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冷轧铜/铝复合板的表面处理工艺与复合模型研究

冷轧铜/铝复合板的表面处理工艺与复合模型研究

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作者：韵宇亮太原理工大学

学位级别：硕士

作为一种由两种或两种以上金属组成的先进工程材料,层状金属复合材料满足了人们对高韧性、高导电性、耐腐蚀性和抗疲劳等性能的全面要求而得到快速发展。由于高效的工作效率,轧制复合逐渐成为应用最广泛的制备层状金属复合板的方法。但... 详细信息

作为一种由两种或两种以上金属组成的先进工程材料,层状金属复合材料满足了人们对高韧性、高导电性、耐腐蚀性和抗疲劳等性能的全面要求而得到快速发展。由于高效的工作效率,轧制复合逐渐成为应用最广泛的制备层状金属复合板的方法。但轧制复合板的结合质量和结合机理是长期以来困扰研究者的两大难题。根据薄膜理论,表面预处理工艺对板材复合质量具有重大影响。本文以冷轧铜/铝复合板为例,通过实验研究结合有限元仿真计算,揭示表面预处理在轧制变形过程中发挥的重要作用,并通过对多种表面处理工艺进行评估,确定最优工艺参数。此外,针对冷轧铜/铝复合板的结合机理认识不清的问题,基于对轧制实验过程中界面金属流动行为的认识,提出一种能够在仿真计算中实现异种金属复合过程的计算模型,并分阶段对冷轧变形过程的界面组织结构进行研究,进一步加深了对冷轧复合机制的认识。首先,研究表面处理形貌对冷轧铜/铝复合过程的影响。作为冷轧的前处理工序,机械打磨在清洁待结合金属表面的同时,也使得金属表面出现高低起伏的条纹状波纹形貌,由此对铜侧表面的开裂与原始铝材的挤压与侵入产生重大影响。在本研究中分别进行对铜侧表面平行轧向打磨和垂直轧向打磨的轧制实验,并通过有限元软件构建包含相应的界面形貌的轧制模型。实验与模拟结果发现在轧制变形中平行轧向打磨产生的界面形貌受到更大的轧向拉伸作用,铜侧剥离面表现出更多的粘铝量和粗大的铝脊形貌,这表明平行轧向打磨更利于铜、铝板材的结合。此外对比铜侧剥离面的元素比例和组织结构发现,相比于砂纸打磨,电动旋转钢刷打磨的效率高,清洁度高,铝元素占比显著提高,由21.4%增加到39.6%,产生的密集的铝脊形貌更利于铜铝复合质量的提高。其次,基于Lemaitre连续损伤理论构建了一种新的轧制有限元模型。考虑到轧制成形过程界面金属的复杂受力状况,将原始Lemaitre模型中的损伤演化常数S修正为关于lode参数和应力三轴度的函数,提高模型对低应力三轴度和剪切主导下断裂的预测精度,此外引入压缩闭合效应对损伤演化的影响。通过拟合单轴拉伸和平面剪切实验的力-位移曲线对模型参数进行标定,并通过Abaqus-vumat材料子程序进行二次开发。最后,构建冷轧铜/铝复合板复合模型并进行验证。通过在仿真计算中引入Lemaitre损伤模型表征铜表面加工硬化层的损伤开裂,以铜、铝金属基体接触为复合判据,精确模拟表层金属开裂、基体金属被挤压穿过裂纹和基体金属间互相接触而结合的动态过程。不同初始厚比(1:2,1.5:1.5,2:1)的铜/铝复合板的轧制实验和模拟结果在轧后板形翘曲程度和组元金属厚度比例上表现出良好的一致性,两者的最大误差仅为5.7%,验证了模型的有效性。该有限元模型准确反映了轧制过程中双金属的协调变形和复合过程,揭示了大塑性变形下异种金属界面的复合机制。此外,通过对仿真计算中界面单元的变形行为和轧制实验中界面裂纹的演化规律进行研究,为冷轧铜/铝复合板的复合机理提供科学解释。

关键词：铜/铝复合板表面处理工艺复合机理有限元复合模型 vumat二次开发

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GH4169辊轧叶片断裂模型研究及成形过程仿真

GH4169辊轧叶片断裂模型研究及成形过程仿真

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作者：赵天智东北大学

学位级别：硕士

叶片作为应用较为广泛的薄壁件,在航空发动机、燃气轮机中起到了至关重要的作用。由于叶片的曲面复杂,且要求在高温高负载的恶劣工作环境工作,因此成形件必须要有较高的强度与疲劳性能。辊轧工艺除了能满足叶片成形件性能要求,还具有技... 详细信息

叶片作为应用较为广泛的薄壁件,在航空发动机、燃气轮机中起到了至关重要的作用。由于叶片的曲面复杂,且要求在高温高负载的恶劣工作环境工作,因此成形件必须要有较高的强度与疲劳性能。辊轧工艺除了能满足叶片成形件性能要求,还具有技术成本低、制造周期短的特点,因此该工艺往往用于加工航空叶片。然而辊轧成形过程中,由于毛坯件初始结构、材料自身属性、工艺参数等等因素,导致成形件会出现裂纹等缺陷,因此通过数值模拟的手段研究辊轧过程中裂纹产生规律与关键区域成形机理具有重要的意义。本文以某种无榫头叶片为研究对象,以GH4169材料为依托,借助ABAQUS平台模拟叶片成形过程中裂纹出现的位置区域以及研究外部因素与内部因素对裂纹产生的作用规律,并研究其对叶片关键区域成形的影响。本文首先选择带有等向强化系数C的混合硬化模型作为本构模型。为了提升计算效率使用显式径向返回算法作为混合硬化模型的vumat开发方法,并在该模型中添加MMC模型作为损伤判据,在ABAQUS平台中建立叶片辊轧有限元模型进行分析。采用仿真与实验相结合的手段,结合最小二乘法求解出MMC模型中未知参数。将开发完毕的模型模拟某一 GH4169材料的缺口拉伸试验,得到模拟后的位移负载曲线与实验所获取的相对比误差在5%以内,证明该模型开发正确且适用于GH4169材料。运用控制变量的方法分析外部工艺参数压下量、辊轧速度与咬入位置以及内部参数等向强化系数对损伤的影响。外部工艺参数对损伤影响最大的是压下量、其次是辊轧速度,而咬入位置几乎无影响。当等向强化系数增大时,而工艺参数不变时产生的损伤程度越低。并对关键的损伤特征区域的最大等效应力以及等效塑性应变的展开分析,得到该区域的叶片辊轧成形的规律:压下量的增加会促使等效塑性应变与最大等效应力增加,且等向强化系数增大后会对金属流动产生一定的阻碍作用,但等向强化系数的阻碍作用随着压下量的增加降低。辊轧速度的增加会使得等效塑性应变与最大等效应力先降低再升高,且等向强化系数增大后会对金属流动产生一定的阻碍作用,并且辊轧速度增大该抑制作用先是增大再减小。

关键词：叶片辊轧成形 vumat二次开发韧性断裂有限元数值模拟

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