铝合金板材

铝合金板材（精选7篇）

铝合金板材 篇1

目前, 世界各国的铸造产业或多或少都在一定程度上受到当前经济发展形势的影响, 各国的铸造产业发展都步入缓慢发展时期。受经济危机的影响, 全球经济发展明显缓慢, 尤其是对铸造这种实体经济来讲, 其市场需求严重的受到影响, 从而使铸造产业的发展难以维持, 许多国家的铸造生产厂商因为需求不济而造成其国内大部分企业停产甚至破产, 同时, 造成国际铸造行业之间的贸易减少。

我国铸铝市场的消费主要有以下原则:要求铸铝产品的密封效果好、焊接工艺细致, 同时还要污染小。只有充分的了解了这些市场发展需求, 铸铝产业才能按照市场要求来生产相关产品, 这样的产品才能被市场接受与认可。

“未来5年中, 我国将迎来铸造铝合金板材发展的黄金时期。”国际模具及五金塑胶产业供应商协会秘书长罗百辉表示, 铝合金材料是我国精密铸造产业重点发展的新型材料, 同时, 它也将会被广泛的运用到其他行业中, 尤其是汽车、航空、模具行业。

随着这些相关行业的快速发展, 铸造铝合金材料的发展也已经形成一个良性的产业链, 轻量化等优点。铸造业将让铝合金材料越来越多的进入更多的行业来替代以前的材料, 其发展在这些行业中倍受青睐, 专家表示我国铸造铝合金产业将为成为我国一大支撑产业。

铝合金板材 篇2

关键词：铝合金,分层缺陷,无损检测

1 概述

铝合金材料具有密度低、强度高、塑性好的特性, 可加工成各种板材, 具有优良的导电性、导热性、抗蚀性及可焊接性。随着铝合金板材加工技术的日趋成熟, 被广泛应用在轨道交通车辆制造领域。由于铝合金板材制造工艺的特性, 易产生分层缺陷, 须有效的检测手段对其进行检测识别。

本文针对分层缺陷, 应用VT、PT、UT等检测方法的识别结果进行比较, 确保无损检测方法在铝合金板材分层缺陷检测的有效性。

2 轨道交通车辆铝合金板材的应用现状及分析

铝合金板材在轨道交通车辆上应用广泛, 厚度范围在1.5~40 mm, 型号主要是6082、5083。铝合金板材的分层缺陷多出现在厚度>6 mm以上的板材, 此类板材主要应用在车辆底架、端部等承力部位的关键焊接部件上, 且铝合金板材厚度在8~40 mm, 板材大多需先折弯后焊接, 极易诱发铝合金板材产生分层缺陷, 甚至延伸至材料表面, 对车辆强度、刚度产生极大危害。

3 检测方法选择

无损检测技术作为一种综合性应用学科, 是在不破坏、不损伤被检对象的前提下, 以物理或化学方法为手段, 利用先进的技术和设备器材, 来探测各种材料、部件的内部和表面缺陷, 以及几何特性测量、组织结构和力学性能变化的评定等, 并对所获得的各种技术参数作出相应的判定, 从而达到保证被检材料和部件的可靠性的目的。

目前, 常见的无损检测方法有目视检测 (VT) 、射线检测 (RT) 、超声检测 (UT) 、渗透检测 (PT) 、磁粉检测 (MT) 、涡流检测 (ET) 。

3.1 目视检测 (VT)

原理:通过肉眼或肉眼与光学仪器相结合, 来观察被检部件的表面状态, 以确定是否存在缺陷。

特点:简单、快速、经济、设备少, 但只能检测材料和部件表面损伤, 要求检验员视力好。当缺陷很小时, 容易漏检, 主要是检测材料或部件表面缺陷和尺寸偏差。

分析:操作简单, 可适用于铝合金板材分层延伸至板材侧截面的情况。

3.2 渗透检测 (PT)

原理:利用毛细作用将带有颜色的渗透液喷涂在焊缝表面上, 使其渗入缺陷内, 清洗后施加显像剂显示缺陷彩色痕迹。

特点:适于各种金属和非金属材料, 设备轻便, 投入小, 操作简便, 缺陷性质容易辨认, 但不适用于疏松多孔性材料, 对环境温度要求高。探伤前后必须清洁焊缝表面, 如果难以确定缺陷的深度, 可检表面开口缺陷。

分析:操作简单, 可适用于铝合金板材分层延伸至板材侧截面的情况。其检出率较高, 可用于检测分层的侧面深度。

3.3 磁粉检测 (MT)

原理:经磁化的被检工件, 利用缺陷部位的漏磁通可吸附磁粉的现象, 从而形成缺陷痕迹显示。

特点:经济简便, 快速直观, 缺陷性质容易辨认。油漆与镀层基本不影响检验灵敏度, 但应做灵敏度实验。对于不适用于非铁磁性的材料, 如果难以确定缺陷深度, 某些要求探伤后退磁, 可检表面与近表面缺陷

分析:铝合金为非铁磁性材料, 故此方法完全不适用。

3.4 超声波检测 (UT)

原理:利用弹性波遇到缺陷会形成反射或衍射的原理来获取缺陷信号, 并显示在示波屏上

特点:对面状缺陷敏感, 穿透力强, 不受厚度限制, 易携带, 对操作人员无损害。焊缝只须单面靠近, 检测时间短, 成本低。对被检工件表面状态要求高, 不易测出细小裂纹;对检测人员素质要求高, 不适用于形状复杂和表面粗糙的工件;对被检工件的厚度及材料有要求。有利于检出裂纹类面积型缺陷

分析:超声波检测的特点适用于铝合金板材分层的检测, 且铝合金板材分层为面状缺陷, 用此方法检测具有优势。

3.5 射线检测 (RT)

原理:利用X射线或γ射线来穿透工件, 完好部位与缺陷部位透过剂量有差异, 从而在底片上形成缺陷影像。

特点:可得到直观长久的影像记录。放射性危险大, 一次投入大, 不易携带, 需电源, 一般无法测量缺陷的深度, 焊缝须双面靠近, 不易发现裂纹和未熔合缺陷。适用于检出夹渣、气孔、未焊透等体积型的缺陷。对与射线方向一致的面积型缺陷有较高检出率。

分析:射线检测安全风险较高, 且投资成本高, 主要适用于体积型缺陷, 而对于分层这种面状缺陷的检出率较低, 所以不考虑应用此种检测方法。

综上分析, 主要有三种常用的无损检测方法 (目视检测、渗透检测、超声波检测) 适合于铝合金板材分层的检测, 其中超声波检测为内部检测方法, 渗透检测为表面检测方法, 目视检测作为辅助方法使用。

4 检测实施

4.1 目视检测 (VT)

1) 检测表面光照强度应不<350Lx, 但也不应>1 500 Lx。必要时使用手电筒, 保证光照强度满足要求。眼睛与检查表面的距离在600 mm以内, 与检查表面的夹角应>30°。检测时间在表面处理之前, 必要时可在表面处理之后进行。检测前需对检测表面进行清洁。

2) 观察板材整个侧截面有无分层。如存在疑问则使用其他检测方法进行进一步确认, 如PT。

3) 检测结果:通过采用目视检测方法, 铝合金板材分层延伸至板材侧截面的情况能够被直观地检测识别出来, 但内部缺陷的大小、深度无法有效衡量。

4.2 渗透检测 (PT)

