外文翻译--工艺参数对铝合金热轧过程中亚晶粒大小形成的影响 中文版

工艺参数对 铝合金热轧 过程中 亚晶粒大小形 成 的影响 摘要： 本文结合 有限元方法 (FEM)和 田口实验方法 （ Taguchi experimental method）来研究 轧制工艺参数 (如 辊速 ， 辊温度 ， 辊缝 中 平均厚度 与 接触长度 之 比 即 Hm/L)对亚晶粒大小的影响。有限元方法 首次应用于模拟现有两个单向实验室轧制 。 亚晶粒大小 透过厚度 的分类与测量后的分类相 吻合 。 随后 ,田口方法应用于设计正交试验表 L9(34)。 使用有限 元方法 共计 分析了 9 个虚拟实验 。 然后按使用 田 口 实验 法 对所给出 的每一轧制工艺参数对变形 亚晶粒 大小 的影响及 其所 给 的百 分比 来分析 预测结果 。研究表明， 开轧 温度 对亚晶粒 大小形成影响最大，参数 Hm/L 次之。 辊速 ， 辊温度 对亚晶粒大小形成最小。 关键词： 轧制，铝合金， 亚晶粒大小， 有限元方法 ， 田口实验方法 1.引言 预测亚 晶粒 大小及分 类对于形成中的结构变化的预测 发挥着十分重要的作用 。 亚 晶粒分类及其平均 大小机械性能有重大 的 影响 ，它决定了物体的 强度 ,韧性 , 结构 等 。因此，学习亚 晶粒 大小 的 分 类对 质量控制 是至关重要的 。 人们普遍认为 ， 以下方程 中 亚 晶粒 大小 与温度 T ， 应变率 ） ,或 稳态变形 后的 温度补偿应变率 z 有关 :. z 的公式为 . 值得注意的是，这个等式建立在实验数据上。在等式（ 2）中，￥是平均应变率， Qdef 是活化 能变形 ， R 即通用的大 气常数和 T 是 通常进入温度 。“等式（ 1）中 m 的赋值最好是0.35-1.25. 引于参考文献 1” 预测 亚 晶粒 大小和分 类 似乎 微不足道 , 因为它 仅仅代 替了等式（ 1）和（ 2）中的 计算节点应变率和温度的交点 。“已载资料表明，建立在计算上的亚晶粒大小的分类是错误的。（引文 2）”因此，当其与限定元法不合时，我们就必须对等式（ 1）和（ 2）做些调整。 为控制产品性能 , 掌握 每个参数 对 亚 晶粒 大小 的最后形成的影响程度是 非常有 用的。 田口设计方法适合这 个任务。 田口方法采用一套标准直交 (OAs)来确定参数配置 ， 分析 其 结果 。 这些数组使用少量的试验 ,但得到最多的资讯 ,并具有较高的 生产 性和可靠性 。 研究中 , 表L9（ 34） （ 即四个变数，每个有三个值，总共有三个层次的的 9 个 测试 ；也即 Table2 所示 ） 是可以接受的。研究中的四个参数 ,每个都有三个 数值 。 这些参数包括 :初始的板坯温度Tslab, 辊缝 中 平均厚度 与 接触长度 之 比 Hm/L, 轧辊温度 Troll 和辊速 V. 2.试验数据和有限元模型 “ 实验数据取自扎伊迪的实验 。引文 3” 研究 辊温 在 300-500 摄氏度下的 铝合金AA1100。 辊直径 是 250mm，木板厚度为 25mm，宽为 37.5mm。 厚度减少 20%， 平均应变率为 2 s-1。 轧后 , 试样 迅速被 冰水 冷却。 亚 晶粒 大小 测量 的 定位取源于中型飞机。因此，飞机应变模 被用来模拟轧制过程 。在稳定状态下， 亚 晶粒 大小 和应变参数之间的 实证关系 可定为以下等试： . 这里将用到一个商业限定元法项目， FORGE2 V2.9.04。这就涉及到 Tresca 的 摩擦 定律。假设摩擦系数为 0.6， 滚动和板之间的传热系数是 14 千瓦 m - 2 k-1。 “ 资料显示， 这个值 可以通过 匹配计算温度 与 历史记录 值 得到 。（引文 4）”以下等式可表示此种关系 . 其中 A,a,n 是 常数 。 3.限定元法的结果及其讨论 所有 亚 晶粒 大小 测量 用 100 千伏菲利普斯 EM301 显微镜 。 亚 晶粒 大小 的 平均 值即 通过测量每个 亚 晶粒 大小 的长度和最小 宽再取其平均数。每个样本中 至少有 50 个 亚 晶粒得以测量。表 1 是 两种温度 下的 两个典型 放大图。表 2 是 亚 晶粒 大小 在通过厚度时预测前与测量后的分类之比较。若测量误差为 0.5um,可以说它的预测是非常成功的。 从表 2 可知， 亚 晶粒 大小 从 中心到表 面减小。 当轧制温度低 时 , 亚 晶粒 大小 的分类比在高温下的分类更稳定。此现象取决于 物质表面与中心的温度差异。