7050铝合金触变轧制过程的数值模拟与实验研究

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作为一种先进的金属成形方法,半固态加工技术集液态金属加工的成形性好和固态金属加工成形的力学性能好等优点于一体。为了研究触变轧制过程固液相协同变形机理并获得性能优良的轧制带材,本文对7050铝合金触变轧制工艺进行了较系统的研究,首先采用应变诱导熔化激活法(SIMA)制备半固态坯料,将半固态坯料加工成一定尺寸的圆柱形试样,再在Gleeble-3500试验机上进行触变压缩实验,分析了流变应力特征以及压缩过程中显微组织的演变过程,建立了7050铝合金触变变形的本构模型;然后基于MSC.MARC平台对7050铝合金的触变轧制过程进行了有限元模拟;最后对半固态7050铝合金的单道次和多道次触变轧制成形工艺进行了研究。主要研究结果如下:采用热挤压作为预变形方式的SIMA法制备出较理想的半固态7050铝合金坯料,最优的工艺参数为:挤压比11.11,等温温度585℃,等温时间25min。在半固态等温中期,由于不同曲率所致的局部熔化或凝固,使得固相颗粒各处的曲率逐渐趋于一致,而且导致小颗粒消失和大颗粒球化。在此过程中,固相颗粒平均直径与等温时间近似满足方程:d2.5d2.50=Kt,其中K值在585℃和595℃时分别为68.65um4/s、89.948um4/s,这也说明随着温度升高,颗粒的粗速率会增大。在Gleeble-3500热模拟试验机上对半固态7050铝合金试样进行了单向压缩试验,得到其触变变形的真应力-应变曲线。通过温度跳跃实验、应变速率跳跃实验以及不同变形量的压缩实验,证明7050铝合金的半固态压缩流变应力与温度、应变速率以及应变具有相关性,在此基础上通过回归分析建立了半固态7050铝合金触变变形的粘塑性本构模型。此外,对半固态7050铝合金和常规铸造7050铝合金压缩变形时液固相协同变形规律的研究表明:变形量、变形温度和应变速率对显微组织变化和液相分布有显著影响;而且由于半固态合金和铸造合金在显微组织上的显著差别,其裂纹的扩展过程也不一样,即分别对应固-液分离过程和固-液、固-固混合分离过程。7050铝合金触变轧制过程的数值模拟结果表明:轧制力模拟值与实验值基本相符,变化趋势也基本相同,说明所建立的本构模型基本上是合理和正确的。通过正交设计与有限元数值模拟技术结合,获得对带材轧后温度梯度及轧制力有显著影响的工艺参数,即轧辊温度、坯料温度、压缩率、轧辊直径。在单道次触变轧制过程中,带坯的变形强烈依赖于液相分数,对轧辊进行适当的预热可以显著降低轧制力。轧制后带材中心的液相量随轧制温度的升高而增多,固相变形量减小。当轧制温度和轧辊温度一定时,随着变形量的增大,轧制后带材心部的颗粒明显被压扁,液相流向带材边缘。当轧辊温度为350℃,轧制温度为540℃,变形量达到50%时,轧后带材的维氏硬度达到最大值324.5HV。在多道次触变轧制过程中,带坯中的球形颗粒发生塑性变形而呈扁平状。在540℃两道次触变轧制后,带材的抗拉强度为472MPa,延伸率为9.8%,其拉伸试样的断裂方式为微孔聚集型断裂。
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