异步轧制AZ31镁合金板材的微观组织及力学性能研究（已处理）

1、异步轧制AZ31镁合金板材的微观组织及力学性能研究 分类号:密级:公开:编号:工学硕士学位论文异步轧制镁合金板材的微观组织及力学性能研究硕士研究生:孙瑞指导教师:王忠堂教授学科、专业:材料加工工程沈阳理工大学年月;、.:.;、等警譬,.,.。.分类号:密级:公丌:编号:工学硕士学位论文异步轧制镁合金板材的微观组织及力学性能研究硕士研究生:孙瑞指导教师 :王忠堂教授学位级别 :工学硕士学科、专业 :材料加工工程所在单位 :沈阳理工大学论文提交日期: 年 月日论文答辩日期: 年月日学位授予单位:沈阳理,:大学:.:.:.: : : , : , : 矗.。笋弧抑 毪吖;,奠.蓦毒轰遗,;,慕;:.、

2、;黾;兰:;,辨建;麓曩岛爨 一;.; 。、;/,;:.;甜;窖。即 ;、蠢;手二 ;。譬;蝥试 雾淹矗:瞪,毫“曩叠二、;。:¨:站州譬汜彭 ;。 ,.,?毫.,;:;譬“。,。奠。 ;.;,:。÷.: 譬垂譬 ;乏:,门;。二 .矗;幸力?硝;。:?;. .:;.,。 ;:,÷,。;、 。、;妻、:冬.一专、弋:、二 ;:。了乙;萼程魄、 “?,:;沈阳理:大学硕十学位论文沈阳理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中己注明引用的

3、内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。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结果由本人承担。作者签字:矾、;日 期:少年弓月十学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工大学可以将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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书指导教师签名:西诧奄学位论文作者签名:硼多淋日 期,二?

4、声?,期:口、,钾沈阳理大学硕士学位论文摘 要采用异步轧制技术生产镁合金板材不仅具有能耗低、产品精度高等优点,还可以改善镁合金板材的塑性成形性能。本文通过数值模拟和实验分析的方法,对镁合金板材异步轧制工艺、变形过程中的组织变化、成形板材力学性能等开展了研究。主要内容如下:采用有限元软件.对 镁合金板材异步轧制过程进行了数值模拟,分析了异步轧制工艺参数对轧制力、等效应力、等效应变、板材位移的影响规律。得到了较为合理的摩擦系数和异步比用于绘制模拟极图,即摩擦系数.、异步比:.。利用软件绘制了工艺参数为摩擦系数.,异步比为.条件下,不同压下量的异步板材极图,分析了板材基面织构的变化趋势,即随着变形量

5、的增加,板材基面织构先减弱后增强。进行了镁合金异步轧制实验,运用射线衍射技术,绘制了不同压下量的真实异步轧制板材极图,并与模拟极图进行了对比,得到了相似的织构变化趋势。探讨了总压下量、异步比、轧制温度等工艺对镁合金异步轧制板材微观组织的影响。分析了在不同压下量下普通轧制与异步轧制镁合金板材的金相组织、极图,综合金相和极图解释了板材基面织构强度随压下量变化的原因。探讨了总压下量、异步比、轧制温度等工艺对镁合金板材的拉伸力学性能的影响。镁合金轧制板材在不同方向的压缩应力一应变曲线具有较明显的差异,本文根据轧制板材微观组织及镁合金变形机制分析了镁合金轧制板材压缩力学性能各向异性的成因。关键词:镁合金

6、;异步轧制;织构;力学性能;数值模拟沈阳理工大学硕士学位论文 , ,., ,.:. . , , . .:. . 、,. ,?. ,.,. 沈阳理:大学硕士学位论文., , . .。?.,.: ;:;目录目 录第章绪论?一.研究背景.镁及镁合金的性质.镁及镁合金的应用.镁合金塑性变形研究?.镁合金塑性变形理论.镁合金塑性加工技术?.镁合金塑性成形微观组织理论与研究进展?.镁合金动态再结晶.镁合金的织构?.有限元模拟在轧制方面的研究进展?. 有限元的基本思想.有限元法的应用和发展?.本课题研究目的与意义第章镁合金板材异步数值模拟?.模拟工具介绍一.模拟流程.轧制板材有限元模型的建立?.几何模型的建

