晶粒尺寸效应对铜极薄带轧制变形机制影响的模拟研究

采用退火态轧制铜箔为原料,进行晶粒尺寸效应的箔轧实验和晶体塑性有限元模拟。基于率相关晶体塑性理论,开发用户材料子程序(UMAT),建立轧制铜极薄带的晶体塑性有限元模型,改进Voronoi图种子生成的随机性,建立反映晶粒形貌、晶界不规则性的多晶极薄带几何模型,并编写赋予多晶取向的算法,用以控制多晶取向及织构分布,研究晶粒尺寸效应对其变形机制的影响。结果表明:在铜极薄带中尺寸较小晶粒中产生的剪切带相对于尺寸较大晶粒中产生的要均匀,可较好地减小变形局部化;不同晶粒尺寸铜极薄带的滑移系启动和累积滑移存在显著差异,启动的滑移系随晶粒尺寸的减小而增多;表层晶粒和内部晶粒的约束差异导致变形后晶粒取向主要绕横向(TD)进行旋转,旋转角度和极点分散度随晶粒平均尺寸的减小而减小。箔轧实验和模拟得到的轧制力-晶粒尺寸曲线基本一致,即晶粒取向对轧制力的影响随晶粒平均尺寸的减小而减弱。     

Cu极薄带轧制中滑移与变形的晶体塑性有限元模拟

为了定量描述晶粒取向和结构对极薄带轧制微观塑性变形非均匀性的影响,采用晶体塑性有限元方法(CPFEM)和Voronoi图的多晶模型,考虑试样尺寸、晶粒尺寸、晶体取向及其分布,模拟了不同厚度Cu极薄带在相同压下率条件下的滑移与变形行为,得到了介观尺度上Cu极薄带的微观应力-应变和启动滑移系分布.模拟获得的应力-应变曲线和实验测得的曲线基本一致,验证了晶体塑性有限元模型的准确性.通过对40%压下率Cu极薄带轧制变形的研究表明,无论是在晶粒内部还是在晶粒间,材料内部的变形都非常不均匀,这种不均匀性主要是由初始晶粒取向和结构不同、近邻晶粒取向差以及变形时滑移系的运动特性和晶粒旋转不同引起的.滑移系首先在自由表面和晶界处被激活,而后引起晶粒内部滑移系的启动与运动.     

极薄带微轧制中的尺寸效应

试验发现冷轧纯铝、纯铜和低碳钢极薄带时,当轧件厚度减薄到特定的阈值以下,发生了抗拉强度随轧件厚度减薄而降低的尺寸效应。介绍了极薄带轧制时发生尺寸效应的现象,简要分析了尺寸效应产生的原因,给出了典型金属材料出现尺寸效应的阈值,并对轧制极薄带时发生尺寸效应所带来的有益效果—超延展现象进行了介绍。     

基于晶体塑性有限元模型的异步轧制纯铜箔变形行为晶粒统计效应（英文）

采用一种真实的多晶集合体模型和晶体塑性有限元模型,研究异步轧制纯铜箔塑性变形晶粒统计效应。考虑局部硬化耗散作用,根据取向分布函数在取向空间中的分布规律将晶体取向分配给各个晶粒的单元积分点,建立弹塑性大变形条件下的相关多晶体塑性模型,并将其引入隐式有限元法。对非均匀材料流动、铜箔厚度一定时接触压力和轧制力随晶粒尺寸增加而降低的变形行为进行研究。结果表明,在箔材厚度方向上只有少数几个晶粒时,晶粒尺寸、形貌和取向不再均匀分布于箔材中,材料的变形行为主要受到单个晶粒变形行为的影响,从而导致非均匀变形及模拟和实验结果更加离散。研究变形过程中滑移系的启动过程,晶粒取向对滑移系的启动和滑移带的形成具有重要影响,预测结果与表面层模型一致。随着晶粒尺寸的增加,表层晶粒效应增大,更加有利于降低轧制力和激活表层晶粒内滑移系的开动。通过箔材轧制实验和模拟,可以更加深入地理解异步轧制极薄带微塑性变形的机理。     

