【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 材料之一。然而，對(duì)鎂合板材軋制成形技術(shù)的研究尚未取得完全突破，特別是大寬厚比寬幅（1500 mm）鎂合金板材軋制生產(chǎn)過程中存在嚴(yán)重的邊裂現(xiàn)象，目前仍然是相當(dāng)普遍的質(zhì)量難題，也是鎂合金軋制成形技術(shù)中的難點(diǎn)。引起本領(lǐng)域科研工作者的關(guān)注，已成為該方向近年來研究的熱點(diǎn)[4547]。因此，邊裂產(chǎn)生機(jī)理及其預(yù)控機(jī)制已成為當(dāng)前鎂合金板材軋制生產(chǎn)亟待解決的核心科學(xué)問題之一。邊裂是變形條件應(yīng)力狀態(tài)微觀組織演變邊部損傷之間遺傳效應(yīng)的宏觀體現(xiàn)，既與坯料組織性能和工藝因素有關(guān)，還與坯料幾何外形、軋輥輥型等有關(guān)，成因極為復(fù)雜。可見，為了實(shí)現(xiàn)鎂合金軋制邊裂控制，首先需探明邊裂影響因素的作用機(jī)制，并將主要因素耦合后對(duì)全板寬的作用規(guī)律和對(duì)邊部損傷量化表征；繼而對(duì)邊裂做出預(yù)判，通過揭示邊裂產(chǎn)生機(jī)理，確定邊裂控制的核心要素，對(duì)其預(yù)控機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究，為實(shí)現(xiàn)邊裂參數(shù)化控制奠定理論基礎(chǔ)。本文正是基于鎂合金的突出優(yōu)點(diǎn)及產(chǎn)業(yè)未來優(yōu)勢(shì)，針對(duì)當(dāng)前鎂合金板材軋制生產(chǎn)過程中面臨的邊裂嚴(yán)重、缺乏有效的控制手段及新工藝原理等技術(shù)瓶頸擬開展本課題的研究。最直接的研究意義是為了提高鎂合金板帶軋制的成材率，降低成本，提高鎂的附加值，使得鎂資源的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮；另一方面由于鎂合金的特殊晶體結(jié)構(gòu)（密排六方結(jié)構(gòu)），鎂合金的軋制變形相對(duì)于普碳鋼或鋁合金而言要復(fù)雜的多，在進(jìn)行軋制邊裂研究時(shí)，必須清楚鎂合金的軋制塑性變形機(jī)理，邊裂各影響因素的作用機(jī)制，即從微觀晶粒變形到宏觀工藝參數(shù)影響都成為研究對(duì)象。而截止現(xiàn)階段，關(guān)于鎂合金在不同加工條件下的塑性變形機(jī)理以及軋制生產(chǎn)工藝參數(shù)的研究都不夠明確，在某些區(qū)域處于斷層甚至空白。因此，對(duì)鎂合金軋制邊裂機(jī)理及其控制技術(shù)的研究既是急需解決的工程技術(shù)問題，也是一個(gè)需要完善和拓展的學(xué)術(shù)問題。本課題的研究意義重大，研究成果具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。 本課題研究主要內(nèi)容與方法 研究?jī)?nèi)容本文以AZ31 鎂合金板材軋制過程中的邊裂行為為研究對(duì)象，將材料加工工藝和材料性能，基于損傷理論，將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)研究邊部預(yù)制凸度對(duì)鎂合金板材軋制邊裂的影響，優(yōu)化鎂合金板材軋制工藝。主要研究以下三方面內(nèi)容：1）構(gòu)建能夠體現(xiàn)軋制壓下量與邊裂深度間定量關(guān)系的邊裂預(yù)判基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型； 2）采用數(shù)值模擬方法，確定不同立輥側(cè)壓量邊部凸起輪廓的影響，根據(jù)數(shù)值模擬得到的結(jié)果建立不同側(cè)壓量條件下的邊部凸起高度模型，并分析立輥側(cè)壓預(yù)變形軋制對(duì)鎂合金板材損傷的影響；3）根據(jù)實(shí)際條件，采用邊部預(yù)制凸度的方法進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析軋制過程中邊部拉應(yīng)力對(duì)邊裂的抑制效應(yīng)，采用邊部預(yù)制凸度弱化軋制方法過程中邊部拉應(yīng)力，研究預(yù)制凸度后軋制過程中全板寬邊裂分布的變化規(guī)律。對(duì)實(shí)際軋制實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為解析寬幅AZ系列鎂合金板材軋制邊裂產(chǎn)生機(jī)理并實(shí)現(xiàn)參數(shù)化控制提供理論依據(jù)，而且能夠?yàn)橄鄳?yīng)的軋制工藝和設(shè)備開發(fā)提供技術(shù)原型。不僅是對(duì)鎂合金塑性變形理論的有益補(bǔ)充，也為寬幅鎂合金板材軋制生產(chǎn)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，并可拓展到其他金屬材料軋制邊裂控制。 