7、立?.前处理的设定?.工艺参数的选择?一沈阳理工大学硕士学位论文.摩擦系数对异步轧制的影响?.异步比对异步轧制的影响.极图的绘制?一.数据采集?.极图绘制及织构演化分析.本章小结?一第章镁合金板材异步轧制实验研究.引言.异步轧制试验过程?一.异步轧制板材的制备?.:?.异步轧制试验设备.异步轧制实验步骤.镁合金金相制备.力学性能及试验过程?第章异步轧制镁合金板材的微观组织研究?.引言?一.实验结果与模拟结果的比较?.压下量对微观组织的影响.压下量对微观组织的影响.压下量对织构的影响?.异步比对微观组织的影响?一.轧制温度对微观组织的影响?.本章小结第章 异步轧制镁合金板材力学性能研究?目录.异

8、步轧制板材拉伸力学性能?.压下量对异步轧制板材拉伸力学性能的影响?.异步比对异步轧制板材拉伸力学性能的影响?.轧制温度对异步轧制板材拉伸力学性能的影响.异步轧制板材压缩力学性能?.不同压缩方向板材压缩力学性能曲线的差异?.压下量对板材压缩力学性能的影响?.本章小结?一结 论?.参考文献攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果?致谢?第】章绪论第章 绪论.研究背景镁及镁合金具有密度低,铸造加工性能优良等一系列优点,在交通运输、航空航天、电子电器和国防军事工业等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。近年来,随着科学技术的发展?,镁合金的开发潜力和应用优势引起了世界各国企业和研究机构的高度重

9、视,相继设立了相关的研究课题,并大量投入财力,物力,人力囝。由于种种原因,我国的镁工较比美、日、欢等发达国家和地区在生产工艺和研发能力上存在着较大的差距,而同时我国在镁的储量、产量和出口方面却都位居世界第一位,在诸如汽车、电子等产业拥有巨大的消费市场,如果能够利用自身的资源优势,加速发展镁合金成形技术,那么将来镁合金产品所带来的经济效益和产业链效应不仅会对我国约加工制造业的发展具有重要意义,而且对我国的现代化建设做出重要的贡献脚:长期以来,镁合金产矗自戳叠工翩造工艺主要以压铸】和半固态注塑成形为主,产品用量约占镁合金销量的%。然而这两种工艺的成形件容易产生组织缺陷,机械性能和表面质量较差,这就

10、限制了镁合金的使用性能和应用范围】。镁合金经过塑性变形加工生产出的产品具有更高的强度和更好的延展性,具有铸造镁合金产品无法取代的优良性能,?量被广泛采嗣,镁合金应用领域将完全被打行闸。因此,研究开发变形镁合金和镁台金塑性加工新:艺成为当今国际镁工业的当务之急。.镁及镁合金的性质熔点为.。,沸镁是一种化合价为的镬白色会属,密度为./点为。,富含于菱镁矿、白云石等移。严中一。由英国人戴维在年在氧化镁和氧化汞的混合物中首先提炼蹦抟。法国人比西在年用金属钾还原熔融的沈阳理:大学硕士学位论文无水氧化镁得到纯镁。镁最为突出的物理性能是单位重量轻,比重只有钛的/、锥的/、钢的/,同时,镁的减震性能是铝的倍;

11、导热性能是塑料的倍,而热膨胀性能只有塑料的一半【引。镁合金与其他物理材料的性能对比如表.所示:表。镁合金与其他材料物理性能对比. 镁的机械性能较低,强度和刚度比钢低很多,拉断强度和疲劳强度也略低于铝,但在性能重量比方面却明显占有优势【】。镁合金比其他金属的切削阻力小,在机械加工时可以提高加工速度。镁舍金变形抗力较大,当受到徊击时能吸收较大的能量,产生的凹陷要小于其他金属。镁合金与其他物理材料的性能对比如表.所示。.镁及镁合金的应用镁及镁合金从用途方面可以分为民用和军用两类:镁合金在民用领域的主要应用有:交通运输工具。随着信息、物流等行业的发展以及资源的日益匮乏,镁合金在自行车、汽车等交通运?.