空心件带芯棒轧制与空心轧制成形过程的比较分析

对三辊楔横轧空心件带芯棒与空心轧制的复杂变形特性开展了实验研究,通过有限元仿真,比较分析了带芯棒与空心轧制时轧件的内部应力、应变场以及晶粒尺寸,分析表明,带芯棒轧制时不仅可以得到了等内径空心件,而且晶粒细化更能满足轴类零件的力学性能需要。     

三辊楔横轧空心件热变形时微观组织的研究

利用非线性有限元建立了金属成形过程中热、力、组织相互耦合的刚塑性有限元模型,采用该模型对三辊楔横轧空心件成形工艺进行仿真计算,得出不同阶段轧件的晶粒尺寸变化规律.在此基础上,应用正交实验法探讨了空心坯料轧制时壁厚、断面收缩率、轧制温度对晶粒尺寸的影响.结果表明:轧制温度对晶粒尺寸影响显著,其次依次为肇厚、断面收缩率.     

工业纯铝在室温和深冷轧制条件下的微尺寸效应

对1060工业纯铝分别进行室温轧制和深冷轧制,取成品厚度为300、200、100、50和25μm 5组试样进行拉伸试验。结果表明,经过室温轧制的轧件,当其厚度减薄至100μm时出现微尺寸效应,即厚度大于100μm时随厚度减小抗拉强度增大,厚度小于100μm时随厚度减小抗拉强度减小;发现100μm是纯铝室温轧制时出现尺寸效应的临界值。与室温轧制相比,经过深冷轧制轧件微尺寸效应的临界值相同而表现形式不同,厚度小于临界值100μm后其抗拉强度随厚度减小而增加的速度加快。在相同厚度条件下,深冷轧制后的轧件比室温轧制的晶粒内部亚结构更细小,分析认为这是其强度高于室温轧制的一个原因。     

中厚板轧制过程的数值模拟

以L245级管线钢材料的热物性参数(密度、泊松比、杨氏模量、热膨胀系数、热导率和比热)和热模拟压缩实验获得的高温变形时应力—应变曲线等试验数据为基础,在MSC.Marc软件中建立了该钢种材料数据库,并建立了中厚板多道次轧制过程的二维有限元模型。以铸坯厚度为220mm、成品厚度为25.4mm的热轧过程为例,通过对轧件与轧辊接触面间换热系数采用取不同常数值的方法,并依据其生产时所采集的各道次相关工艺参数,对该轧件全道次热轧过程进行了数值模拟,将各道次的轧制力计算值与实测值进行了分析比较,确定了轧件与轧辊间接触面换热系数的最佳值。利用本文模型对厚度为180mm的轧件单道次轧制过程进行了数值模拟,研究了不同变形工艺参数(轧制温度、道次压下率和轧制速度)对变形区等效应变和等效应力的影响。结果表明,在轧机设备能力及生产现场条件允许时,高温粗轧阶段纵轧道次可采用低速大压下率进行轧制成形,使变形较充分地向轧件芯部渗透,从而使钢板获得细小均匀的晶粒组织,有效改善钢板的强韧性能。     

基于Deform高线粗轧奥氏体晶粒细化研究

本文结合GCr15再结晶模型, 根据轧线实际孔型参数、轧线布置与轧制程序, 采用刚塑性有限元法, 利用模拟软件Deform对轴承钢线材GCr15粗轧进行了三维有限元模拟, 分析总结了粗轧过程中轧件温度场、等效应变和应变速率的变化规律, 得出粗轧过程动态、亚动态和静态再结晶的百分数和对应晶粒尺寸, 揭示了轧件在粗轧过程中再结晶规律及奥氏体晶粒细化规律, 并且证实了初始晶粒尺寸对粗轧过程奥氏体晶粒细化的影响规律。     