1) 人员要求:具备铁道部门或EN473 PT II级或以上资质。

2) 检测设备:IICd检测试剂系统 (EN571-1) 、试块2 (ISO3452-3) 、白棉布、放大镜、手电筒等。

3) 检测实施:

(1) 检测试剂的检查。在产品检测相同条件下进行, 采用ISO3452-3试块2对检测试剂进行检查, 需达到最高灵敏度要求。

(2) 一般说明 (工作场地、温度、观察条件) 。在车间内或室外进行检测, 工作温度10℃~50℃, 最低不低于5℃, 白光照度要求>500lx (白天正常光照度可满足要求) 。

(3) 预清洗/干燥。检测面经溶剂清洗, 自然干燥后, 表面无油污、污物、飞溅等。

(4) 渗透剂施加方式, 渗透时间, 注意事项。采用刷或喷涂的方法施加渗透剂, 渗透时间5~60 min, 一般应>10 min, 渗透剂施加不能太少, 整个渗透时间内须保持湿润。

(5) 中间清洗, 包括干燥。先用布擦去表面多余的渗透剂, 再用干净无绒毛的布喷上清洗剂沿一个方向擦去表面多余的渗透剂, 必要时可将清洗剂直接喷洒到待测表面, 但不能近距离垂直喷洒, 须保持300 mm左右的距离, 中间清洗完后自然干燥。

(6) 显像, 包括干燥。将显像剂均匀喷洒到检测面, 显像剂刚刚覆盖材料基色即可, 显像时间10~30 min, 自然干燥。

(7) 记录。必要时用书面文字、草图、照片、影像等方法记录显示的具体位置、形态、尺寸等。

4) 检测结果:通过实践分析, 铝合金板材分层缺陷只有在延伸表面的情况下, 能够被有效地检测识别出来, 检测显示结果清晰、直观, 但内部缺陷的大小、深度仍无法有效衡量, 如图1所示。

4.3 超声波检测 (UT)

1) 人员要求:具备铁道部门或EN473 UT II级或以上资质。

2) 检测设备:数字式超声波探伤仪 (中科KW-4C) 、标准试块 (CSK-1) 、藕合剂、钢尺等。

3) 检测步骤及要求:

(1) 探头选择。由于板材分层大多为平面缺陷, 基本与扫查面平行, 所以采用直探头进行扫查。铝合金晶粒较为粗大, 超声波发射频率不宜选择过高。为减少波束散射和衰减, 保证探伤分辨力, 超声波的发射频率选为4 MHz。现场使用板材的厚度多为20 mm左右, 在探头直径的选择上, 即要考虑分层区域的检出率, 又要兼顾探伤工作效率, 一般选用探头直径12 mm。

(2) 藕合剂选择。所检测板材后期要经过焊接等后续处理, 需选用易去除的藕合剂, 如水基超声波探伤耦合剂。

(3) 设备的调校。与产品检测相同条件下进行, 采用CSK-1试块测出材料的声速, 每隔4 h及检验后进行校检, 检验结论应符合EN1714表2的规定。

(4) 灵敏度的确定。采用与板材相同材质的2平底孔试块, 采用10~40 mm的板厚制作DAC曲线。根据EN1712验收等级进行调整灵敏度。

(5) 检测表面状态。打磨良好, 光洁无异物。

(6) 扫查范围。在折弯后PT发现分层的区域进行扫查, 主要是确定分层的范围, 缺陷波的评判采用6 d B法进行。

(7) 记录。必要时用书面文字、草图、照片、影像等方法记录显示的具体位置, 形态, 尺寸等。

4) 检测结果及分析:采用超声波检测能有效地检测出铝合金板材内部存在的分层缺陷, 并且分层缺陷范围以及深度也能够具体确定出来, 其检测方便快捷, 效率高。

5 结语

铝合金折弯分层典型缺陷在铝合金的折弯生产中极具代表性, 从上文探讨的各种检测方法分析得知, 超声波检测探伤方法效率高、速度快, 缺陷定位精确, 可广泛用于生产实践中的铝合金折弯分层缺陷的检测。检测时如借助合适的辅助工装, 可以有效减轻检测劳动强度, 其检测效率可进一步提高。在需要对存在分层缺陷进行返工处理时, 在返工过程中, 渗透检测能对分层缺陷的去除状况进行准确的检查和判定, 可有效地保证缺陷去除彻底。而目视检测则可作为辅助方法, 用于板材分层状态的初步检测, 从而可迅速掌握分层的总体状态。

参考文献

[1]无损检测标准应用手册[M].昆明:云南科技出版社.

[2]郑文仪.渗透检测[M].北京:国防工业出版社, 2000.

铝合金板材 篇3

在现代航空工业中,广泛采用整体结构件作为主要受力构件,整体结构件具有尺寸大、壁薄、结构复杂、刚度低、尺寸精度要求高等特点,其毛坯初始残余应力在机械加工中的释放与重分布是引起加工变形的主要原因[1]。

研究残余应力引起的加工变形规律,首先必须准确测量出材料中的残余应力分布情况。目前残余应力测量方法多达十余种[2],主要归纳为物理无损法和机械有损法。无损法不破坏试样材料,测量精度高,主要方法有X射线衍射法和中子衍射法。X射线衍射法测量深度浅,只能达到几十微米,适用于测量表面残余应力分布[3,4,5,6]。中子衍射法能够相对有效地检测材料内部应力,测量深度可以达到厘米级[7],但目前国内尚不具备相应的实验条件。

因此对于材料内部宏观残余应力的检测,通常采用机械有损方法,其中最常用的是裂纹柔度法和剥层法。Mahmoodi等[8]结合X射线衍射法和剥层法对2mm厚的铝合金5083薄板内部的残余应力分布规律和数值进行了测量。 郭魂等[9]、王树宏等[10]、张延成等[11]针对铝合金预拉伸板的特点,运用弹性力学理论对剥层应变法进行了改进,推导出了应力释放与底部产生应变的迭代关系式。但是应用此方法实际测量的残余应力误差较大[12],表明此种方法需要进一步完善。另外,传统剥层法测量过程中需要重复多次粘贴应变计,大大降低了实验测量效率,并且随着材料的剥除,剩余材料内部残余应力进行重新分布,测量结果是材料内部重分布后的应力。因此,需要对测量结果进行修正以得到材料内部初始残余应力分布。

本文提出一种底部贴片的改进剥层法测量残余应力,该方法运用有限元数值模拟分析,计算出了剥除材料释放的残余应力引起底部应变变化的释放系数,然后分别使用传统剥层法和改进剥层法对7075T651铝合金预拉伸板进行实验测量,并对实验结果进行了修正,获得了材料内部初始残余应力分布规律,实验结果证明改进法在保证测量精度的同时,可以明显提高实验效率。

1 测量方法原理

1.1 传统剥层法

传统剥层法基本原理是[13]:在欲测量部位表面中心附近划出方格区域作为应变计粘贴位置(图1),将方格区域外材料完全铣除,留下包含应变计的孤岛,此时剥离部分储存的应变能全部释放,采用应变计测出剥离部分材料产生的释放应变,利用力学公式可算出残余应力。然后揭开应变计,剥除残留孤岛部分,接着在下一层表面粘贴应变计,继续按以上步骤测量其余剥除层材料释放的应变。为了提高实验效率,现实中一般只需要测量纵向和横向两个方向(x方向、y方向,见图1)的应变,然后分别由应力应变关系进行数据处理,得到各层应力值,即