12、具制造中的使用受到了人们的极大关注。目前镁合金在自行车中的应用主要有:曲柄、避震器零件、车架、三/五通零件、轮圈、花壳、刹车手把等,基本涵盖了整个车身金属结构。镁合金问世以来便被越来越多的应用于汽车工业中,年,镁合金在全。,.第章绪论.,机械性能单位条件尼龙 钢丁 世界平均每辆汽车上的含量为.,是】年的倍多,、三家美国汽车生产:商联合美国政府提出了汽车合作生产计划,希望通过减轻动力系统重量和简化车身结构寒达到节能减耗的效果,而预计至年,这三家企业生产的汽车中镁合合的含量将高达每辆训。现在,车身上的大部分部件都可以由镁合金制造,北美正在使用和研制的镁合金汽车零部件有多种,福特公司年推出的。,用镁

13、合金做为散热器支架,不仅减轻质量,减少装配量,而且节省了发动机仓的空间。年,通用公司成功的研制了镁合金汽车轮毂,并在车上使用镁合金铸造仪表板,重仅磅,比以前散件组装的钢结构轻磅一。在欧洲市场上。汽车上的多种零部件如车座支架、油门踏板、音响壳体、电动窗电机壳体、升降器、后视镜架等都可以采用镁合金制造,德国大众汽车公司通过热冲压成形技术力工出了奥迫品牌的车内门板。日沈阳理二大学硕士学位论文本的许多汽车企业也将镁合金应用于手动变速杆以及座椅架的生产。另外,镁合金变速箱壳体、仪表板骨架、车门内框、车扶手也将在日本生产的汽车上得到广泛应用。褥霉鹳一盛.通信及电子设备。近些年来随着 、笔记本电脑等通讯、电

14、子设备的发展与换代,许多世界强企业将镁合金应用于自己的产品。在日本,从到年,分公司成功在款笔记本上使用了镁合金压铸外壳;在年,索尼公司在笔记本电脑外壳的制造中采用镁合金;在年,东芝公司推出了镁合金外壳的笔记本电脑,随后镁合金在笔记本外壳的使用在日:芩成为潮流。年以后、和等日本笔记本生产企业均推出了镁合金外壳机型。在欧洲,诺基亚有%的 壳体都是由镁合金制作的。在美国,摩托罗拉公司在其型号 外壳,蓝牙耳机外壳上都采用了镁合金材料,苹果公司也在其笔汜本电脑产品中大量运用了镁合金元素,并且在性能和销量方面都收到了良好的效果。医用材料。镁合金在医疗领域的应用经第苹绪论一?一?一历了间歇性的发展过程,早在

15、世纪镁合会就在医学领域有所应用,但由于当时的技术无法解决镁的易腐蚀特性.不久便被柬之高阁,随着镁合金表面处理技术的日趋成熟,其耐腐蚀性被大大提升,镁合金再次引起了医用材料领域的关注。镁合金作为医用材料具优于其他金属的一些优点一一弹性模量、密度与人骨相似优秀的生物相容性和可吸收性,不易产生遮挡效应,有勖于骨骼愈合。因此镁及镁合金被广泛作为骨固定材料,冠状动昧植入支架材料,骨组织工程多孔支架材料进行研究。镁合金在军用领域的主要应用有:武器制造。在轻兵器方面,法国采用镁铝合金研制成功了反坦克枪榴弹部分零件印,。未来战争要求机动性和快速反应,减轻武器装备重量是未来武器装备发展方向之一,如:旦克作战系统

16、未来乘员在。人,重量,能行驶天或不加淮,是现役坦克的倍,便于运输。减轻重量的途径除结构设计外,就是部分采用轻合金:扎法国轻型坦克,装甲救护车,采用轻合金缸体,缸盖:美国谢里登轻型坦克侦察车,变速箱体为铝.镁合会材料制威。随着镁及轻合金熔炼及制造技术的不断提高,在坦克和装甲帮分结枣穹件、导弹壳体和尾翼錾方面将得到广泛使用。我国“红旗”型地空导弹的尾舱、发动机支架和仪表舱等都使用了镁合金。另外,由于镁合金具有良好的电信号抗干扰性,在无线电通讯领域也将得到广泛地应用。航空航天。镁合金由于质量轻而被广泛地应用于国防、航空航天产品中,早在世纪年代就开发出了许多镁合金部件,如发动机曲柄箱发动机零件、气球吊