GH4169异型材单轧槽轧制工艺

采用轧制工艺生产GH4169合金异型材,结合实验条件,基于有限元模拟软件建立了单轧槽少道次轧制过程的三维刚塑性有限元模型。采用异型坯作为坯料,分析了轧制过程中孔型充满度、变形温度、等效应变和等效应力的分布情况。模拟结果表明,采用Φ160 mm×200 mm轧机时,初轧温度为1070℃,断面收缩率为45%,单轧槽两道次轧制成形,孔型充满度良好,等效应变约为0.3~1.4。结合模拟结果,在轧机上进行了热轧实验,轧件厚度满足尺寸要求,宽度比成品小2 mm,没有发生晶粒细化。这主要是由于多火次、多次数轧制,使得加热引起的晶粒长大程度大于小变形量引起的晶粒细化程度,使得晶粒未细化,宽度不够。     

黄铜箔拉伸屈服强度的尺寸效应

为了研究金属箔的塑性变形性能与尺寸的相关性,在常温下对不同厚度和晶粒尺寸的黄铜箔试样进行了单向拉伸实验.结果表明:随着厚度或晶粒尺寸的减小,箔的屈服强度都会升高,晶粒尺寸对屈服强度的影响满足Hall-Petch细晶强化关系,厚度减小使屈服强度升高也可以主要归结于晶粒尺寸的减小.此外,当箔的厚度小于100 靘时,厚度/晶粒尺寸比不能表征屈服强度的尺寸效应.     

累积叠轧焊法制备超细晶纯铝的研究

采用累积叠轧焊方法在室温下对1060纯铝进行剧烈塑性变形，并分析1060纯铝变形前后内部微观组织结构的演变和力学性能的变化。实验结果表明，随着累积叠轧道次的增加，层界面复合越来越紧密，5道次后出现母材基体的相互渗透；材料的抗拉强度和硬度得到大幅度提高，伸长率在1道次时急剧下降，然后基本保持不变；晶粒尺寸急剧细化，等效真应变为6．4的条件下得到了平均晶粒尺寸为400nm的超细晶组织。     

二辊周期式轧管机孔型设计

根据轧制管材过程的变形特点,并结合单向拉伸曲线,提出设计孔型直径Dx的新方法。设计的各截面壁厚及孔型直径逐渐减小,而面缩率随着行程的增加而增加,但增量逐渐减小,以弥补金属加工硬化引起的塑性下降不足。结果表明,工作锥截面相对变形量沿轧制长度方向逐渐减小,可以充分利用金属的塑性,而且工作锥各截面的轧制压力总体变化不大,且最大压力分布在中间位置,有利于轧制变形。     

异步热轧铝合金厚板的剪切变形和板形控制

异步轧制技术作为一种制备高性能超细晶材料的剧烈塑性变形方法主要应用于箔材和带材的生产。通过调整轧机上下辊的辊径实现异步轧制,采用该技术制备5182铝合金热轧厚板,并研究剪切变形和板形控制。结果表明：异步轧制对金属塑性流动具有重要影响,并在一定程度上细化微观组织,提高组织、性能的均匀性,异步轧制也可以降低轧制力。在异步轧制过程中经常出现轧板弯曲现象,同时探讨了影响轧板弯曲的因素。     

微细薄板尺度依赖的材料本构模型的构建(英文)

通过表面层理论和金属晶体塑性变形原理解释微细薄板材料在塑性变形中产生尺寸效应的内在机理。引入尺度参数,对经典的Hall-Petch公式进行修正,建立基于表面层模型理论的尺度依赖材料模型。利用所建立的材料模型分析微细薄板厚度及其晶粒尺寸对材料成形流动性能的影响。在晶粒尺寸一定的情况下,随着微细薄板厚度的减小,材料流动应力逐渐降低;晶粒尺寸越大的微细薄板,其流动变形的尺寸效应现象越明显。利用不同厚度的不锈钢和纯铜箔材的微细薄板拉伸真应力-应变曲线对所建立的材料模型进行验证,计算结果与实验结果比较吻合,验证了所建立的材料模型的合理性。     

