简介概要

AZ31镁合金板材轧制过程中边部物理场分布

来源期刊：稀有金属2016年第10期

论文作者：赵鸿金李涛涛杨正斌贺玲慧

文章页码：990 - 995

关键词：AZ31镁合金;数值模拟;损伤因子;宽厚比;边部裂纹;

摘要：采用数值模拟的方法研究了AZ31镁合金板材在轧制过程中板材边部的受力情况,从应变场、应力场、损伤因子等方面分析了宽厚比对边部裂纹的影响规律。结果表明,单道次轧制过程中,损伤因子值小于0.255时,轧制过程中选择宽厚比小于60∶1的板坯可有效控制边部裂纹产生,板坯损伤因子值小于0.139时,轧制过程中宽厚比小于4∶1的板坯可有效控制边部裂纹产生;在其他条件不变的情况下,减小板材的宽度,降低轧板边部所受拉应力,减小边部损伤值,有利于促进板坯变形均匀性;在加工率相同的情况下,随着宽厚比的不断增加,边部沿轧制方向上的应力峰值逐渐累积,心部等效应变场逐渐分成许多较小区域,变形更不均匀,边部损伤因子升高,导致轧件开裂几率提高,边部裂纹数量逐渐增加。

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网络首发时间: 2015-05-04 11:17

稀有金属 2016,40(10),990-995 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.XY15032802

AZ31镁合金板材轧制过程中边部物理场分布

赵鸿金李涛涛杨正斌贺玲慧

江西理工大学材料科学与工程学院

摘要：

采用数值模拟的方法研究了AZ31镁合金板材在轧制过程中板材边部的受力情况,从应变场、应力场、损伤因子等方面分析了宽厚比对边部裂纹的影响规律。结果表明,单道次轧制过程中,损伤因子值小于0.255时,轧制过程中选择宽厚比小于60∶1的板坯可有效控制边部裂纹产生,板坯损伤因子值小于0.139时,轧制过程中宽厚比小于4∶1的板坯可有效控制边部裂纹产生;在其他条件不变的情况下,减小板材的宽度,降低轧板边部所受拉应力,减小边部损伤值,有利于促进板坯变形均匀性;在加工率相同的情况下,随着宽厚比的不断增加,边部沿轧制方向上的应力峰值逐渐累积,心部等效应变场逐渐分成许多较小区域,变形更不均匀,边部损伤因子升高,导致轧件开裂几率提高,边部裂纹数量逐渐增加。

关键词：

AZ31镁合金;数值模拟;损伤因子;宽厚比;边部裂纹;

中图分类号： TG339

作者简介：赵鸿金(1967-),男,山西平遥人,博士,教授,研究方向:计算机模拟仿真、材料加工;电话:13879789512;E-mail:zhj_zyh@163.com;

收稿日期：2015-03-28

基金：国家自然科学基金项目(50964006)资助;

Physical Field Distribution of AZ31 Magnesium Alloys Plate Edge in Rolling Process

Zhao Hongjin Li Taotao Yang Zhengbin He Linghui

School of Materials Science and Engineering,Jiangxi University of Science and Technology

Abstract：

The edge stress states of AZ31 magnesium alloys plate in rolling process were studied by numerical simulation. The influence of different width-to-thickness ratios on edge cracks was analyzed from aspects of damage factor,stress field and strain field. It showed that the edge cracks could be effectively controlled under conditions that the damage factor was less than 0. 255 and the widthto-thickness ratio was less than 60∶ 1 as well as under conditions that the damage factor was less than 0. 139 and the width-to-thickness ratio was less than 4∶ 1 in the single rolling pass. As other conditions remained unchanged,the width decrease of plate reduced tensile stress of the edges and edge damage value,which contributed to promoting deformation uniformity of plate; under the same rolling reduction ratio,the edge peak stress along the rolling direction gradually accumulated,the damage factors of edges gradually increased,and the equivalent strain field in center part was pided into many small zones with the increase of width-to-thickness ratio,which resulted in worse deformation uniformity and the increase of crack ratio and edge cracks.

Keyword：

AZ31 magnesium alloy; numerical simulation; damage factor; width-to-thickness ratio; edge cracks;

Received： 2015-03-28

镁合金具有低密度、高比强度和优异的减震降噪效果,在航空航天、交通、家电等领域具有广阔的应用前景 ^[1,2,3] 。但是由于塑性加工性差以及易腐蚀等缺点,使得镁合金仍无法取代钢铁、铜、铝在实际应用中的地位。目前许多学者主要从组织演变 ^[4,5,6] 、织构变化 ^[7,8,9] 、数值模拟 ^[10,11,12] 等角度研究了道次加工率和轧制温度对AZ31镁合金板坯的影响,但是对于镁合金在轧制过程中边部区域的受力却较少研究。因此本文通过数值模拟分析轧制过程中轧件边部的受力情况和温度变化等,掌握他们在轧制过程中的演变规律,从而为实际生产提供理论支持。

1 实验

实验原料为某企业连续铸轧生产的AZ31镁合金板坯,化学成分见表1。板坯在400℃下进行13 h真空均匀化退火,然后加热到430℃进行热轧,道次加工率控制在5%~20%。

表1 AZ31的成分Table 1Chemical compositions of AZ31 alloys(%,mass fraction) 下载原图

表1 AZ31的成分Table 1Chemical compositions of AZ31 alloys(%,mass fraction)

参照相关资料,取得温度分别为200,300,400℃,应变速率分别为0.01,0.10,1.00,10.00s^-1的AZ31镁合金铸轧板坯应力-应变曲线 ^[13,14,15] 。导入Deform-3D软件的材料库中,进行轧制模拟。