式中,σxi为第i剥除层x方向残余应力;σyi为第i剥除层y方向残余应力;εxi为第i剥除层x方向释放的应变;εyi为第i剥除层y方向释放的应变;E为材料弹性模量;μ为泊松比。

1.2 改进剥层法

传统剥层法都是在试样上表面贴片,每测一层就要重新贴片,且要考虑到切削过程中连接应变计的导线与刀具之间的干涉,工作量大,实验准备时间甚至超过材料剥除时间。本文提出一种改进的剥层法,也是试样上部逐层剥除材料,但是和传统法不同的是上表面不粘贴应变计和保留孤岛,而在底部表面粘贴应变计。整体布局如图2所示。

由于底部粘贴应变计的改进剥层法所测量的应变值不是剥除材料层直接释放的应变,因此不可以代入式(1)中直接计算残余应力,需要重新推导剥除材料的释放残余应力与底部应变之间解析关系式。假设剥除材料层的残余应力和底部应变值之间存在以下对应关系:

式中,ai、bi为第i层材料的应变释放系数。

采用有限元数值模拟方法计算每一层材料的应变释放系数ai、bi,通过底部粘贴应变计来测量由于上部材料剥除引起的底部应变值εxi、εyi,代入式(2)中,计算出每一剥除层的残余应力σxi、σyi,总体流程如图3所示。

1.3 残余应力测量值修正

传统剥层法和改进的剥层法都是基于逐层去除材料的残余应力测量方法,每去除一层都会引起未去除部分材料内部引入附加应力,利用以上两种方法测量的结果是重分布之后的残余应力。因此,需要对实验测量的数值进行修正,得到材料内部的初始残余应力分布情况。

假定实验测量的残余应力为σxi、σyi,修正后的初始残余应力为σ′xi、σ′yi,σ′x1=σx1,σ′y1=σy1。

厚度为H的板沿厚度方向(z方向)划分为n层,每层厚度均为t,从表面去除第一层起,板的平衡被打破,在力和力矩作用下,产生拉弯组合变形,利用弹性力学知识可知剩余材料任意厚度位置产生应变εx和εy分别为

z=0的平面位于处,εx0和εy0分别为在z=0处x方向和y方向的应变;rx和ry分别为板在x和y方向的曲率半径,相应的应力σx和σy为

第一层材料剥除引起第二层材料(处)的应变εx1-2、εy1-2分别为

材料剥除后,剩余材料的不平衡力和不平衡力矩如下:

当剥除层厚度t→0时,其内残余应力可用平均残余应力σ′x1和σ′y1近似代替,则该层内有

由式(3)~式(9)得

将式(10)、式(11)代入式(4)、式(5)即可得到第一层材料去除后在剩余材料顶部即第二层内产生的附加应力:

第一层内残余应力σ′x1、σ′y1可通过上部贴片的传统剥层法测量得到,则第二层的初始残余应力经过修正后为

同理,如果连续去除i(i=2,3,…,n)层材料,剩余材料中的附加应变等于这i层各自产生应变的叠加。其中第j(j ≤i)层剥除时在剩余n -i层顶部即第i+1层内产生的附加应力为

剥除i层材料后在第i +1层内产生的附加应力为

则第i+1层的初始残余应力为

2 残余应力测量

为了验证改进剥层法的正确性,需要对两种基于剥层法的残余应力测量方法进行对比实验验证。为了保证两种方法的数据一致性,在同一个试样的上部和底部同时粘贴应变计。

2.1 测试试样和设备

实验所用的试样材料为7075T651铝合金预拉伸板,该合金板材生产工艺为:熔铸→均匀化→锯切→铣面→加热→热轧→淬火→预拉伸变形→时效→性能检测,最终热处理状态为时效处理,试样外形尺寸为200mm×200mm×25mm,使用XK7132型数控铣床进行加工,加工参数如表1所示。实验设备与试件放置位置以及加工过程进行状态如图4所示,使用压板压住试样两个对角,使之固定在机床工作台上,当剥除层材料去除之后松开压板,在无装卡应力状态下进行应变测量。切削加工表面残余应力层深度一般在几十微米以内,本文中测量的初始应力是剥除1mm厚度材料后所释放的平均应力,剥除厚度是切削残余应力层厚度的几十倍,因此切削残余应力对测量的毛坯初始应力影响较小。为了进一步减小切削力和切削热对于初始残余应力分布的影响,在去除应变片周围1mm厚的剥除层材料时分两次切除,每次切削深度均为0.5mm。铝合金预拉伸板的长度和宽度远远大于厚度,板轧制变形、淬火、拉伸、时效等条件均对称于板中面,板内残余应力仅随板厚变化,与板中面对称,在平行于板中面任一平面内均匀分布,因此只去除一半厚度即13层(13mm)材料。

2.2 应变释放系数计算

应变释放系数表示剥除层材料释放1 MPa内应力所引起的底部测量应变量,属于弹性力学范畴问题。有限元数值方法通过施加初应力场模拟毛坯残余应力分布,通过单元“杀死”技术模拟材料去除过程,底部应变作为导出解输出。因此,采用有限元方法可以实现应变释放系数的计算。计算应变释放系数的有限元模型材料属性与实验测量所用试样相同,基于结构特征和边界条件的对称性,有限元模型只需选取实际尺寸的1/4部分,具体计算方法如下:

(1)建立几何模型,试样初始大小为100mm×100mm×25mm,去除i-1层后剩余材料厚度为25-i+1(mm)。

(2)划分网格,建立有限元模型(见图5),在模型中添加x、y方向统一的残余应力σxi、σyi,取σxi=1MPa,σyi=1MPa。

(3)“杀死”第i层所有单元,模拟第i层材料剥除过程。

(4)计算底部粘贴应变计处单元应变。

(5)重复步骤(1)~步骤(4),计算第i+1层剥除后底部应变。

去除13层(13mm)后试样底部应变值如表2所示。将表2中应变值εxi、εyi和施加的残余应力σxi、σyi共同代入式(2)中,即可计算出每一层对应的应变释放系数ai、bi,见表2。

2.3 测量结果

上部应变计和下部应变计测量的应变值如表3所示,将表3中上部应变片的应变值代入式(1),下部应变片的应变值和表2应变释放系数ai、bi代入式(2),分别得到传统剥层法和改进剥层法测量的预拉伸板沿厚度方向的残余应力σx(z)、σy(z),如图6和图7中修正前残余应力所示。

2.4 测量结果修正

为了研究铝合金预拉伸板内部初始残余应力分布规律及量值,需要针对以上两种剥层法测量得到的重分布残余应力修正。

将图6和图7中的修正前残余应力测量值代入式(17)~式(20),并根据对称性假设,分别得到传统剥层法和改进剥层法测量残余应力的修正值,如图6和图7所示。图6a、图6b分别为传统法测量的x方向和y方向残余应力,其中最大拉应力为71.2108 MPa,最大压应力为53.1163MPa。图7a、图7b分别为改进法测量的x方向和y方向残余应力,其中最大拉应力为60.86MPa,最大压应力为44.156MPa。

