（材料加工工程专业论文）6016铝合金热变形行为及热连轧过程数值模拟研究.pdf

h o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f6 016a l u m i n u ma l l o ya n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fh o tr o l l i n gp r o c e s s b y d i a oj i n p e n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n gc h a n g q i n g m a y , 2 0 1 1 2 硕l ：学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 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：刁金期马r 凝：硼| | 年6 日ff i 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，同意学校保 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。 本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在ai - n 应方框内打”) 作者签名： 刀金矾易 日期：伽，f 年月1 日 导师签名 日期：伽，年6 月日 尘坠丝型些型目iylullillhi；l9liliiofllll6lf；lolf；13lffllll41iiiii 葛篁詈= 詈= = 暑詈詈詈詈詈皇= 詈暑皇皇墨詈= = 暑詈暑詈皇詈詈= = 詈詈皇= 詈= = = = = 喜皇詈詈詈詈詈詈詈! ! 暑詈詈詈= ! 詈= = = = = 皇竺喜詈詈詈詈詈詈詈詈= 暑暑号 一一 一 一 摘要 6 0 1 6 铝合金是a i m g s i 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。6 0 1 6 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6 0 1 6 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g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟机上对6 0 1 6 铝合金进行了热压缩变形实验，变形温度为 3 0 0 5 0 0 ，变形速率为0 0 1 1 0s 。结果表明：在低应变速率仨1 s _ ) 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 ( 1 0 s 。1 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6 0 1 6 铝 合金高温热压缩变形流变行为，热变形激活能为2 7 0 2 5 7k j m o l 。计算峰值应力与实测 峰值应力之间的相对误差在士8 之内。通过光学显微镜( o m ) 和透射电子显微镜( t e m ) 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6 0 1 6 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5 1 8 2 铝合金工业热连轧的现场实际测量数据为依据，探索了铝合会热连轧过程中 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9 0 时，摩擦因子n l 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d e f o r m 3 d 对某厂5 1 8 2 铝合 会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1 0 左右，计算精度能够很好的满足实际生产需要：基于 5 1 8 2 铝合会模型建立了6 0 1 6 铝合金的轧制力模型，可为轧制工艺的参数设置提供参考。 关键词：6 0 1 6 铝合金；热连轧；热变形；本构方程；数值模拟 a b s t r a c t 6 016a l u m i n u ma l l o yi s o n eo ft h ea i - m g s is y s t e ma l l o yt h a t c a nb es i g n i f i c a n t l y h a r d e n e db yap r o p e rh e a tt r e a t m e n t d u et o i t s g o o df o r m a b i l i t y ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， w e l d a b i l i t