17、篮、客机座椅、起落轮。美军主力轰炸机.的机身的镁舍金含量达到公斤。法国塞德航空公司超级弗雷隆直:镁台金齿轮箱。铸件由合金制成,加银的镁合金可以使时效强化的合金较低的拉伸性能得到显著提高,在航空和航天方面已有一系列应用,例如飞机着落轮,齿轮箱盖和直升机水平旋翼附件。随着航空航天产业的飞速发展,一些大型飞机制造企业空中客车公司、阿来尼娅公制订了一系列针对航空航天器镁合金零件的性能要求,这必将导致市场对镁合金性能:;勺要求更加趋向于规范化和严格化,。沈阳理:火学硕士学位论文.镁合金塑性变形研究.镁合金塑性变形理论镁合金常见晶体结构为密排六方,其中/.,与霍擗六方/.的理论值非常接近。镁合金的主要滑移

18、系可分为基面、锥面和柱面滑移系,镁合金中原子最密排面为晶面,为镁合金基面,是最常见的滑移系。锥面滑移系为六个?面,柱面滑移系为三个.面。鹂黼酾黼断猕菇媾垮 辖.室温条件下,锥面和柱面等非基滑移系产生塑性变形的临务切应力比基面滑移系大很多,因此启动比较困难。以为界,当加工温度低二这个温度时,仅能产生基面滑移和.锥面孪生。当温度高于该温度时,?、.等锥面滑移才会启动。锥面滑移能减小镁单晶的塑性,从而使其塑性及加工性能得到改善,因此,研究非基滑移的启动条件对镁合金塑性变形性能的改善和塑性加工技术的发展其有积极的意义例。除位错的滑移外,晶体的变形还可以通过孪生来实现。孪生变形是晶体孪晶面的原子沿孪生方

19、向协同位移的结果,但是不同的层原子移动的距离也不同。对于密排六方结构晶体,由于滑移系较:少,孪生在塑性变形中起着十分重要的作用,虽然孪生切变量对变形量贡献很小,但可以作为滑移的一种辅助机制,通过调整晶体取向促进新的滑移发生,这样滑移和孪生交替进行?当垂直于基面拉伸或.第章绪论平行于基面压缩时在变形开始阶段处于硬取向,滑移难以发生,孪生在孪晶区域内发生,使得晶体取向发生偏转,当偏转至滑移可以发的取向时,晶体开始滑移。当晶体沿滑移面的上部分发生相对位移时,作用生晶体上的力轴产生相对错动,形成一个力偶,在这个力偶的作用下,晶体发生转动,直至滑移方向平行于拉伸方向,这时滑移和李晶都很难发生。在变形的过

20、程中,当孪晶达到一定比例时,在出生孪晶的内部可发生二次滑移:和二次孪生,、人.而产生一定的应变,但这些应变产生的能量并不足以弥补镁合金滑移系单一和;塑性各向异性的缺陷。所以,必须通过晶粒细化以及织构控制等柬促进其滑移、孪生的进行以及非基面滑移的启动和晶界滑移,从丽来改善、提高镁合金的塑性变形能力,尤其是低温乃至室温的塑性变形能力。织构对镁合金的力学性能和塑性变形均具有十分重要的影响。金属材料的力学性能及变形行为受其晶格结构的支配。然而,对于多晶体镁合金,材料的性能是与晶粒的排列方式密切相关的。当晶粒取向较为集中时,该取向称为择优取向,具有择优取向的晶体集合叫做织构。不同类型的织构在金属塑性变形

21、过程中形成,相比于面心立方和体心立方晶格的织构,密排六方晶格织构研究起步较晚,镁合金晶格为典型的结构,越米越受到机构研究者的关注。目前的研究发现,滑移面与/的值有关,镁的溺移酉为基面面,金,蔼的滑移方向为密集的方向,其孪晶面为一。在研究多晶体塑性变形对织构的影响时有一种假设:晶体只发生简单的位错滑移和机械孪生;剪切力促使晶粒发生应变和旋转;由晶粒旋转弓起的择优取向可反映晶粒的对称和强制变形。从而得出结论:合金元素的改变司以引起晶格常数和位锗特征的改变;变性机制在整体变形中所起的作用也将改变:晶淬的织掏也将发生改变。同时,与体心和面心立方结构晶体相比,密排六方结构晶体织构类型较多。金属可按/.的