表 3 表明物体通过厚度出来时的温度分布情况。 轧制 300 摄氏度时，表面与中心的温度差为 40 摄氏度； 500摄氏度时的温度差为 50 摄氏度。等质量的 变形 , 塑 性功在 低温 下 比高温 下的变化更大。这是低温下高浮力的缘故。因此， 塑 性功散发的热所引起的 温度上升也 就更 大 。低温下， 表面和中心的 温度差异也会大。 但是 ,限定元法所示的却是 一个完全相反的结果 。 原因是不同轧制温度 下 ， 传热系数 不同。“在限定元法计算中，机床的导热和表面 耗散 取以下的摩擦力即等式 5所示 :. 等式中， htc 是传热系数， Ttool 是机床温度。 b*、 b*tool 分别为 该热源的零件和模具 。Af 是摩擦系数， v 是机床部件之间速率差异， k 是传导力。假设 htc 和 Ttool 在不同的扎制温度下数值相同，从等式（ 5）的右边可知 ：高温下表面温度的下降比低温下大得多。 如第一部分所论， 要 用等式（ 1）、（ 2）来预测亚晶粒大小 的话就得 进行 一些修改。 在本研究中 , 采用平均应变率和交点温度 来获取 z 的值。 平均应变率 即在限定元法中 整个 变形区 的 每个增量 的应变率。 采用这种平均 法 是合乎逻辑的 ,因为 等式（ 2）中的 应变率 来源于实验数据 ,也是整个变形区 的平均值。因此，限定元 计算 法中 的 每个增量 ,所有节点具有相同的应变率 。 Z 的变化 取决于温度 的变化。“根据 Wells et al 的研究（引文 6）， 温度 对微构造物 的影响 与 辊速度 (应变率 ),工作辊表面温度 和 摩擦系数 相比要大。” 因此 ,整个变形区 所产生的 平均应变率是可以接受的 。 4. 轧制参数对 亚晶粒大小的决定作用 从 表 2 的 曲线 中可知， FEM 预测 成功。 这表明 ， 此 实验 可用 FEM 代替。它的优势在于：使用 FEM，没有机器限制，测量的 精度高 ， 投入 资本 少 ， 所获结果快。 有几种 类 型的参数影响 亚晶粒 大小 ，即 初始几何 参数 (宽度 /厚度 ， 长度 /厚度 )， 变形区参数 (公耗 ， 接触长度 )，过程参数 (温度 ，辊 速 )和材料参数 ( 成分 )。研究 四个 易控制的 变数 ，即： 平均厚度 与 接触长度 之比（ 公式 略，其中 H1 是进入 厚度 ， H2 是 出 去 厚度 ， R 是 辊 半径 ）， 辊温度 ( Troll )，辊速 v，板温 Tslab。每个参数（如 Table2 所示）都赋有三个值 ， Hm/L 的值为 0.74， 1.45，3.1（因辊半径不变， Hm/L 的值分别等同于厚度减少了 44%， 16%， 4%；厚度减少值与第二部分所说相同。）， Troll 的值为 20， 60， 100 摄氏度。如 表 2（ Table2） 即正 交表 L9 ( 34 ) 中所示， 有 4 个参数 , 各参数有三个 数值， 共计 9 个测试 。这就是 材料 AA1100。 本节 通过 差 异 分析 ( ANOVA )展示了亚晶粒 大小 各个参数 之间的关系。“ ANOVA 使用平方 数 定量研究 总体实验平均反应 的控制 系 素的反应 偏差。（引文 7）” 对于每个 数值中，平均 质量特性 反应 的 计算 公式如下： . 其中 yi 质量特性反应 。研究中，它涉及到了亚晶粒大小； n 是每个赋值的实验数。在数组 L9（ 34）中， n 为常数 3。表 2 中所示的每一系数不同层次的平均值就是 y 的计算。从表 3 中可知， Hm/L 第一层次的值包括实验 1-3。辊温第三层的值就是实验 3， 4， 8。 当我们对每一参数值的层次进行平均分析时，其他参数中不同数值所产生的影响，都将相互抵消，因其他每个参数都会在每个不同的数值中出现。因此，实验的结论就是参数在每个数值中的影响不受其它参数的影响。也就是说，每个参数值的影响是相互独立的。在 Taguchi 法中采用信噪比来分析其实验结果。 实验条件下， 信噪比 反映了质量性质的平均值和变值。信噪比的公式为： . 其中 MSD 代表平均平方差量，为了更好的分析扩大后的信噪比值，通常用常数 10。 研究中， MSD 的公式如下： . 正交试验 数组的整个 信噪比平均值的公式如下： . 从表 3 可知以上参数的计算结果。 平方数取决与整个平均值的差异，公式如下： . 若考虑 ith 系数，平均数取决与平均值的差异公式为： . 其中 Mj 是各值的实验数，通常为常数 3。 Ith 系数对 亚晶粒大小 的百分比公式如下： .