y f a t i g u es t r e n g t ha n dg o o ds t a t i cs t r e n g t h ，i th a sb r o a d u s e da ss h e e tm e t a lp a r t so t a i f c r 疆f u e lt a n k s ，p i p e s ，c a r s ，s h i p s ，t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t ，a n di n s t r u m e n t s ，l i g h t st r a m e ， m es v s t e ml i n gd e v i c e s ，t e l e v i s i o nt o w e r ，d r i l l i n ge q u i p m e n t ，m i s s i l ep a r t s ，r i v e t s w 1 犯，e t c 一 6 016a l 啪i n u ma l l o yi sa l s ot h em a t e r i a lo fc h o i c ei ne u r o p e a na n da m e r i c a na u t o m o b l l e c o v e r i nt h i sp a p e r ，t e s t sw e r ep e r f o r m e dt os t u d yt h em i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o nd u r i n gh o t r o l l i n go f6 0 16a l u m i n u ma l l o yb yc o m b i n i n gh o td e f o r m a t i o ns i m u l a t i o na n dn 啪e n c a i s i m u l a t i o n ，a n dt h er o l li n gf o r c ew e r ea l s op r e d i c t e d h o tc o m p r e s s i o nt e s t so f6 0 1 6a l u m i n u ma l l o ya f t e rh o m o g e n i z a t i o n a t5 5 0 。c 1 2 hw e r e p e r l o n n e do ng i e e b l e 15 0 0a td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e sr a n g e db e t w e e n 3 5 0 。c 5 0 0 。ca n d s t r a i nr a t e sr a n g e db e t w e e n0 01s q lo s 一t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：a tl o w s t r a i nr a t e s ( 1 0 s 叫) c o n d i t i o n s ，a st h e s t r a i ni n c r e a s e s ，j a g g e df l u c t u a t i o n si n f l o ws t r e s sa f t e rap e a kv a l u ed e c r e a s e dg r a d u a l l y ， s h o w sd i s c o n t i n u o u sd 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 s t r u c t u r ea n a l y s i ss h o w st h a t ：t n e h v p e r b o l i e s i n ec a nb eu s e dt o d e s c r i b et h e6 0 16a l u m i n u ma l l o yh i g ht e m p e r a t u r e c o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nb e h a v i o r w i t ht h eh o t d e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yo f2 7 0 2 5 7k j m 0 1 r e l a t i v ee 仃o r sb e t w e e nc a l c u l m e dp e a ks t r e s sa n dm e a s u r e dp e a k s t r e s sa r ea l lw l t h m 士8 m i c r o s t m c t u r e so ft h e 6 0 16a l u m i n u ma l l o y