22、金属镁、钛.孪生在釉拉僻时开动,轴压缩时,晶粒取和孪生平行于压缩方向。镁的/值与理想值.非常接近,故镁存在理想的基面织构。然而这种织构很少见,倒是与横句成±度的地方存在理想织构,这一现象的原因尚有待研究。沈阳理:大学硕士学位论文.镁合金塑性加工技术锻造。由于镁合金塑性特点,锻造成形较为困难,使其产口口殖、价高,价格贵,因此镁合金锻造加工的应用有限。镁合金在锻造加工上与铝合金有许多相似之处,如在锻件及模具设计,余量、公差、模锻斜度等。两者的不同之处在:由于流动性的差别,镁合金锻造时在内、外圆角半径及肋厚的尺寸设计上要比铝合金更大一些;镁合金锻造大都采用挤压坯料;镁合金锻造时要进行预热模

23、锻以防止锻造过程中材料与模具接触造成的激冷所引发的龟裂;镁合金对变也较快,因此当锻件形状较为复形速率较铝合金敏感,变形速率增大时塑一生杂时一般多采用多次成形工艺。锻造合金的种类和锻造压力决定了锻造温度,除少数硬质合金外,大部分镁合金的锻造温度范围为。不同成分的镁合金、等合金晶粒长在锻造过程中微观组织的变化也不尽相同,大速度较快,为抑制晶粒过大,可通过逐步降低锻造温度的方式来细化晶粒。锻间温度可调低。、晶粒长大速度较慢,而且尺寸有限口。锻后水淬可以防止再结晶和晶粒长大。镁合金锻件容易受变形方式、变形程度终端温度等多种因素的影响而表现出差异较大的力学性能特征,因此镁合金的锻造工艺具有很高的研究价值

24、,。挤压。挤压是指对放在模具模腔或挤压筒内的金属坯料施加强大压力,迫使金属坯料产生定向塑性变形,从挤压模的模孔中挤出而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法】。如墅?,挤压技术在镁合金棒材和型材成形中都有所应用。与挤压前的铸态镁合金相比,挤压后镁合金组织改善比较明显,但与其他热加工法比较,断面和长度上的组织表现为首部晶粒粗大,分布较不均匀,尾部晶粒细小;中心晶粒粗大,表层晶粒比较细小口。对于不同元素种类和产品形状,不同镁合金的挤压温度也不尽相同,但大体上都在的温度范围内。轧制。轧制是将金属坯料通过旋转轧辊的间隙,使其因受轧辊的压缩使材料截面减小,长度增加的压力加工

25、方法,是镁合金板材最常用能生产方法之一。温度对镁合金成形影嗡较大,在低温轧制条件一合金板材很难达到理想的压下量和延申率,丽渴度遗麓会增大板材的热脆性。实验结果表明】:当轧制温度低于时,成形性能较差,容荔现裂纹缺陷,而当轧制温度高于时,压下量最高达到了.%以上旦没有裂纹出现。目前,制工艺可分为普通轧制、异步轧制、交叉寸/。和等管:角铷。普遁聋乙镱争黾指轧制的各个道次都是沿着同一方向,由于加工方式使得晶粒沿寸 ,。方向拉长,容易导致严重的各向异性,降低成形件的总体力学性能。交叉轧制是指将板材在道次问依次旋转度所进行的轧制,这种方法降低了因道次方向相同所引起的各向异性,组织分布也较为均匀。异步轧制是

26、指轧机的工作辊分别以不同轧制速度对板;才进行轧制,以得到预期性能的产品。在其他条僻张嗣的睛况下,异步轧制相比于普通轧制有效降低了轧制压力,这样既可以降/。:程的总变形量又可以减少轧剖和退火次数,同时异步轧制还具有提高轧材尺寸精度和轧机薄轧能力的优点。等径角轧制是近年来发展起来的一种新颖的轧制成形工艺,其目的是:旬了使板材产生连续的剪切变形。. 等人霉。设计的,等径角轧制工艺既具有等径角挤压的优点还具有连续的生产能力,降低能源消耗田。.镁合金塑性成形微观组织理论与研究进展.镁合金动态再结晶镁合金动态再结晶机帝眵以分为连续动;蠡再结晶,续动态再结晶和旋转沈阳理:火学硕士学位论文再结晶。连续动态再结