轧制在规格Ф320 mm×500 mm的二辊轧机上进行,辊速为1.47 rad·s^-1。模拟选取AZ31镁合金板坯宽度分别为300,200,100和20 mm,厚度均为5 mm;数值模拟板材轧制温度设定为400℃,轧辊温度为150℃;研究板坯单道次压下量(1mm)相同时,不同宽厚比的镁板在轧制过程中边部受力影响规律。

2 结果与讨论

2.1 沿轧制方向边部应力变化

在轧制稳定区边部位置沿轧制方向,每隔10mm选择1个点进行观察,共16个点,初始点位置选择在距端部200 mm处,该16个点沿轧制方向上的应力变化结果见图1。

板坯在轧制过程中,其主要受轧辊轧制力和轧辊对板坯的摩擦力作用。有数值模拟结果可知,开始轧制时,前端部位未变形区主要受压应力作用,只有少数位置受拉应力作用;当变形过渡至前端后,塑性变形剧烈,边部应力状态发生改变,且该区域沿轧制方向的应力达到峰值;当轧制变形区域越过前端后,边部应力松弛,该区域沿轧制方向的应力呈现最小值。

由图1(a)可知,轧制过程中边部只有少部分区域点呈现峰值,而其他部分区域点边部受力较平缓,没有出现应力值急剧增加的情况。相比于图1(a),图1(b)中边部应力峰值较多,其他区域点应力值涨幅明显。

由此可知,随着宽厚比的增加,边部沿轧制方向上的应力峰值逐渐增多,这表明在轧制过程中宽厚比越大,边部产生裂纹的数量越多。实际生产中,在保证轧件厚度和宽度的基础上,减小宽厚比有利于减少边部裂纹的数量,从而提高产品生产效率。

2.2 单道次轧制时不同宽厚比镁板边部应变场分布

图2为不同宽厚比板坯轧制过程中等效应变场等值线,表2为不同宽厚比下最大等效应变值。

从图2可以看出,随着板坯宽厚比的增加,边部最大等效应变值出现先增长再降低,最后又增长的现象;心部等效应变较大区域逐渐分成许多小区域,宽厚比从20∶1到60∶1之间变化过程中,心部等效应变值(0.262左右)变化不明显,这表明宽厚比达到一定值后,心部金属塑性变形几乎同样剧烈。根据Cockcroft-Latham模型计算可知,在轧制过程中,通过增加宽厚比,使板坯的等效应变,最大拉应力值以及等效应力发生变化,在整体变化的基础上,边部损伤因子呈现升高的趋势。即随着宽厚比增加等效应变场变化明显,边部损伤因子逐渐升高,轧件开裂几率提高。

图1 轧制过程中沿轧制方向边部受力情况Fig.1 Edge stress along rolling direction in rolling with different width-to-thickness ratios

(a)4∶1;(b)40∶1

图2 不同宽厚比下的有效应变场分布Fig.2 Distribution of equivalent strain field with different width-to-thickness ratios

(a)4∶1;(b)20∶1;(c)40∶1;(d)60∶1

表2 不同宽厚比下最大等效应变值Table 2 Maximum equivalents train values with different width-to-thickness ratios 下载原图

表2 不同宽厚比下最大等效应变值Table 2 Maximum equivalents train values with different width-to-thickness ratios

2.3 单道次轧制时不同宽厚比镁板边部损伤分析

Cockcroft和Latham ^[16] 认为断裂主要与拉伸主应力有关,对于给定的材料,在一定的温度和应变速率下,当损伤因子C达到材料的临界损伤因子时材料产生断裂。

式中:ε_f为材料断裂时的等效应变; 为等效应力;σ_p为变形过程中某一时刻某一单元内的最大拉应力; 为等效应变增量;C为损伤因子。

不同宽厚比AZ31镁板在轧制过程中边部损伤等值线见图2,不同宽厚比下的最大损伤因子见表3。

轧制时随着宽厚比增加,边部最大损伤值逐渐增大。当宽厚比从4∶1到60∶1之间变化时,边部最大损伤值由0.139增加到0.255,增长率为83.5%。宽厚比为4∶1的板坯轧制时心部分布着许多损伤值为0.017的较大区域,随着宽厚比增加,心部损伤值较大区域逐渐变成许多小区域,且损伤值增加到0.064,由于损伤值越大,板坯轧制过程中受力越不均匀,所以大宽厚比板坯轧制时塑性变形更不均匀。

由此可知,其他条件不变时,减小板材的宽度,有利于促进板坯变形均匀性、减小边部损伤值,使板坯在轧制过程中边部开裂倾向变小;同时有利于轧件在使用过程中降低开裂倾向,且增加轧件的疲劳寿命。

2.4 结果分析

根据Cockcroft-Latham断裂准则,当轧件的材料损伤值达到了临界损伤值时,材料将会断裂或产生裂纹。因此对于轧件来说,材料的损伤值越小,就意味着轧件在使用过程中产生的开裂机会就越小,那么轧件的疲劳寿命也会相对增加。权国政等 ^[17] 指出AZ80镁合金的临界损伤因子不是一个常数,而是一个在0.0218~0.378范围内变化的变量。目前有关AZ31镁合金临界损伤因子的研究较少,而根据AZ80相关资料和其他合金数据,认为临界损伤因子也是在一定范围内变化的变量。由数值模拟可知,单道次轧制加工率小于20%,当板坯损伤因子小于0.255时,轧制过程中宽厚比小于60∶1板坯可有效控制边部裂纹产生;当板坯损伤因子小于0.139时,选择宽厚比小于4∶1板坯进行轧制,边部不易产生裂纹。