【摘 要】
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金属复合板是通过某种加工工艺将两种及两种以上金属复合而成的材料,具有各组元的优势。铜/铝复合板既拥有铜高导电率、美观的优点,又具有铝密度低、价格低廉的优势,广泛应用于电子电力、航空航天、冶金、造船等领域。以往传统轧制方法制备的铜/铝复合板板形较差、结合强度低。近几年,采用特殊辊型制备铜/铝复合板的波纹轧工艺引起大量关注。与传统轧制方法相比,该工艺制备的复合板更加平直,且能在较小的压下率下实现复合,
【基金项目】
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国家重点研发计划,高品质金属复合板高效制备原理与技术基础,2018YFA0707300,中华人民共和国科学技术部; 国家重点研发计划(2018YFB1308700); 国家自然科学基金(51904206),变厚度轧制非稳态过程中力能和变形参数的变化机理研究; 国家自然科学基金重点项目,镁铝层合板波
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金属复合板是通过某种加工工艺将两种及两种以上金属复合而成的材料,具有各组元的优势。铜/铝复合板既拥有铜高导电率、美观的优点,又具有铝密度低、价格低廉的优势,广泛应用于电子电力、航空航天、冶金、造船等领域。以往传统轧制方法制备的铜/铝复合板板形较差、结合强度低。近几年,采用特殊辊型制备铜/铝复合板的波纹轧工艺引起大量关注。与传统轧制方法相比,该工艺制备的复合板更加平直,且能在较小的压下率下实现复合,为提高铜/铝复合板质量提供了一种新思路。目前关于波纹轧工艺的研究主要聚焦在变形后复合板的性能与微观组织方面,而复合板在复杂波纹辊缝中的受力情况、金属流动规律及组织演变尚需清晰的阐释。本文针对波纹轧制备铜/铝复合板的过程,创新性的从时间和空间两个角度进行了分析,主要内容及结果如下:(1)利用二辊轧机进行了铜/铝复合板波纹轧实验,建立了波纹轧制备铜/铝复合板的三维有限元模型。将模拟中的轧制力和复合板厚度与轧制实验中的轧制力和厚度进行对比,验证了有限元模型的准确性,该模型可用于后续分析轧制过程中的受力变化以及金属流动规律。(2)沿轧制方向提取波纹轧变形区内的应力、应变,从空间角度分析轧制过程中特征位置的受力特点。铜板上表面正应力在波谷位置取得极大值(为1306.28 MPa),在波峰位置取得极小值(为951.62 MPa)。剪应力的分析结果表明,波纹轧过程中引入了较强的剪切力,促进了铜板和铝板的变形与表层金属破裂,使复合板结合界面产生了良好的冶金结合。此外,复杂应力变化主要集中在铜板上。(3)通过急停轧机获得波纹轧过程中的轧卡试样,并对该试样进行了剥离实验。采用扫描电镜获得了铜板上粘结铝的形貌与质量分数,进一步从空间角度分析各位置的结合情况。由于波峰处压下量较小,此处粘铝量较少(质量分数为28.6%),结合强度较差;波谷处压下量较大,产生了较为牢固的结合,粘铝量较多(质量分数为45.0%);前波腰位置在搓轧作用下,产生了牢固的冶金结合,同样有大量的铝粘在铜侧(质量分数为42.9%)。(4)在轧制前期,应力变化较为复杂,此阶段为金属填充波纹辊阶段;在轧制后期,应力变化趋势相近,此阶段为铜板和铝板共同延展阶段。结合有限元模型中前波腰、波峰、后波腰和波谷位置的变化,分析轧制过程中的金属流动规律。在填充阶段,前波腰、波峰、后波腰和波谷金属在铜板上下表面位置发生相对变化,到了延展阶段,其位置相对不变。(5)采用扫描电镜观察了轧制过程中各特征位置的微观结构,并结合有限元模拟结果分析微观组织的变化规律。与初始铜板中的晶粒相比,各特征位置的晶粒均发生细化。此外,波谷位置晶粒在延展阶段发生了长大,这是由于波谷位置在延展阶段产生了剧烈的塑性变形,并且其应力变化速率较大,产生了绝热温升的现象。在这种条件下,发生了没有形核过程的晶界迁移,导致波谷位置晶粒长大。
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