Symmetric and Asymmetric Rolling Pure Copper Foil: Crystal Plasticity Finite Element Simulation and Experiments

A systematic study has been conducted aiming to attain an insight into the influence of coefficient of roll speed asymmetry, crystal orientation and structure on the deformation behavior, and crystallographic orientation development during foil rolling. Simulations were successfully carried out by using crystal plasticity finite element method(CPFEM),and a novel computational framework is presented for the representation of virtual polycrystalline grain structures. It has been found that asymmetric rolling(ASR) is more efficient in producing plastic deformation since it develops additional shear strain and activity of slip system compared with symmetric rolling(SR). For ASR, increase in the length of the shear zone, and decrease in the amount of the pressure and roll force would lead to further reduction. The shear strain path in SR and ASR is strictly influenced by the misorientation of neighbor grains, and corresponding {1 1 1} pole figures offer direct evidence of the spread of crystallographic orientation around the normal direction. The activity of slip systems was examined in detail and found that the predicted results are consistent with the surface layer model. The accuracy of the developed CPFEM model is verified by the fact that the simulated results of roll force coincide well with the experimental results.     

张力对大宽厚比铝箔板形的影响

将有限元静力分析软件ANSYS/Multiphysics对铝箔辊系的计算结果———工作辊辊形作为已知辊形,利用有限元显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA,将工作辊视为刚性体,轧件作为变形体,分别模拟了大宽厚比条件下(宽厚比为1656、3118)0.32mm、0.17mm厚度的铝箔轧制过程,得到了改变前后张力时,两种厚度铝箔不同的板形,分析了张力变化对两种厚度铝箔板形的影响,提出了铝箔轧制宜采用的最佳张力制度。     

AZ31镁合金铸轧和常规轧制板的变形组织及形变特征

在变形温度为150～400 ℃、应变速率为0.3～0.000 3 s~(-1)条件下,在Gleeble1500热模拟机上采用等温拉伸试验对AZ31镁合金铸轧和常规轧制板的高温塑性及组织演变进行研究.结果表明:两种AZ31镁合金板的峰值应力和峰值应变均随着变形温度的降低和应变速率的增加而逐渐增大.铸轧板的应变硬化指数和应变速率敏感系数均大于常规轧制板的.在高温低应变速率变形条件下,铸轧板的晶界滑移引起的空洞尺寸、体积分数和密度均大于常规轧制板的.低应变速率下拉伸变形后的动态再结晶晶粒尺寸随温度的升高逐渐增加;不同变形条件下铸轧板的晶粒尺寸均小于常规轧制板的;再结晶晶粒尺寸和Z参数呈幂律关系.     

多重旋转碾压对铝合金搅拌摩擦焊缝表面的影响

运用快速多重旋转碾压（FMRR）在室温下使搅拌摩擦焊缝表面发生塑性变形,晶粒在压应力和不同方向切应力的作用下,产生位错的交割和剪切.随着碾压的进行,使得焊缝表面的晶粒细化.结果表明,试样未经碾压前,母材截面的显微硬度在80~90 HV范围内波动,当FMRR处理60 min后,表面的最大硬度达到185 HV左右,随着层深的增加,硬度值逐渐降低.垂直于表面方向,随着到表面的距离逐渐增大,晶粒尺寸逐步增大,直至达到基体晶粒尺寸.同时经过快速多重旋转碾压,细化后样品的表面硬度明显提高,随晶粒细化程度增加,硬度增大.     

高压开关用铝合金法兰径向辗制产业化研究

铝合金法兰辗制工艺是通过连续局部塑性变形的积累使法兰整体壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形,最终使环件毛坯成为一定形状尺寸的法兰零件。法兰件辗制过程中,局部变形区存在厚度减小、周向伸长、轴向宽展的塑性变形,这种塑性变形的发生、发展和积累规律决定了法兰辗制变形和成形是渐变的,极大地减少了法兰开裂的倾向。本文通过对铝合金法兰辗制工艺的关键技术进行研究,成功实现批量生产。