两种方法测量的铝合金预拉伸板内部残余应力分布特征基本相似,x方向和y方向残余应力分布规律一致,这与以前研究结果基本相同[14]:从板表面沿着厚度方向首先拉应力逐渐减小,在距离表面约1/8板厚处转变为压应力,然后压应力变大,在距离板表面约1/4厚度时达到最大值,接着压应力由大变小,方向变为拉应力,当距离表面1/3厚度时拉应力处于最大值,在中性面附近区域应力值接近零,总体上呈现“两侧拉内部压”的分布规律,表面应力分布梯度较大,中面附近区域局部最小。7075T651板材淬火时产生残余应力,表层受压应力,里层受拉应力。随后的预拉伸工艺通过一定量的塑性变形消减淬火应力,拉伸变形过程中,淬火板里层受拉应力部分首先超过屈服极限发生塑性变形,表层金属初始为压应力状态,需要较大拉伸力进入塑性变形且滞后于里层材料。拉伸结束后,里层金属塑性变形量比表层大,使得里层产生压应力,表层出现拉应力[15]。

3 分析与讨论

3.1 实验效率

从实验过程花费的时间来看,传统剥层法每一层测量过程包括粘贴应变片、去除材料、冷却、测量数据,耗时约1h,剥除13层一共需要约13h。对于改进剥层法,由于不需要在试件上表面粘贴应变片,每一层测量时间缩短了一半,效率比传统方法提高了一倍多。

3.2 实验有效性

图8所示为两种方法的修正残余应力误差随深度变化曲线。图8a所示为绝对误差值,图8b所示为相对误差值。与传统法相比,改进法x方向相对测量误差在7mm和19mm深度处达到最大值50%,y方向则在5mm和21mm深度处达到最大值25%,其余深度两个方向相对误差值均处于5%以下。结合图6和图7,拉压应力交界处两种方法测量误差最大。

试样在没有外力作用时,内部应力应保持平衡,用下式表示自平衡条件:

将图6 和图7 中的残余应力分别代入式(21),得到四种条件下残余应力自平衡状态,见表4。

相对于测量的初始值,两种方法的修正残余应力计算得到的平衡检测绝对值明显减小,说明修正后的内应力更接近平衡状态,能够真实评估试样内部初始残余应力分布状态。同时改进法的修正值大于传统法数值,但是误差较小,总体趋势依然保持一致性。

理论上,一块应力分布均匀的试样,两种方法的测试结果会很接近。上述测试结果的差异,原因可能来自以下方面:1测试方法固有的计算误差;2实验过程中引入的加工应力、切削热及读数误差;3装卡、振动等外界因素。因此在剥层法测量内部残余应力的后续研究中,需要从测量误差产生原因以及提高测量精度方面入手。

4 结论

(1)铝合金预拉伸板内部残余应力总体上呈现“两侧拉内部压”的分布规律,表面应力分布梯度较大,中面附近区域局部最小。

(2)传统法测量的最大拉应力为71.2108MPa,最大压应力为53.1163MPa,改进法测量的最大拉应力为60.86 MPa,最大压应力为44.156MPa,两种方法的相对测量误差除了在两个深度处出现最大值,x方向和y方向分别为50%和25%,其余位置相对误差较小,表明改进法能够评估材料内部残余应力分布规律,但是测量精度有待进一步提高。

铝合金板材 篇4

弯曲是根据制件形状需要, 用模具或其他工具把板材或型材弯曲成一定角度、一定形状的冲压工艺方法。

如图1所示为折弯模具及折弯过程示意图, 通过与折弯机上滑块相连接的折弯上模的上下往复运动完成折弯零件的工艺过程。

2 铝合金弯曲成形过程中的质量缺陷

通过对折弯成形过程与受力情况分析可知:在成形过程中板料与折弯下模接触部分的下模圆角处受力较大。

铝合金在弯曲成形过程中, 使用常规结构的折弯模具通常会产生如下质量缺陷:①与下模圆角接触部位产生拉伤和压痕。由于折弯所用凹模为整体式固定凹模, 板材与折弯模具是相对滑动摩擦, 所以在铝合金零件的折弯外侧面会产生拉伤和压痕质量缺陷。②在折弯处产生裂纹。弯曲时铝合金板料外侧受拉, 弯曲时铝合金板材的外边层沿折弯线方向产生拉裂状态。

3 产品表面质量缺陷原因分析

(1) 模具工作原理。如图2所示为金属板材弯曲断面变形分析图。可以看出, 在长方形的板料侧面画出正方形网格, 然后将其弯曲。观察网格变化, 可看出弯曲时的变形特点, B-B段发生弯曲后其长度伸长。在B-B段发生伸长过程中需克服折弯下模折弯圆角部分的摩擦力而达到伸长目的。传统的折弯模具其工作原理决定了零件在成形中板材与折弯模具产生接触, 并且需要克服零件与模具之间的滑动摩擦进行成形。

(2) 模具材料。传统折弯模具一般采用45#钢、W18Cr14V等材质加工而成。这些模具材料与铝合金板材接触过程中有较大的互溶, 容易在制品与模具之间发生粘着, 降低模具寿命, 在工件表面产生划痕划伤。

(3) 铝合金自身物理特性。铝合金板材硬度为HBS65, 传统折弯模具的硬度为HBS165, 其物理特性决定了铝合金零件与折弯模具之间产生摩擦后零件表面会产生缺陷。

(4) 影响铝合金板材折弯裂纹的技术参数是铝合金板材的最小弯曲半径。最小折弯半径受材料的机械性能、材料的热处理状态、零件折弯角度、折弯线与材料的显微方向、板料表面和冲裁表面的质量等因素影响。如附表1所示为两种典型铝合金和普通碳钢Q235-A的机械性能参数对比。分析其产生裂纹的原因, 主要是因为铝合金材料的机械性能所致。

综上所述, 铝合金板材在折弯过程中弯曲部位发生相对伸长, 并且模具材料较硬, 铝合金板材较软。所以, 在成形过程中铝合金的微粒会附着在折弯下模工作部分表面上, 使铝合金折弯零件出现较大拉伤和压痕。铝合金自身的机械性能是导致产生裂纹的主要原因。

4 无压痕折弯模具结构设计

4.1 工作原理优化

由上分析可知, 为消除折弯压痕, 需更改模具结构, 消除工作过程中铝合金板材与折弯下模之间的滑动摩擦。同时通过模具结构实现铝合金板料弯曲过程中的物料从两边向弯曲成形部位的移动。所以设计中考虑利用滚动模具代替滑动摩擦, 改变传统折弯模具的工作原理。

4.2 模具设计

如图3所示为无压痕折弯模具设计结构简图。通过改变模具结构, 将原滑动摩擦转化为滚动轴5与支撑块之间、铝合金零件与滚动轴之间的滚动摩擦。

1.上压板2.支撑块3.调整板4.下模体5.滚动轴6.螺钉7.端部挡板8.螺钉9.起重销

4.3 模具工作过程

铝合金板料成形过程中, 通过折弯机上滑块和折弯上模将弯曲力传导至铝合金板料过程中, 铝合金板料与折弯下模的转动轴发生相对作用力。铝合金板材与折弯下模滚动轴之间的作用力逐渐加大, 滚动轴将一部分力转化为与滚动轴相切方向的力, 迫使滚动轴以轴心为中心发生转动。滚动轴转动的同时, 铝合金板料与转动轴之间发生相对滚动, 使铝合金板材形成向折弯下模内侧移动的趋势。如图4所示为无压痕折弯模具工作原理图, 在折弯机上滑块下行提供的弯曲力作用下, 铝合金板料与转动轴之间继续发生相对滚动, 滚动轴承继续以轴心为中心, 在支撑块的内表面发生滑动, 铝合金板料继续向折弯下模内侧移动, 满足折弯过程中板料移动的体积补充, 直至弯曲过程完成。