課題研究總體技術(shù)路線圖 The technology roadmap of subject research 研究方法本文將從造成鎂合金板材軋制邊裂的影響因素研究結(jié)果入手，以邊裂產(chǎn)生 機(jī)理、邊裂預(yù)判模型和控邊裂軋制工藝開發(fā)為主要研究?jī)?nèi)容。按照“問題提出 針對(duì)分析抽象總結(jié)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”層層遞進(jìn)、相互印證關(guān)系的思路開展研究?jī)?nèi)容中確定的各項(xiàng)工作。課題將采取“理論分析數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”三位一體的研究方法，開展研究?jī)?nèi)容中確定的各項(xiàng)工作。開發(fā)鎂合金板材控邊裂預(yù)制凸度軋制工藝，為鎂合金板材軋制提供合理的工藝方案和技術(shù)支持。47第二章 實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)手段以及設(shè)備 實(shí)驗(yàn)材料AZ31鎂合金是目前工程材料市場(chǎng)上主流使用的商業(yè)變形鎂合金之一，本課題在進(jìn)行軋制鎂合金板材軋制實(shí)驗(yàn)過程中所使用的材料為某商業(yè)公司生產(chǎn)的AZ31鎂合金鑄錠。對(duì)鑄錠在400 ℃條件下保溫24小時(shí)進(jìn)行均勻化處理，以便原始鎂合金鑄錠中的共晶相融入鎂基體中，并消除材料內(nèi)部生產(chǎn)過程中存在的應(yīng)力，改善其加工變形性能及其力學(xué)性能。將固溶處理后的鑄錠切割得到軋制實(shí)驗(yàn)所需要的板材試樣。 實(shí)驗(yàn)所用材料主要成分（Wt%）Table Main ponents of experimental materials (Wt %)AlZnMnSiFeCuNiMgBal 有限元模擬鎂合金板材軋制過程由于DEFORM3D在后處理中具有獨(dú)特的查看軋后板材損傷值分布情況的功能，因此對(duì)AZ31鎂合金板材軋制過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用大型有限元軟件DEFORM3D進(jìn)行模擬計(jì)算分析。根據(jù)實(shí)際軋制條件設(shè)定數(shù)值模擬過程所需的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以便得到不同實(shí)驗(yàn)條件下鎂合金板材的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及損傷值分布情況，同時(shí)可以得到不同側(cè)壓量條件下鎂板邊部的凸起輪廓曲線，以指導(dǎo)實(shí)際軋制實(shí)驗(yàn)的預(yù)制凸度軋制鎂合金板材。 軋制實(shí)驗(yàn)本課題的軋制實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室配備有軋輥加熱裝置的二輥軋機(jī)上進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)（），該軋機(jī)軋輥直徑為320 mm，輥身長(zhǎng)度為360 mm。將切割好的AZ31鎂合金板材試樣放入真空加熱爐中加熱到所需溫度，并充入惰性氣體氬氣進(jìn)行保護(hù)，保溫一定時(shí)間進(jìn)行均勻化退火處理，使試樣具有均勻的溫度場(chǎng)。該真空加熱爐的工作室尺寸為50 mm x 40 mm x 40 mm，其最大加熱速率為10 ℃/min，最高加熱溫度能達(dá)到1000 ℃以上。同時(shí)，為提高板坯的塑性變形能力，盡可能降低鎂板軋制過程中發(fā)生開裂行為，因此在軋制之前將軋輥溫度加熱到150 ℃。 實(shí)驗(yàn)方法將鎂合金鑄錠切割成100mm x 100mm x7mm的尺寸，采用真空加熱爐對(duì)板坯進(jìn)行加熱，以盡量減小加熱過程中鎂板氧化對(duì)其軋制性能的影響。將軋件加熱到400 ℃后并保溫30 min， m/s，壓下量分別為10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%和45%條件下進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)軋制后裂紋深度情況。 Diagram of rolling mill 預(yù)制凸度軋制實(shí)驗(yàn)通過有限元軟件模擬不同壓下量立軋后試樣邊部最大凸度量和立軋變形區(qū)長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，使用電火花線切割將試樣加工成單邊預(yù)制凸度量分別為0 mm、 mm、 mm、 mm預(yù)制凸度試樣。