u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s o fh o t d e f o 姗a t i o nw a so b s e r v e db yo p t i c a lm i c r o s c o p ya n dt e m s t u d i e ss h o wt h a t t h e6 0l6 a l u m i n 啪a l l o ym a i ns o f t e n i n gm e c h a n i s mi n t h eh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nl sd y n a m l c r e c o v e r y ；t h er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g o ft e m p e r a t u r ea n d d e c r e a s i n go fs t r a i nr a t e t h er e a s o n a b l eb o u n d a 拶c o n d i t i o n so ne a c hp a s sd u r i n gh o tr o l l i n g w e r es t u d i e db y p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o da c c o r d i n gt ot h ed a t am e a s u r e di nf a c t o r yd u r i n g t h em u l t i - p a s s h o tr o l l i n go f5 18 2a l u m i n u ma l l o y ，t h e r m a lr a d i a t i o na n dh e a tc o n v e c t i o nc o e f f i c i e n t o f e m i s s i v i t yu s i n gt h es y s t e md e f a u l tv a l u e s t h er e s u l t ss h o w t h a tw h e nt h er o l l i n gs p e e d1 s g r e a t e rt h a nt h e9 0 o f r o l ls p e e d ，t h ef r i c t i o nf a c t o ro nt h et e m p e r a t u r ef i e l dc a nb e1 9 n o r e d ，。 t h e r o l l i n gt e m p e r a t u r et h e r m a lw a sm o s t l ya f f e c t e db y t h eh e a tc o n d u c t i o nc o e f f i c i e n t i nt h ec o m p u t e r - c o n t r o l l e dp r o d u c t i o no f h o ts t r i pr o l l i n g ，r o l l i n gf o r c ei sav e r yi m p o r t a n t p a r ti ns e t t i n gt h er o l l i n gp r o c e s so f o r d e r a n di t si m p a c to nt h eq u a l i t yo ft h es t r i pd i r e c t l y 6 0 1 6 铝合金热变形行为及热连轧过程数值模拟研究 b e f o r et h es i m u l a t i o no fr o l l i n gf o r c e ，t h ee f f e c to ft h ef r i c t i o nf a c t o ra n dh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tt ot h er o l l i n gt e m p e r a t u r eo nt h eh o tr o l l i n gp r o c e s sw e r es t u d y e db a s e do nt h e a c t u a lp l a n tt e m p e r a t u r ed a t a ，t oo b t a i nt h ea p p r o p r i a t eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rc o m p u t e r s i m u l a t i o n u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ed e f o r m 3 dt os i m u l a t et h e h o t r o l l