4.4 设计要点

(1) 凹模胎槽宽度可调。为进一步提高折弯模具针对不同板厚、不同零件要求的生产需求, 设计时需考虑生产过程中对折弯下模开口尺寸变化的要求。为解决该问题, 在模具结构设计中通过增加插片的形式来满足下模开口尺寸可调的要求。工作过程中, 可以根据铝合金板材的板料厚度和成形特征对下模开口尺寸进行插片数量和厚度的调整, 以满足下模开口尺寸变化要求。

(2) 关键零部件制造精度高。工作过程中滚动轴与铝合金板料、下模支撑体之间发生滑动摩擦。铝合金板材的表面比较软, 而下模支撑体和滚动轴需要有足够的强度和刚度, 保证其在成形过程中自身不发生物理变形, 所以设计中需重点对滚动轴的强度和刚度给予满足。由于滚动轴需要长时间与下模支撑体进行滑动摩擦, 所以两零件需采用间隙配合, 使其满足工作中的滑动要求。

(3) 模具制造经济性。常规折弯模具的长度为3m, 设计中如果滚动轴承按照3m设计, 在满足其尺寸精度的条件下对加工设备和热处理装备要求比较高。为降低模具制造成本, 设计中可将滚动轴的长度尺寸分段加工, 满足模具经济性要求。由于该模具中插片和下模本体只承受工作过程中的支撑力, 其精度要求不高, 所以设计中使用价格低廉的Q235钢材进行生产。模具在长时间工作中, 其滚动轴与下模支撑体之间会进入微小的灰尘或杂物, 所以模具要定期进行清理保养, 保证滚动轴与下模支撑体之间的油膜滑动。

5 效果验证

(1) 消除拉伤和压痕。将铝合金板材与折弯下模之间的滑动摩擦改为滚动摩擦, 使压痕得以消除, 满足了产品表面质量的要求。

(2) 消除裂纹。实践证明, 无压痕折弯模具工作过程中模具与铝合金零件之间发生滚动摩擦, 使铝合金板材由两端向弯曲成形部位移动, 消除因铝合金延伸率较低造成成形区端部裂纹现象。

无压痕折弯下模在铝合金冲压折弯中具有广泛的应用价值, 同时为不锈钢、铜合金等合金制品的冲压弯曲成形提供了技术参考。

参考文献

[1]杨玉英.实用冲压工艺及模具设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2004.

铝合金板材 篇5

随着板材加工工艺的不断改善及对铝合金需求的日益增多,铝合金是目前工业应用中十分广泛的有色金属,应用于航天、航空、汽车、机械制造以及化学工业中。铝合金密度小,但强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。但其结构比较脆弱,所以在扎制过程中,必须对其进行热处理,以改变其中晶粒颗粒的大小和分布,或者通过镀膜方式提高其强度,以提升合金的性能[1]。

1颗粒大小和分布的影响

颗粒的大小和分布对铝合金材料的性能有很重要的影响,以球形颗粒的影响为研究对象,Levin[2]和Prangnell[3]等的研究表明在同一材料中较大颗粒更容易破裂。Ganguly[4]和Mishnaevsky[5]的研究表明在颗粒的团簇区有较大的内部应力,容易引起材料的破坏,而且颗粒聚集区域的应力集中现象随着颗粒的增大而增大。

2静力学分析

2.1网格划分

创建一块截面为40×25的板材结构,对其赋予铝合金板材相对应的材质,其中的颗粒物我们将其视为刚体结构,然后以0.01为单位对其进行划分网格,得到的有限元网格模型如图1所示。

2.2施加载荷与约束

为了使结果尽可能的接近实际,我们对模拟过程中板材施加的约束条件必须处理得当。板材结构的后端面为送料端,其具有不确定性,故对其后端面施加固定约束;在两个侧面上施加相同的压力以及方向向上的表面载荷。得到的模型如下图2所示。

2.3静力学分析结果

在扎制的过程中,板材的两个侧面受到的压力分别为T1与T2,表面载荷分别为F1与F2。由于板材为对称结构,且施加的力大小相同,故在两侧面方向上有T=T1+T2=0;在上端面方向上有F=F1+F2=2F1。即整个板材在扎制的过程中有向上偏移的趋势。

3基于ABAQUS扎制过程中的有限元模拟

结合以上所述颗粒的大小和分布对扎制过程中铝合金板材的影响,那么应力集中现象是如何变化的,我们对其进行了如下有限元模拟,以供研究。

3.1单颗粒对扎制的影响分析

图3为一个大颗粒在铝合金板材扎制过程中对板材的影响。我们根据图2中所施加的载荷与约束进行模拟,得到的结果如图3(a)所示。随后,我们将两个侧面的相同压力都加倍,在相同的条件下进行模拟,得到图3(b)所示。我们可以明显的看出再增加压力后,(a)中的区域颜色变化及(b)中的区域即为应力集中区,故可在橙色区域(圆圈位置)外端面对板材进行镀膜等强化处理,以防止板材在加工过程中产生破坏。

3.2双颗粒的分布对扎制的影响分析

随后对相同的材料在相同条件下进行双颗粒的扎制过程模拟,得到图4。

从图4中可以看到,(a)图为横向排列的一大一小颗粒,小颗粒处由于靠近边缘受力较为集中,黄色区域(圆圈位置)主要集中在靠近边缘一侧,大颗粒也是在靠近边缘部分黄色区域(圆圈位置)较多;(b)图为竖直排列的一大一小颗粒且大颗粒在上,可以看出黄色区域(圆圈位置)大颗粒要明显多于小颗粒;(c)图也为竖直排列的一大一小颗粒但小颗粒在上,仍然可以发现橙色区域(圆圈位置)集中在大颗粒周围。对比(b)图和(c)图,可以发现应力集中现象主要集中在大颗粒周围,此时可以采用热处理细化晶粒的方法来强化板材;再与f(a)图对比,应力分布也与颗粒的分布有关,(a)图中小颗粒应力集中区域主要是由于小颗粒靠近施力面所致, 大颗粒靠近施力面处的应力也较为集中,对于此种情况下的强化处理,我们可以在大小颗粒的应力两个施力面采取镀膜强化处理增强其性能。

3.3四颗粒的分布对扎制的影响分析

将大颗粒进行细化后再进行相同条件的模拟, 得到如下图5所示。

图5中的颗粒比图4中的颗粒要细小,且为四颗粒,图中应力集中的橙色区域有较大程度的改变, 对比发现图5中(a)图比(b)图橙色部分(圆圈位置) 要多,这是由于颗粒分布所致的,(a)中四颗粒分布比较密集,颗粒与颗粒间的应力比较集中,橙色区域(圆圈位置)主要就集中在颗粒间的部分;而(b) 中四颗粒分布较远,相互之间产生的应力不大,图 (b)中橙色区域(圆圈位置)主要集中在靠近施力面处;对于(a)图中类型的板材若要对其进行强化处理,则必须通过热处理来细化晶粒,均匀颗粒的分布来减小颗粒间的应力集中现象;对于(b)图中类型的板材可以通过在应力集中面镀膜方式来进行强化处理。