27、晶是指在发生塑性变形的过程中,在晶界附近的应力集中最为严重的区域,开始形成了大量小角度晶界,这些小角度晶界在一定条件下的不断长大成为再结晶晶粒。非连续动态再结晶是指在位错运动的过程中,由于受到晶界的阻碍而形成大量塞积,拥有该晶界的晶粒的正常长大过程受到阻碍,因此与相邻晶粒的形变出现差异。大角度晶界在应变能的驱动下发生迁移,边界呈锯齿状,最终突出,动态再结晶晶粒得以形成。旋转再结晶是指与金属普遍的旋转再结晶机制相似,变形导致了镁合金将要发生动态再结晶形核的位置临近晶界的某些区域发生偏转,导致形核发生。一种观点认为镁合金旋转再结晶为连续动态再结晶的另一种表现形式,动态再结晶的发生主要受形核和晶粒尺

28、寸的影响:形核的影响因素有变形量,初始晶粒尺寸,变形温度和变形速度。在其他条件相同的条件下,变形量越大,动态再结晶百分数越大。初始晶粒越大越易发生不完全动态再结晶,初始晶粒越、,发生动态再结晶的概率越高。变形温度越高,变形速度越慢,动态再结晶的百分数越大。晶粒尺寸的影响因素有初始晶粒尺寸,变形温度与变形速度。实验证明,当初始晶粒达到一定尺寸时,再结晶晶粒尺寸会受到定的影响。同时变形温度越高,速度越慢,再结晶的晶粒尺寸越大。.镁合金的织构挤压织构:挤压产品的织构随断面形状的不同而有所区别。挤压板材时基面平行于板材表面,晶粒取向自由度较小。挤压圆棒时基面平行于挤压方向,晶粒取向自由度较大,晶粒可大

29、角度转动。织构强度随挤压温度的降低和挤压速度的增加而减弱。对于镁合金织构随挤压比的增大而减弱,而 镁合金当挤压比增大时,再结晶织构和变形织构表现出相反的变化趋势,再结晶织构强度增加而变形织构减弱。轧制织构:研究表明,异步轧韦工艺所产生的织构对镁合金板材的性能有明显的影响,李振等】研究了异速比对异少苹制镁合金板材组织和织构的影响,研究表明:在异步比引起的剪切变形的作用下,基面织构的强度随着异步比的增.第章绪论加呈现先增加后降低的趋势。等研究了织构受不同匿下量的影响,研究表明:基面织构,.织构,双峰织构分别在压下量为%,%和%时产生。向镁合金中加入钙,铈,稀±等无素可以改变镁合金轧制前后

30、的织构分布,目前这一研究方向成为镁合金轧制研览的热点。.有限元模拟在轧制方面的研究进展.有限元的基本思想有限元法其实是一种数值解法。实质是将求解大区域分解成多个几何形状较分析研究整个大区域。其基本鲶思维方式为:把所要分析的物理存在看成大量的、有限拘、简单的单元:集合,各个单元通过节点连接,将单元之间的相互作嗣通过节点来得以实现;分区对单元体赋予属性,用一函数软件自带或使写者编辑来定义一定空间范围内的单元体集合的物理属性如速度、位移,并通过定义新的属性将不同空间范围内的单元体集合所具有的物理属性联系起来。通过物理属性集合所有卑元体,得到一个与有限个离散点相关的总体方程。可通过该方程计算有限个离散

31、点上的禾稚量,以得到所求问题的近似答案。实际上,有限元法就是将具有无限自由度的连续体近似为具有有限个自由度的单元体合集,即用场量的分片插渣来近似,使问题能够得以简化以方便求解。.有限元法的应用和发展有限元法是基于计算机.、的发疑而应运而生的一一种高效和新颖的数值计算方法,是一种通过离散化连续体达到求解物理力学问题的重要方法,是计算力学的重要分支。最初有限元法是片二汁算飞行器的结构强度。即通过有限元法计算离散系统的弹性杆系问题。,乙卜年来,该方法逐步被用于求解弹性力学平面问题、静力学平衡问题,并被扩展用予板壳闽题、空问问题、稳定问题、动力问题。分析对象也变得多样化,从弹性材料至弹塑性.、粘塑性以

32、及复合材料。沈阳理:学硕士学位论文用于塑性成形模拟的有限元分析方法大体上可分为三种,即:粘塑性模式、弹塑性模式和刚塑性模式。粘塑性有限元法基本特点是采用的粘塑性本构关系,在接触表面布置一排很薄的单元来处理摩擦条件.,用罚函数法或取泊松比山田嘉昭导出的弹.塑性矩阵而发展起来的。其优点是能有效的处理卸载问题,对残余应力和应变进行计算,缺点是计算时间长,工作量大。刚塑性有限元是采用刚塑性材料模型基于变分原理求解金属成形过程的种数值计算:亏法,是由.李和小林史郎在年提出的。基于上述三种理论,利用有限元求解各类轧制的实践不断出现。早期,乖的研究奠定了早期弹塑陆有限元的基础,和提出了刚塑性有限元中的材料可

