 左右，成品率可提高约2 0 。双辊铸轧薄板带加工技术作为满足上述要求的 新工艺之一，正在