3.4多颗粒的分布对扎制的影响分析

随后,再将颗粒进一步细化,得到图6。

由图(a)中可以看出,细化颗粒明显增多后,在相同的扎制条件下,应力集中现象明显的减少了, 黄色区域(圆圈位置)只存在于靠近两侧面大颗粒上。与图5两图相比,橙色区域(圆圈位置)明显减少,这是因为图5中的四个大颗粒被转化成四个较大的颗粒与四个小颗粒,颗粒被细化且分布比较均匀,原本颗粒间的应力集中现象被消除了;所以热处理细化晶粒是消除应力集中的较好方式。再研究此种情况下压力加倍后颗粒对板材的影响,得到了图6(b)所示的结果,发现压力加倍后橙色区域(圆圈位置)主要出现在两个大颗粒的外侧,即此区域为应力集中区,所以在该种条件下对两个侧面可以施加镀膜保护措施。

针对图6,再对板材进行颗粒细化处理使大颗粒减小并在相同的条件下进行模拟,得到了下图7所示的图像。

由图7中可以看出,细化后的颗粒都较小且分布均匀,其中(a)图中在相同的扎制条件下,橙色区域基本已消除,应力集中现象也不明显了;再对其压力加倍得到(b)图,发现也没有出现橙色或者黄色应力集中区域,说明进行晶粒细化能够很好的消除应力集中现象。

3结论

在相同的扎制条件下,板材中的颗粒越细小分布越均匀,应力集中现象越不明显;且在扎制过程中,板材中若存在大小不同的颗粒时,应力主要集中在大颗粒的周围或者集中在靠近施力面的颗粒上。所以在铝合金板材加工过程之前,可以通过细化晶粒来提高其强度,减小应力集中现象的产生; 另外,在应力集中区域可以对板材予以镀膜处理, 区域镀膜既可以减少镀膜的原料消耗和减轻板材的重量,还可以提高板材的强度,防止其所受应力过于集中而破坏。

摘要：随着板材加工工艺的不断改善,我国大部分钢铁加工厂的扎制工艺也有了很大的提高。铝合金板材的扎制在生产生活中都有很广泛的应用,但铝合金有很高的热敏感性,其中的颗粒大小及分布对板材的扎制有很大的影响,所以利用有限元分析技术,对扎制过程中的板材进行模拟,获得板材的应力分布图。结果表明,板材中的颗粒越细小越均匀更利于消除应力集中现象。

镁合金板材轧制成型的研究进展 篇6

关键词：镁合金,轧制方式,轧制工艺,轧制成型

镁合金作为最轻的结构合金,已经逐渐被应用到航空航天、汽车、摩托车、电子产品等领域,而对其力学性能的要求也越来越高。传统的铸造镁合金已经渐渐无法满足要求,采用挤压、轧制、锻造等塑性加工工艺生产的变形镁合金产品,由于具有更好的力学性能、 多样化的结构而越来越受到重视。其中轧制因更容易大规模生产大件型材而受到广大科研工作者的关注。

但是,由于镁是密排六方结构,在室温只有3个滑移系,不满足5个滑移系的多晶体塑性变形协调性原则,所以其塑性较低。另镁合金的体积热容较小1781J/(dm3·K),升温和散热降温都比较快,在塑性变形中温度下降很快,且不均匀,易发生边裂和裂纹。这些因素导致镁合金的轧制成型较铝合金要困难很多[1]。所以研究和改进镁合金的轧制工艺和轧制方式,提高其轧制成形性,以得到力学性能优良、二次成形性好的板材是现在急需解决的问题。本工作将分析镁合金轧制成型的特点,综述通过调整工艺和选择轧制方式来提高镁合金的轧制成形性。

1 镁合金轧制成型的特点

镁属于密排六方晶体结构,在室温下只有1个滑移面(0001),也称基面、底面或密排面,滑移面上有3个密排方向undefined和undefined,即密排六方晶体在室温下只有3个滑移系,其塑性比面心和体心立方金属都低,塑性变形需要更多地依赖于滑移与孪生的协调动作;滑移与孪生的协调动作是镁合金塑性变形的一个重要特征。室温下,镁合金的塑性较差,变形困难,且易出现裂纹等变形缺陷,是制约镁合金轧制成形的原因。

所以,镁合金的轧制成型通常在一定的温度下进行。通过轧制可以得到晶粒相对细小的镁合金组织,从而提高其力学性能。但是,目前镁合金的轧制成型多采用普通的对称轧制,轧制后的组织有强烈的(0002)基面织构,不利于后续加工成型[2,3]。因此,滑移系少、孪生和较强的基面织构导致的成型困难是镁合金轧制成型的重要特点。

镁合金轧制成型的另一个特点是,轧制过程需要多次退火。由于镁合金的体积热容较小,传热系数较大,升温和散热降温都比较快。且在开放的轧制环境中,合金和空气、轧辊等的传热使得轧件的温度下降很快。为了保证轧件的温度在设定的轧制温度范围,道次间需要对轧件进行加热。还因为轧制过程中孪晶和织构的积累,以及加工硬化导致轧制变形越来越困难,所以为了能够继续变形,需要在道次间对轧件进行加热,从而使大量的孪晶发生再结晶,提高材料的塑性,使材料在后续的轧制中不开裂。因此,多次退火就成了镁合金轧制区别于钢等合金的重要特点。

另外,镁合金的诸多特性导致它在轧制成型过程中的其他一些特点。例如,镁合金的塑性差导致轧制中道次压下量较钢和铝等小很多。体积热容小,温度分布不均匀导致轧件易产生裂纹等。

2 提高镁合金轧制成形性的途径

针对镁合金的上述特点,影响镁合金轧制成型的因素主要有:温度的下降快,轧制过程中的加工硬化,基面织构,退火热处理等。这些因素导致了镁合金轧制过程要控制温度,加热退火;压下量小,要多道次轧制等。还需要有效的控制基面织构,提高轧制成形性和二次成形性。通常通过两个途径改善其轧制成形性,分别是:工艺调节和轧制方式调整。

2.1 工艺调节

镁合金板材的生产工艺流程依次包括:熔炼,铸造,扁锭,锯切,铣面,一次加热,一次热轧,二次加热,二次热轧,剪切,三次加热,三次热轧,冷轧,酸洗,精轧,成品剪轧,退火,涂漆,固化处理,检查,包装,运输。轧制设备与铝合金相似。镁合金轧制用的坯料可以是铸坯、挤压坯或锻坯。塑性加工性能较好的镁合金如Mg-Mn(Mn<2.5%(质量分数))和Mg-Zn合金可直接用铸锭进行轧制。为了消除枝晶,利于轧制成型,铸锭轧制前一般应在高温下进行长时间的均匀化处理。对含铝量较高的Mg-Al-Zn系镁合金,由于枝晶和大量的Mg17Al12相,用常规方法生产的铸锭轧制性能较差,因此常采用挤压坯进行轧制[4]。