33、压缩法并用于轧制中,年对多道次轧制圆棒的变形和温度进行了模拟。近年来,随着塑性成形理论的不断完善的和计算机技术的发展,有限元模拟软件及二次开发日益成熟起来,为金属塑性成形的研究提供了良好的平台,出现了大量相关的文献:年. 等人通过有限元仂真和实验对比研究了轧制歹弋锈钢带】,年,江雄心等论述并开发了金属体积成形过程三维刚塑性有限元模拟系统,王欣利用【。,】通过有限元模拟分析了型钢的轧制过程,年,.将有限元分析方法引用到线材的成形轧制中;杜保军模拟研究了棒材轧制问题;年,曾淑勤和任波建立了径轴向轧环机的三维仿真有限元模型,模拟了矩形截面环件的轧制生产周期。.本课题研究目的与意义轧制是镁合金板、带材

34、较为。鬻用的生产方法,其中异步轧制由于其能耗低,轧制力较普通轧制轧制力小的优点,在镁合金轧制领域有着较深的可开发空间,为此近些年一些学者对其工艺及微观组织进行了有针对性的研究,镁合金异步轧制的相关文献数量逐渐增加,但迄今为止并没有取得具有突破性、在实际生产中能够得到普遍应用的科技成果。镁合金板材在实际生产中出现的一些问题,如高温轧制力学性能较差,室温轧制塑性差、易出现裂纹等现象并没有得到根本有效;冀害妊二,.二一 三,匕?一?一?一?一的解决。本文通过实验和数值模拟的方法,对镁合金扳材异步轧制变形过程中的微观组织演变、成形板材性能等开展了研究。沈阳理:大学硕士学位论文第章镁合金板材异步轧制数值

35、模拟。模拟工具介绍.软件.是一款功能非常齐全的高级非线性有限元软件的求解器,与?、等并列为应用最广泛的有限元模拟软件。.具有优秀的结构分析能力,可以处理多种线性和非线性结构分析。其中包括:频谱分析、线性/非线性静力分析、屈曲/失稳、模态分析、简谐响应分析、失效和破坏分析、随机振动分析、动力响应分析和自动的静/动力接触等。.中含有非常丰富的特殊单元、连续单元和结构单元单元库,几乎每种单元都被赋予了处理材料非线性,几何非线性和边界条件非线性以及组合的高度非线性的功能。关于结构分析的材料库包含了聚合物、复合材料、模拟金属、岩土、非金属等多种非线性、线性复杂材料行为的材料的模型。分析采用具有求解快速收

36、敛的高度非线性问题和高精度、高数值稳定性的求解技术。为了提高分析效率和计算精度,软件采用了,.种功能较为强大的自适匝加载步长控制技术,能够自动确定并分析动力、蠕变、曲屈、热弹塑性响应加载的步长。具有网格的自适应技术,以较多的误差准则来自动调节网格的疏密,在提升大型线性结构的分析精度的同时,还能对移动边界、接触分析、局部的非线性应变集中提供较为适合的网格密度,既能够保证计算的精度,也可以使兰线性分析计算的效率有所提高。而且可以支持全自动的三维网格和二维网格重划分,这可以纠正变形过渡所产生的网格的畸变,以保证大变形分析在变形过渡条件下可以继续进行。对非结构场的问题?包含相交潜热、辐射以及对流等边乒

37、较为复杂条件的非线性传热问题温度场,以及磁场、电场、流场、也提供了对应的分析和求解能力;具有模拟电一热一声结构、耦含电一热、电一磁、土壤渗流、流一热一固结构第章 镁合金板材异步轧制数值模拟等耦合场分析的能力。为了满足二次开发和高级耀户的特殊需要.:是供了使用较为便捷的开放式的用户环境。子程序的入基本上涵盖了有限元分析软件的所有环节,从模型的建立、网格的划分、边界条件的定义、材料的选择一直到分析求解、结果的输出、使用者都能够查;弼程序的缺省设置并加以修改。在软件原有功能框架下,使用者能够最大限度的扩展有限元软件的分昕能力。.软件矩阵实验室软件是团美国公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统

