3104铝合金热轧组织演变的数值模拟研究

作     者：蒙春标 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张辉

授予年度：2009年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：3104铝合金 热轧 热变形 数值模拟 本构方程 再结晶 

摘      要：3X04(3004、3104、3204)铝合金是主要的罐体材料,属于A1-Mn-Mg系不可热处理强化铝合金,其热轧开坯及终轧制度对易拉罐板材的性能有重要影响。本文采用热变形模拟与数值模拟相结合的方法对3104铝合金热轧过程的显微组织演变进行研究。 在Gleeble-1500热模拟机上对3104铝合金进行热压缩变形实验,变形温度为300～500℃,变形速率为0.01～20 s-1。结果表明:在低应变速率(≤1s-1)条件下,流动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(≥10s-1)条件下,随着应变的增加,流动应力出现锯齿波动,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:可以采用双曲正弦来描述3104铝合金高温热压缩变形流变行为,热变形激活能215 kJ/mol。计算峰值应力与实测峰值应力之间的相对误差在±10%之内。 利用Gleeble-1500热模拟机,在变形温度为400℃和500℃,应变速率为0.01 s-1和0.1s-1,道次间停留时间在30～120s对3104铝合金进行双道次等温压缩实验,并通过力学软化法和金相组织对比,建立了3104铝合金热轧再结晶动力学模型。结果发现,3104铝合金道次间软化率随着变形温度和保持温度的升高和道次间停留时间的延长而增大,该合金高温停留时容易发生静态再结晶。因此,3104铝合金多道次轧制过程中的再结晶程度控制,除控制热轧变形工艺参数外,还应严格控制道次间的停留时间和保持温度等工艺参数。 以1100铝合金工业热轧的现场实测数据为依据,运用塑性有限元法探索了铝合金热轧合理的边界条件参数。发现工件的温度场主要受热传导系数的影响,当工件速度达到轧辊线速度的90%以上时,摩擦因子对工件温度场的影响可以忽略不计。同时还给出了热传导系数与接触压力之间的定量关系。 通过引入热变形过程得到的材料本构模型、再结晶动力学模型和边界条件,以及对有限元软件DEFORM-3D的二次开发,实现了3104铝合金多道次热轧过程的热-力-组织耦合分析。模拟结果表明:在多道次热轧过程中,由于外摩擦和变形区形状因子的作用,使得变形不均匀,造成再结晶百分数沿轧件厚度分布也是不均匀的,在前面的道次上,轧件表面附近因发生较大的塑性变形而观察到较明显的再结晶行为,随着道次的增加,轧件心部才发生较明显的再结晶行为,使再结晶得以贯穿整个厚度。