轧制工艺中的主要参数和环节包括:轧制温度、变形量、轧制速度、轧制路径、退火等,通过调整这些参数可以达到改善轧件组织,提高轧制成形性的目的。

2.1.1 轧制温度

温度对变形镁合金塑性变形能力具有很大的影响,提高轧制温度可以激活镁合金板材中棱柱面和锥柱面等潜在的滑移系,改善镁合金的塑性,从而大幅度改善镁合金轧制成形能力。但是如果温度过高时,易使板材表面严重氧化而损害表面质量。此外,镁合金变形组织对温度非常敏感,当轧制温度过低时,不能通过动态再结晶细化晶粒,粗大的晶粒组织会存在大量的孪晶。而且这时镁合金材料边部容易开裂,材料内部容易存在不均匀变形,同时产生各向异性,对镁合金板材的二次成形加工非常不利。而轧制温度过高时,有可能发生二次再结晶导致晶粒长大,影响轧后材料的性能。因此镁合金轧制时温度制度的确定十分重要。要确定合理的温度制度,通常需要综合考虑合金相图、塑性图、变形抗力图及再结晶图等。表1是几种常见镁合金的热轧温度。

按照轧制温度的高低,镁合金的轧制也可分为热轧、温轧、冷轧。当在高于再结晶温度的温度范围内轧制时,即为热轧。热轧过程中会发生动态再结晶,可以细化组织,且热轧得到的板材孪晶较少,所以热轧板材的综合力学性能较好。冷轧通常在室温下进行,冷轧得到的板材组织中含有大量的孪晶,抗拉强度较高。温度高于冷轧温度而又低于再结晶温度下进行的轧制系温轧。温轧能在一定范围内提高材料的塑性,降低加工硬化。

通过调整轧制温度,可以得到不同性能要求的轧件。轧制过程中可以选择多个轧制温度以控制组织,提高塑性和轧制效率。通常先进行热轧,终轧采用冷轧的方式。汪凌云等[1]在研究AZ31B镁合金时,采用450～460℃的开轧温度和260～300℃的终轧温度成功的获得了性能优良的板材。而陈维平等研究了 300,330,360℃3 个轧制温度对 AZ31 镁合金组织和硬度的影响。研究表明,在同一变形量下,随着轧制温度的升高,板材的晶粒呈长大趋势,硬度逐步下降,在330℃轧制时,板材的综合性能较好[5]。

2.1.2 变形量

在轧制过程中,变形量是个很关键的参数。如果变形量过大,板材就有可能开裂。变形量太小,效率就会降低,还会影响板材的组织和性能。镁合金的变形能力较差一般采用多道次小压下量的轧制方式进行。冷轧条件下,AZ31镁合金的最大变形量可达15%,但一般都采用道次压下小于5%,两次中间退火的总变形量小于25%的工艺[1,4,6]。

但在较高温度下也可进行大压下量轧制。陈彬等[7]的研究表明:挤压态AZ31镁合金在300℃或400℃进行大压下量轧制,道次压下量可在46%以上,最高可达71%。而且板材在轧制过程中发生了动态再结晶,得到了均匀细小的组织,力学性能良好,同时提高了生产效率。通过温度调节和变形量的控制可以减少轧制道次,显著的提高轧制效率。

2.1.3 退火处理

经轧制的镁合金板材组织中有很多的孪晶,且加工硬化现象严重,不利于二次加工成型。所以需对镁合金轧制板材进行退火处理,以提高其塑性。另外,镁合金板材在轧制过程中也需进行退火处理,以利于后续轧制。

傅定发[8]和程永奇[9]等研究了退火处理对镁合金板材组织性能的影响。经退火后,板材组织中的孪晶逐渐消失,形成等轴的再结晶晶粒。晶粒尺寸随退火温度的升高而变大,随退火时间的延长先细化后长大。退火后板材的抗拉强度略有下降,但伸长率和冲压性能有较大改善。AZ31最佳退火工艺为200℃退火1h。

2.1.4 轧制路径

轧制路径不同对板材的组织和性能也有很多影响。张文玉等[10]研究了(1)每道次轧制方向和板正法向均不变;(2)每道次轧制方向不变而板正法向旋转180°;(3)每道次轧制方向旋转180°而板正法向不变;(4)每道次板材轧制方向和板正法向均旋转 180°四种轧制路径在异步轧制中的对板材组织和性能的影响。发现,以每道次轧制方向旋转180°而板正法向不变的路径轧制的板材的金相显微组织较好,晶粒细小(约为20μm),孪晶少,伸长率达到 26% ,并且板材的屈服强度、应变硬化指数较高;而按每道次板材轧制方向和板正法向均旋转 180°的路径轧制的板材的塑性应变比值最大。

曲家惠[11]和张青来[12]等研究了交叉轧制路径对板材组织的影响。单向冷轧的形变量超过15.37%即断裂,而交叉冷轧的形变量超过5.79%就发生断裂。在相同变形量下,单向轧制的(0001)面各织构组分强度趋向均匀分布,而交叉轧制的(0001)面各织构组分向{0001}〈2110〉聚集增强。研究还发现,挤压+交叉热轧组织是由混晶组织还是由含有板条状组织组成,主要取决于挤压板的组织,交叉轧制组织存在挤压组织的遗传性。

因此,可以采用以每道次轧制方向旋转180°而板正法向不变的路径对板材进行轧制,以提高其塑性,从而提高轧制效率。由于交叉轧制改变了基面织构也是一种很好的尝试。

2.2 轧制方式

轧制方式是影响镁合金板材力学性能和轧制成形性的主要因素。轧制方式不同,板材在轧制工程中受的力就可能不同,从而得到的组织也有差异。比如,晶粒大小、基面织构、各向异性等在不同轧制方式下都会有所改变。

通过选择合适的轧制方式,可以有效的细化晶粒和降低织构强度,提高板材的成型性和后续加工性能。研究表明,晶粒尺寸小于10μm时,镁合金将体现出良好的超塑性[13,14];镁合金板材各向异性程度高,力学性能不平均,通过控制织构降低各向异性程度,可有效的提高板材性能。

目前,应用在镁合金板材上的轧制方式主要有:同步轧制、异步轧制、非对称轧制、等径角轧制、双辊连铸连轧、垒积叠轧等。研究不同轧制方式下,板材的组织性能,从而选择合适的轧制方式,方能以较高的效率轧得满足要求的板材。

2.2.1 同步轧制

同步轧制,即常规轧制,是目前应用最广的轧制方式。以两辊轧机为例,上下棍直径相当,转速相同,转向相反。这种方式得到的镁合金板材,中线以上和中线以下的变形量相当。通过轧制可以得到细小的组织,提高镁合金的强度。但是这种轧制方式下得到的板材基面织构很强,塑性较差。轧制过程中需要反复多次道次间退火。CHANG Tien-chan等的研究发现,AZ31镁合金经多道次,反复加热轧制后的平均晶粒尺寸达到11.7nm,但是基面织构强烈,且发现了很多的孪晶[15] 。

2.2.2 异步轧制

异步轧制是指两工作辊圆周线速度不同而进行轧制的工艺过程。异步轧制辊速的不同是通过上下轧辊半径不同或是二者转动角速度不一样来实现的。前者称为异径异步轧制,后者称为同径异步轧制。异步轧制技术自20世纪40年代产生以来,异步轧制工艺几经改进,其轧制原理已日臻成熟。

实验研究表明[16,17,18,19,20],在轧制条件相同的情况下,常规轧制与异步轧制AZ31镁合金板材的显微组织存在明显区别。与常规轧制相比,异步轧制板材的动态再结晶进行的比较完全,晶粒较细小,且晶粒大小更加均匀。常规轧制板材的显微组织中存在大量的孪晶,而异步轧制板材的晶粒组织中孪晶很少。且通过异步轧制能有效的减弱镁合金板材的(0002)基面织构,使搓轧方向改变5～10°,使织构得到软化,提高其二次成型性能。