38、环境。在环境下,用户可以集成进行文件管理、图形绘制、程序设计、数值计算、输入输出等各项操作。为用户创造了一个可以人机交互的环境系统,该系统以矩阵为基本数据结构,在生成对象时,矩阵不需要对维数做出明确譬勺说明;因此与其他软件中数值计算的程序相比,可以节省大量的编程时恻。主要适用于信息处理领域的分析设计及矩阵运算,该软件内容丰富,运算高效,输入便捷,使用方便同时支持用户的自由扩展。当前已成为处于科学研究前沿的国家常用的科研软件÷主要由五个部分组成:的语言体系。是较为高级的数组语言,具有面向对象、数据结构、函数调用、输入输出、条件控制等程序语言特征。通过既司以大翅模的进行编程以开发较为复杂

39、的应用程序,又可以小规模的编程以完成算法实验和算法计算等基本的任务。应用程序接口。应用程序接口连为使暖者所提供的一座螽数库,使用者可以在的环境中应用。或者程序,包括从软件中调用或者读写该软件文件的多种功能。的数学函数库,数学函数库是对该软件使用的多种数学算法的统称,既包括多种初等数学函数的算法,又包括矩阵分析、矩阵运算等高层次数学算法.的二作环境,工作环境是指该软件为提高用户使用的管理功能的总称,如管理、调试、开发文件的各类工沈阳理工大学硕士学位论文?一?一具,以及管理工作空间中变量输入、输出的各种方法。图形句象系统。图形句象系统包括用户对图像图形等对象进行野性控制的底层命令,同时还包括及图形

40、显示、图像处理、数据图示以及动画生成等功能的高级命令,以及开发等应用程序的多种工具,是图形系统的基础。.模拟流程首先通过有限元模拟软件对镁合金板材异步轧制过程进行了模拟,选择较为理想的工艺参数,输出该参数下得到轧后板材某一声点处的应变随时间的变化数据,然后将模拟数据带入粘塑性自洽模型中计算出晶体的偏转角度欧拉角,最后将所得数据通过软件进行处理,绘制出极图。模拟流稗如图.所示:轧制过程模拟审工艺参数选择士输出模拟结果图.织构演变模拟流程 .。第章镁合金板材异步轧制数值模拟.轧制板材有限元模型的建立.几何模型的建立根据轧机和轧件的实际尺寸对异步车制过程进行了模拟。为了减少计算机的运算量,考虑轧辊和

41、轧件的均匀性、对称链,设定轧制时:件轧向中心线处于轧辊的正中间,将轧件和轧辊共同的纵向中心面作为对称面这样就可以仅仅通过建立半个模型而研究整个系统。模型分为四个部分:上、下轧辊,板材,推板用来推动轧件,前处理中给推板设定一个速度,使板材能够触:的咬入轧辊。模型的建立遵循从简单到复杂的原贝。首先建豆二二维模型图.,然后扩展成三维立体,其中各个部分尺寸均参照试验时的真实尺寸,上、下轧辊尺寸为,坯料尺寸为。/一一一、“赫,.、谲赫滋两甄:、 ,。、/,?.?。一一一一.?一?一?.?一?.一.一一,. .前处理的设定材料性质定义。软中年率没有将奠镁合金材料漠型歹入其材料库中,沈阳理:入学硕士学位论文

42、因此需要自己通过实验数据来定义材料性质。实验所用镁合金为弹塑性材料,应力应变曲线、比热、热传导系数、热膨胀系数、泊松比、杨氏弹性模量等都需要自行定义。其中,定义质量密度为. /、泊松比为.;定义杨氏弹性模量、应力一应变曲线、热膨胀系数、比热容、热传导系数:勾随温度变化的曲线,以镁合金实验数据定义线膨胀系数曲线。轧件材料为镁合金,其热力学性质如图.所示。网格划分。划分轧板网格,由于模型结构简单,只需要设定轧件的网格为.观察定义后没有对模型外形产生影响。接触条件设定。设定上、靠辊分别绕自己旋转中心以实验需要的角速件在推板推动停止前能够顺利的咬入轧辊,并在摩擦力的作用元。:成轧制过程,推板进给速度应小于轧辊转速,以保汪咬入后板材不会再受到推板的影