i n gp r o c e s so f5 18 2a l u m i n u ma l l o y ，a n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr o l l i n gf o r c e c o m p a r e dt h er o l l i n gf o r c em e a s u r e da n dp r e d i c t e dv a l u e s ，i ts h o w st h a t ：t h em o d e le r r o rw a s l e s st h a n1 0 a c c u r a c yc a nw e l lm e e tt h ea c t u a ln e e d so fp r o d u c t i o n ；6 0 1 6a l l o ya l u m i n u m r o l l i n gf o r c em o d e lw a s b u i l db a s e do n a518 2m o d e lf o rar o l l i n gr e f e r e n c ep a r a m e t e rs e t t i n g p r o c e s s k e y w o r d s ：6 0 1 6a l u m i n u ma l l o y ；h o tr o l l i n g ；h o td e f o r m a t i o n ；c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 硕i ：q - 位论文 口罩 目冰 学位论文原创性声明1 学位论文版权使用授权书1 摘要一i i a b s t r a c t i i l 插图索引v i i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义j ：1 1 2 热轧技术及连轧技术一2 1 2 1 热轧技术及连轧技术特点2 1 2 2 热轧工艺制度的制定4 1 2 3 连轧工艺制度的制定5 1 3 轧制过程计算模型6 1 3 1 模型在轧制过程控制中的作用和特点6 1 3 1 轧制过程计算模型的建模方法7 1 4 热轧变形抗力及轧制力参数8 1 4 1 变形抗力影响因素及变化曲线8 1 4 2 热轧变形抗力的测定9 1 4 3 轧制力的计算及影响因素，1 1 1 5 有限元分析1l 1 5 1 有限元求解及发展趋势一1 l 1 5 2d e f o r m 简介13 1 5 3d e f o r m 3 d 应用14 1 6 本文的研究意义及研究内容15 第2 章实验方法及实验内容1 6 2 1 实验材料。16 2 2 实验方案1 6 2 2 1 热变形实验16 v 6 0 1 6 铝合会热变形行为及热连轧过程数值模拟研究 2 2 2 显微组织结构分析1 7 第3 章6 0 1 6 铝合金热压缩变形行为的研究1 8 3 16 0 16 铝合金高温压缩真应力真应变曲线18 3 2 本构模型的建立2 0 3 2 1 应力应变本构方程基本理论2 0 3 2 2 流变曲线的温升修正2 1 3 2 3 本构方程相关系数求解2 2 3 2 4 本构模型的验证2 6 3 3 单道次压缩显微组织的演变2 7 3 3 1 不同位置的组织对比2 7 3 3 2 不同变形温度对合金的显微组织的影响2 8 3 3 3 不同变形速率对合金的显微组织的影响2 9 3 4 不同变形条件下的微观显微组织3 0 3 5 分析与讨论31 3 5 1 变形温度和变形速率对真应力应变曲线的影响3 1 3 5 2 动态软化机制3 2 3 6 本章小结3 3 第4 章6 0 16 铝合金热连轧数值模拟3 4 4 1 轧制过程仿真基本理论3 4 4 1 1 热传导基本方程3 4 4 1 2 求解温度场的有限元法3 7 4 1 3 精轧过程* l n 力计算3 6 4 2 热连轧数值模拟3 7 4 2 1 物理模型3 8 4 2 2 轧板出口温度4 0 4 3 轧制力数学模型4 2 4 3 1 几何模型的建立4 2 4 3 2 轧制力模型的建立4 3 4 3 3 结果分析4 5 4 4 本章小结4 9 结论5 0 参考文献5 2 致谢5 6 v l 硕一l 二学位论文 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 v 6 0 1 6 铝合金热变形行为及热连轧过程数值模拟研究 插图索引 图2 1 压缩试样形状图l7 图3 16 0 1 6 铝合金在不同应变速率下高温压缩变形真应力一真应变曲线1 9 图3 26 0 1 6 铝合金修正前后的真应力一真应变曲线对比( 4 0 0 。c ) 2 2 图3 3 不同变形温度下应变速率与流变应力之间的关系2 3 图3 4 不同温度i ns l n 【s i n l l ( 0 【g ) 】关系2 5 图3 5 不同温度l n s i n h ( a o ) 】一1 厂r 的关系2 5 图3 6i nz - - l n s i n h ( a o ) 关系一2 5 图3 7 应变速率为ls d 时流变应力预测值与实验值的对比2 6 图3 86 0 1 6 铝合金在3 5 0 。