异步轧制可看成拉伸压缩和剪切变形的迭加。异步轧制所产生的织构应是同步轧制产生的织构和纯剪切产生的织构的迭加,这种交互作用的结果使镁合金可以在室温条件下以高达一道次20%的形变量轧成薄板,而不发生裂纹,表面平整光滑。由于是拉伸压缩和剪切变形的迭加,镁合金在塑性变形时,除基面的滑移和孪生外,柱面的滑移也易开动,导致该合金在室温下有较大的塑性变形而不开裂[21]。

2.2.3 等径角轧制

等径角轧制是在等径角挤压的基础上发展的新型轧制方式。程永奇、陈振华等[22]率先在镁合金轧制中应用了等径角轧制的方法。等径角轧制装置如图 1 所示。 等径角轧制模具安装于普通双辊轧机上,在等径角轧制过程中,板材首先通过轧辊产生一定的轧制变形,然后利用两轧辊与板材表面的摩擦力来提供足够的挤压力使板材通过等径角模具转角,以此来实现板材的连续剪切变形。

经等径角轧制后的板材,晶粒取向由等径角轧制前的(0002)基面取向演化为基面与非基面共存的取向。与等径角轧制前的板材相比,板材晶粒尺寸略有长大并有孪晶出现,但强度却明显提高,单道次轧制的板材其抗拉强度提高约15%,屈服强度提高约24%,而断裂延伸率变化不大;随着等径角轧制道次的增加,板材的强度逐渐降低。但是塑性得到提高,轧制成型性和二次成形性有了明显的改善[23]。

2.2.4 垒积叠轧

垒积叠轧技术最早是由PEREZ-PRADO [24,25]应用到镁合金中的。累积叠轧过程如图 2所示,分为切割、表面处理、叠垛、预热、轧制几个步骤,可视情况重复进行。轧制过程中改变压下量,可调整轧后板材厚度。

Del等的研究[25]发现,晶粒的大小和轧制温度、道次压下量有关。在较低温度下得到的晶粒尺寸较小。累积轧制得到的晶粒尺寸与其它大变形技术得到的晶粒尺寸相近,但是累积叠轧加工过程中板材的(0002)基面织构很稳定,不利于后续的二次成型。

2.2.5 交叉辊轧制

交叉辊轧制方式是将上下轧辊成一定的角度(2θ)而进行的轧制,轧制示意图见图3。

Yasumasa chino等[28]的研究表明,交叉辊轧制较普通的轧制方式有更好的压力成型性能,这与板材厚度方向应变的方向依赖性减小和宽度方向的拉伸应变有关。另外(0002)基面织构的密度减小也是塑性提高的一个原因。同时,晶粒细化也使板材的成形性得到了很大的提高。

综上所述,由于柱面滑移的开动,异步轧制可以实现较大的道次压下量,得到的组织比同步轧制更均匀,晶粒更细小,且能够减弱基面织构。等径角轧制最大的优点就是可以有效的较少基面织构,且能使板材的强度提高。而累积叠轧可以有效的细化晶粒,交叉棍轧制能够提高板材的塑性。异步轧制、等径角轧制、交叉棍轧制都可以提高轧制成形性和轧制效率,但是,异步轧制技术相对其他几种轧制技术应用的时间要长,技术相对成熟,且较等径角轧制、交叉棍轧制工序简单,可以实现大规模的在线轧制。

3 结束语

镁合金作为一种新兴的金属结构材料,有着丰富的资源和广阔的应用前景。但是如何提高其轧制成形性,是镁合金进一步发展面临的问题。目前应用最广的常规轧制方法,需要在轧制过程中对板材进行多次道次间退火,以减少加工硬化、孪晶及温度的下降对后续轧制的影响。但是多次的退火处理使工序变的很繁杂,且使晶粒长大,影响了板材的性能。

铝合金板材 篇7

5A02是变形铝合金板材的一种, 其化学成分见表一。该铝合金板材的主要合金成分元素为镁, 同时含有少量的硅、铁、铜、锰、铬等合金元素。该铝合金板材具有良好的耐腐蚀性, 不管是在海水中还是在乙醇、汽油等都具有很好的耐腐蚀特性。同时强度高, 可塑性好。该板材广泛用于生产油箱、导管及油介质中工作的结构件等。还用于生产船舶结构件、焊丝、铆钉等。

1 退火实验及结果分析

退火试验中应用的材料为西南铝业生产的牌号为5A02薄板。板材厚度为1mm。退火实验在箱式电阻炉中进行。将5A02铝合金冷轧板分别在300℃~500℃之间每隔20℃取一个温度点采用到温入炉的方式, 保温30min、60min、90min、120min进行退火处理, 出炉后空冷。在CMT5105型电子万能实验机上进行室温单向拉伸实验, 测量材料在不同热处理条件下的抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬化指数等指标。拉伸试样分别从合金板材与轧制方向成0°、45°、90°三个方向截取, 拉伸速率为5mm/min。

1.1 不同退火时间对材料的抗拉强度的影响

抗拉强度是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值, 也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。从实验数据可以看出, 5A02铝合金板材的抗拉强度随退火温度的上升是逐渐下降的。在退火时间为30min、60min时, 退火温度从300℃上升至320℃时, 曲线是非常平缓的。在320℃至440℃之间, 抗拉强度下降幅度增加。在440℃至500℃之间, 抗拉强度持续缓慢的下降。

1.2 不同退火时间对材料的屈服强度的影响

屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限, 亦即抵抗微量塑性变形的应力。可以用来大致衡量板材在工程上的性能的高低, 是衡量变形铝合金板材性能好坏的重要指标。从实验数据可以看出, 屈服强度的变化趋势和抗拉强度的变化趋势几乎相同。在360℃到400℃之间, 屈服强度下降率较大, 说明材料在此时间段里发生再结晶。

1.3 不同退火时间对材料的伸长率的影响

伸长率是指在拉力作用下, 密封材料硬化体的伸长量占原来长度的百分率。伸长率越大, 且弹性恢复率越大, 表明密封材料的变形适应性越好。实验中将退火温度逐步提升, 从材料的伸长率变化数据可以看出, 伸长率的变化趋势是逐步提升的。当退火时间停留在90分钟和120分钟时, 退火温度在大于300℃而小于380℃时, 伸长率的提升幅度较大。当退火温度高于380℃时, 伸长率的提升趋势平缓。

1.4 不同退火时间对材料的应变硬化指数n的影响

应变硬化指数n反映材料在塑性变形过程中均匀变形的能力, 用它可以来评价材料的成形性能。n值大材料不易进入分散失稳, 材料应变强化的能力强。实验中逐步提高退火温度, 同时延长退火时间, 从实验数据可以看出, 该铝合金板材的硬化指数是逐渐增大的。当退火时间为90分钟, 退火温度保持在380℃时, 该铝合金板材的硬化指数提升幅度较大, 处于一个较高的水平, 此时的铝合金板材应变分布均匀效果更佳, 可以大幅度提高材料的成形极限。

2 结论

1) 当提高退火温度的同时延续退火时间时, 5A02铝合金板材的抗拉强度的变化趋势基本平缓, 但是该板材的伸长率的提升幅度明显。从实验中可以看出, 若实际工程中该板材的伸长率符合需要时, 从保护环境, 节约资源, 降低成本的角度来考量, 可以适当的减小退火的时间。