c ，0 o ls 。条件下变形后不同部位的显微组织一2 7 图3 9 不同变形温度下合金的金相显微组织s = o o l s 。2 8 图3 1 0 不同变形速率下合金的金相显微组织t = 4 0 0 2 9 图3 1 16 0 1 6 铝合金不同变形l nz 值下的亚晶组织3 1 图4 1 模拟流程图3 7 图4 2 热轧过程中的传热现象3 8 图4 3 摩擦因子参数设置3 9 图4 4 热传导系数参数设置4 0 图4 5 有限元网格划分4 0 图4 6 热轧出口表层温度场4 0 图4 75l8 2 铝合金各机架热轧稳态时出口温度分布图4 1 图4 8 铝合金热连轧轧制力模型4 3 图4 9d e f o r m 主要的本构模型一4 4 图4 1 05 1 8 2 与6 0 1 6 铝合金变形抗力模型输入4 4 图4 1 15 1 8 2 铝合金f 3 机架轧制力模拟曲线图4 6 图4 1 2 轧制力预测值与实测值比较曲线图4 6 图4 1 3 模型预测值与实测值误差比较图j 4 7 图4 1 46 0 1 6 铝合会轧制力预测曲线4 8 硕一l ：学位论文 附表索引 表1 1 部分铝合金热轧开轧及终轧温度4 表3 16 0 1 6 铝合金不同变形条件下实测峰值应力( m p a ) 2 2 表3 26 0 1 6 铝合金峰值应力仃与应变速率毒关系的回归结果2 4 表3 36 0 1 6 铝合金高温压缩变形时峰值应力与变形温度关系的回归分析结果2 4 表3 4 不同热变形条件下的l nz 值2 5 表3 56 0 1 6 铝合金热压缩过程中的各项材料常数表2 6 表4 1 各道次比较适合的边界条件4 l 表4 2 工件与轧辊的物理参数4 3 表4 3 模型结构参数4 3 表4 4 轧辊和轧板参数4 5 表4 5 材料参数4 6 表4 6 轧制力实测平均值和预测平均值的误差比较4 7 硕+ i j 学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 我国有色金属加工行业发展迅速，根据有关部门的统计资料，我国目前的铝加工材 产量居于世界首位。由于铝及其合金材料具有优异的综合性能，在机械、航空、航天、 电子信息、能源、交通运输及电力等行业得到了广泛的应用。因此，可控制材料的形状、 尺寸、组织和性能的铝合金加工技术，引起了人们的广泛关注。铝合金加工技术的发展 与进步，对铝合金新材料的研究、应用和产业化都有着决定性的影响，同时也可有效的 提高传统材料的生产和使用性能，对国民经济的发展有着重要的作用l i l 。 近年来，铝及铝合金加工产业进入了一个崭新的高速发展时期，铝材的应用越来越 广泛，尤其是在交通运输业，铝材是汽车轻量化的首选材料。我国运输用铝材的需求增 幅很快，汽车、高铁、城市轻轨、航空、航天、船舶及集装箱用铝材的应用不断增长， 尤以汽车用铝型材的发展更为引人注目。多年以来，汽车行业开展研究的工作一直集中 在汽车的结构设计、材料选用和制造技术等方面，开发安全可靠、高速舒适、节能环保 的现代汽车，其首要问题就是汽车轻量化，汽车轻量化是实现汽车高速、安全、环保及 舒适的最佳途径。铝合金代替传统的钢铁制造汽车，可使整车质量减轻3 0 - 4 0 ，制 造发动机可减轻3 0 ，轿车全铝车身比钢材制品轻4 0 以上，汽车铝合金车轮减重可 达5 0 左右，尤其在汽车车身方面，汽车车身质量约占汽车总质量的3 0 ，降低车身 质量是整车轻量化的关键。汽车轻量化的需求使得铝合金的发展进入一个更广阔的空 间。新的汽车铝型材开发与应用主要集中在3 个方面：其一，车身、车架全铝化及大型 铝型材的应用；其二，防撞梁及车门刚性结构的全铝化；其三，部分零部件的全铝化。 车身板件可以用硬铝或防锈铝生产，比如车门、车身面板和发动机罩等。目前，车身板 用铝主要为a 1 c u m g 系( 2 0 0 0 系) 、a i m g 系( 5 0 0 0 系) 、a i m g s i 系( 6 0 0 0 系) 和 a 1 z n m g c u 系( 7 0 0 0 系) 。其中，2 0 0 0 系和6 0 0 0 系为可热处理强化合金，可以采用 热处理进行强化，6 0 0 0 系t 4 态的屈服强度和抗拉强度甚至几乎与冷轧钢板相当；5 0 0 0 系为不可热处理强化合金，但其成型性较好，主要用于内板等形状复杂的部件；6 0 0 0 系铝合金含m g 较少，便于回收，众多研究表明，6 0 0 0 系铝合会是变形铝合金汽车板的 合适材料1 2 】。美国铝业公司和加拿大铝业公司都进行了6 0 0 0 系铝合金汽车板的生产开 发和应用研究，并已批量生产。6 0 0 0 系铝合金主要应用于汽车外部的覆盖件，与钢制零 件相比重量减轻了5 0 ，又由于强度低于钢板材，因此在汽车与行人碰撞时对行人的保 护也有一定的积极作用。目前国际上采用较多的汽车车身板铝合金型号有：6 0 1 6 ，6 0 2 2 ， 6 1 l l ，6 1 8 l a 等，如奥迪a 8 车身板采用的就是6 0 1 6 铝合金，阿库拉n s x 也采用的6 0 0 0 6 0 1 6 铝合金热变形行为及热连轧过程数值模拟研究 系铝合金作为外部面板。但是目前国产汽车用铝合金材料与国外相比有一定的差距，尤 其以轿车最为突出。虽然车辆所用的材料种类与国外同车型基本一致，但铝合金用量低 于国外同种汽车，并且受铝合金成本以及汽车零部件a n - r _ 水平所限，使一些引进国内生 产的车型将原有的铝合金零件用料改用了其他材料，限制了铝合金材料在国内汽车上的 应用。 在发达国家中，铝及铝合金轧制材的产量占整个铝加工材产量的6 0 以上，而且每 年还在以2 一3 的速度增长。我国铝及铝合金轧制材的生产能力居世界第一位，但由于 我国众多的人口数量，人均消耗量仍未达到世界平均水平，而且我国的铝合金产业结构 并不合理。为了提高我国铝板带材的产能，改变我国铝加工材的产业结构，从2 0 0 2 年 开始，我国铝板带材的建设丌始加速。2 0 0 4 年我国铝加工材产量约为4 6 0 万吨，其中轧 制材为1 9 0 万吨。国内市场对铝合金c l n 材的巨大需求刺激着我国铝板带材轧制技术水 平往更高的方向发展。 截至2 0 0 4 年底，我国铝板带c l n 行业拥有带坯热轧机1 6 台，产能1 0 5 万吨年；双 辊块片热轧机1 2 5 台，产能6 5 万吨年；现代化四辊与六辊冷轧机4 6 台，产能2 3 万吨 年；在建热轧生产线1 l 条，产能2 1 0 万吨年。我国铝及铝合金, l n 生产与设备正处于 高速发展时期，中国不仅是世界的铝c l n 大国，也终将成为世界铝轧制强国。轧制行业 的飞速发展，带动了c l n 技术的进步，从事c l n 行业的人员轧机的现代化程度越高，对 数学模型的依赖程度越大，因而对c l n 过程数学模型的开发、维护和优化越来越受到重 视，数学模型已成为各大厂家轧制关键技术的核心内容。 6 0 1 6 铝合金是欧美国家汽车用车身板材的首选材料，本文通过对6 0 1 6 铝合金的热 变形研究获得其基本材料常数，建立其流变应力模型，通过有限元模拟分析获得该合金 的温度边界条件及c l n 力模型，为以后6 0 1 6 铝合金的轧制生产提供工艺参数支持，为 国内汽车用铝合会的生产提供一定的理论指导作用。 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 热轧一般指温度在金属在再结晶温度以上进行的轧制过程。通常，金属热轧时的温 度较高，但在室温下就能产生再结晶的铅、镉和锡等金属，室温轧制也属于热轧。在热 轧过程中，变形金属同时存在n i 硬化和动态软化两个过程。若回复和再结晶软化过程 来不及进行，由于变形速度的影响，金属就会随变形程度的增加而产生一定的加工硬化。 但在热轧温度范围内，软化过程起主导作用，因而，在热轧终了时，通常金属的再结晶 过程不完全，热轧后的板带材出现再结晶与变形组织共存的组织状态。通常认为热轧过 程金属没有明显的加工硬化，塑性较高，变形抗力较低，这样可以用较少的能量得到较 大的塑性变形。因此，大多数金属都采用热轧加工。只有少数有色金属由于在高温时塑 2 硕j ：学位论文 性较低而不适合热轧；或是由于有色金属的板带材厚度较小时，散热较快而不能保证热 轧时的温度，才直接采用冷轧生产。 热轧的优点如下： ( 1 ) 热轧能显著降低能耗，减少成本。一般情况下随着温度升高，金属的变形抗力 降低，因此热轧时金属的变形抗力比冷加工时要低，这样能显著的减少轧制时的能量消 耗。所以凡能热轧开坯的金属都应采用热轧； ( 2 ) 热轧可以改善金属及合金的加工工艺性能。因为热轧能将铸造状态的粗大晶粒 破碎，显微裂纹愈合，减少或消除铸造缺陷。所以，热轧能把低塑性的铸态组织转变为 高塑性的变形组织( 加工组织) ，提高金属的加工工艺性能； ( 3 ) 热轧可采用大压下量轧制。在一定温度范围内，随温度的升高，金属塑性增加， 因此般情况下热轧时金属塑性较好。这样就可以采用较大的变形量进行轧制，同时可 减少金属的裂纹缺陷，提高金属的成材率； ( 4 ) 热轧通常采用大铸锭轧制。由于热轧时金属具有较高的塑性和较小的变形抗力， 因而可以采用较大的铸坯。这样，不仅可以提高生产率和成品率，而且为轧制过程的连 续化和自动化提供了条件。 除了上述优点，热轧同样也会有一些缺点，热轧的缺点如下： ( 1 ) 热轧难以精确控制产品的力学性能。热轧产品的组织和性能不够均匀，强度较 低，且性能波动范围大； ( 2 ) 热轧产品的尺寸较难精确控制，表面较冷轧产品粗糙，由于高温下易氧化，因 而表面质量不高，所以有色金属板带材生产中，热轧很少直接生成产品，绝大部分是为 冷轧提供坯料； 综上所述，热轧因为j f l , n 时金属的变形抗力低，塑性高，可轧制尺寸大的铸锭和采 用大压下量的特点，可充分发挥设备能力，大大减少金属变形的能耗，提高了产品的成 品率和生产效率，降低了生产成本，因此成为了广泛采用的供坯方法。 连轧是指在板带材f l , n 过程中，轧机串联式布置，使轧制材料从上工序流到下工序， 一次f l a i j n 产品厚度的轧制方式。连轧和单机架f l 南i j 相比较，具有生产率高、产品质量 高、金属消耗少和成本低等优点。因此连轧在金属板带材生产中占有重要地位。 连轧可分为热连轧和冷连轧两类。热连轧又分为粗轧机组和精轧机组，粗轧机组根 据串联的轧机台数和轧件在每台轧机上车l a j j 的道次数，又分为全连续和半连续等方式。 其中半连续式是有色金属热连轧普遍采用的方式，即粗轧机组各轧机都是可逆的，轧件 在每台轧机上往复轧制多道次，并且普遍采用1 2 台四辊或二辊轧机。 连轧必须遵循如下基本规律： ( 1 ) 机架问秒流量相等。连轧时，保持正常的轧制条件是轧件在j f l as j 线上每一机架 的秒流量( 单位时间内轧过的材料) 保持不变； ( 2 ) 机架问轧件运动速度为常数。从轧制运动学角度来看，前一机架的轧件出辊速 6 0 1 6 铝合合热变形行为及热连轧过程数值模拟研究 度等于后机架的轧件入辊速度； ( 3 ) 机架问张力等于常数。从轧制力学角度来看，前机架的i j 张力等于后机架的后 张力，机架间张力等于常数。 1 2 2 热轧工艺制度的制定 热轧有色金属及合金板带材之前需要加热。热轧能否顺利进行，关键是确定热轧 的温度范围，即开轧温度和终轧温度。 合金的状态图是确定热轧温度范围最基本的依据。热轧温度的上限应低于固相线 温度t o ，为了防止锭坯的过热和过烧，轧制温度的上限温度应比熔点低约1 0 0 - - - 2 0 0 ， 一般取( 0 8 5 - 0 9 0 t o ) ；而热轧温度的下限，应高于相变点5 0 7 5 ，以防止热轧过程 中发生相变。热轧终轧温度对热轧组织和性能影响很大。温度过高，晶粒粗大，力学 性能差，不能满足使用要求，而且继续冷轧会产生轧件表面橘皮和麻点等缺陷；温度 过低，引起金属加工硬化，变形抗力增加，能耗增加，再结晶不完全导致晶粒大小及 性能不均。终轧温度一般取相变温度以上2 0 3 0 。无相变的合金，终轧温度可取合 金熔点温度的0 6 5 0 7 0 倍。 铝及铝合金制品是有色金属及合金中最常见的产品之一，热轧温度和热轧加工 率是其主要热轧工艺参数。 对于具体型号的铝合金要选择合适的热轧温度。温度过高，容易出现粗大晶粒和 品粒间低熔点相的熔化，导致轧件丌裂或者轧碎；温度过低，金属的变形抗力较大， 能耗变大，而且由于不完全再结晶，导致晶粒组织与性能的不均匀。因此，合适的热 轧温度应根据具体条件制定。 部分铝合金热轧开轧及终轧温度见表1 1 。 表1 1 部分铝合金热轧开轧及终轧温度 t a b l e l 1p a r to f t h ea l u m i n u mh o tr o l l i n ga n df i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e 4 硕卜学位论文 热轧时，为了提高生产率，保证合理的终轧速度，在设备允许的条件下应尽量采用 高速轧制。在实际生产中，应根据不同的轧制阶段；确定不同的轧制速度制度。热轧速 度制度一般可分为三个阶段： 开始轧制阶段，由于铸锭较厚且短，绝对压下量较大，咬入困难，而且是要将铸造 组织变为加工组织，为了便于咬入，一般采用较低的轧制速度；中间轧制阶段，为了提 高生产率，在条件允许情况下，应尽量采用较高的轧制速度；最后轧制阶段，因轧件变 的薄且长，轧制速度中温降损失较大，轧件与轧辊接触时问较长，使轧件首尾与中间温 差较大，为获得良好的板型和优良的表面质量，应根据实际情况，选用合理的轧制速度。 热轧压下制度又称压下规程，是板带材轧制的最基本参数，它直接决定着热轧机的 生产效率和产品的质量。热轧压下制度的内容主要包括热轧总加工率和道次加工率，其 次是轧制道次和立辊轧边等。 大多数有色金属及合金的热轧总加工率都在9 5 以上。总加工率越大，材料的组织 越均匀，性能越好。某些有色金属的高温塑性范围较宽，高温塑性好，高温时变形抗力 低，热脆性小，可以采用较大的热轧总加工率，如纯铝及软铝合金。而硬铝合金，一般 热轧温度范围较窄，变形抗力高，热脆倾向大，其总加工率通常比软铝合会小。对于供 冷轧用的坯料，热轧总加工率应考虑铣面及冷轧的要求而留有足够的冷变形量，以便冷 轧时控制产品性能和获得良好的表面质量。铝及铝合金热轧制品的热轧总3 0 nr 率应大于 8 0 。 制定道次加工率应综合考虑金属及合金的锭坯尺寸、锭坯质量、高温性能、咬入条 件、加热情况、产品质量要求及设备能力等。不同轧制阶段的道次加工率确定原则如下： a 开始轧制阶段。由于前几道次的主要作用是将铸造组织变为加工组织，满足咬入 条件，道次加工率比较小，一般为2 1 0 ； b 中问轧制阶段。随着铸造组织逐步转变为加工组织，轧件温度有所降低，塑性较 好且变形抗力较低，金属加工性能得到改善。如果设备允许，应尽量采用大的道次加工 率，并增大轧制速度。对硬铝合会变形深透后最大道次加工率可达4 5 以上，软铝及多 数重有色金属可达5 0 ； c 最后轧制阶段。这个阶段的轧件温度过低，变形抗力增大，道次加工率一般较小， 但为了防止热轧制品产生粗大晶粒，影响产品性能，热轧最后道次的加工率应大于临界 变形量( 一般为1 5 0 o , - - 2 0 ) 。 1 2 3 连轧工艺制度的制定 1 连轧压下制度的确定 连轧的压下制度主要是如何确定各机架的压下量问题。连轧各机架的压下量的确定 原则上与单机架一样，应该综合考虑金属的塑性、咬入条件、设备强