然后在400 ℃的真空加熱爐中均勻化處理4小時(shí)，隨爐冷卻至室溫環(huán)境，以盡量減小或消除鑄態(tài)板中的成分偏析，提高熱加工性能。軋制實(shí)驗(yàn)在輥徑為320 mm、輥身長(zhǎng)度380 mm的二輥實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行，軋前試樣加熱至450 ℃保溫40分鐘，以保證軋件內(nèi)部溫度分布均勻， m/s。為了進(jìn)行預(yù)制凸度對(duì)無邊裂單道次軋制壓下量影響的測(cè)試，試樣總共分成了4組，其中每一組試樣都包含有預(yù)制邊部凸度量分別為0 mm， mm， mm， mm的四塊軋件。第一組試樣經(jīng)1道次軋后厚度為9 mm，編號(hào)分別為MMMM4； mm，編號(hào)分別為MMMM8；第三組試樣經(jīng)1道次軋后厚度為8 mm，編號(hào)分別為MMM1M12； mm，編號(hào)分別為M1M1M1M16。 金相組織觀察根據(jù)不同軋制條件對(duì)軋后板材截取試樣并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，實(shí)驗(yàn)中將編好號(hào)碼的試樣進(jìn)行鑲嵌，用不同粒度的砂紙依次對(duì)所得到的試樣進(jìn)行水磨拋光，用蒸餾水沖洗干凈并放入無水乙醇中清洗，將清洗好后的試樣用吹風(fēng)機(jī)吹干以防止鎂合金金相試樣表面發(fā)生氧化，用配置好的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，然后通過蔡司掃描電子顯微鏡（）觀察鎂合金板材金相組織，所用的腐蝕劑為：水10 ml+乙醇70 ml+醋酸10 ml+ g溶液。為形成鮮明對(duì)比，確定不同狀態(tài)下鎂合金板材的組織性能，分別對(duì)軋制前以及軋制后試樣的軋制方向、橫向?qū)挾确较蚝头ň€方向都進(jìn)行金相顯微組織觀察。 金相觀察用掃描電子顯微鏡 Scanning electron microscope for metallographic observation 裂紋深度測(cè)量用超景深顯微鏡 Digital microscope for edge crack depth measurement 裂紋開口掃描分析軋制時(shí)提高鎂合金板材生產(chǎn)效率的重要手段，但其在軋制過程中確容易發(fā)生邊部開裂，邊裂已成為制約鎂合金廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中的主要因素。根據(jù)邊部裂紋深度大學(xué)便能直觀判斷鎂合金軋制成形性能大小。在本文中，使用基恩士超景深三維顯微系統(tǒng)VHX2000（）對(duì)軋制后鎂板邊部產(chǎn)生的裂紋深度進(jìn)行測(cè)量，比較不同軋制條件下所產(chǎn)生的邊部裂紋深度，分析預(yù)制凸度軋制對(duì)鎂合金板材邊裂深度的影響。 力學(xué)性能是表征材料在外界各種載荷作用下抵抗變形的重要衡量指標(biāo)，鎂合金板材經(jīng)過不同條件軋制后，其所表現(xiàn)出的力學(xué)性能也不同。同時(shí)邊部預(yù)制凸度軋制時(shí)材料邊部和中部的壓下量并不一樣，使得軋制過程中變形程度也不相同，從而邊部和中部所表現(xiàn)出的力學(xué)性能也存在一定差異，因此需要對(duì)軋制后板材進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 第三章 AZ31鎂合金板材軋制邊裂深度預(yù)判模型研究 引言與鋁合金材料相比較，鎂合金由于其具有更為突出的特性如高比強(qiáng)度和低密度等，且隨著人們對(duì)輕量化材料的需求，使其在工程中具有良好前景。但與體心立方晶體結(jié)構(gòu)以及面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料相比較，密排六方晶體結(jié)構(gòu)的鎂合金及其單晶體的內(nèi)在不對(duì)稱性[48,49]，使鎂合金材料在室溫下表現(xiàn)出較高的各項(xiàng)異性行為且成形性能較低。由于變形不均勻的影響，在采用軋制方式生產(chǎn)鎂合金板材時(shí)，非常容易在材料邊部形成附加拉應(yīng)力，進(jìn)而形成邊部裂紋[50]，邊裂已經(jīng)成為限制鎂合金板材廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要影響因素。在目前已有文獻(xiàn)中，關(guān)于鎂合金裂紋的研究大多數(shù)都是關(guān)于疲勞裂紋的研究，很少有專門針對(duì)鎂合金軋制壓下量與邊部裂紋深度數(shù)學(xué)關(guān)系模型的研究。邊部裂紋深度與壓下量的數(shù)學(xué)關(guān)系模型對(duì)定量分析鎂合金板材軋制邊裂有一定的指導(dǎo)作用，因此，研究鎂合金板材軋制過程中能夠?qū)吜焉疃饶軌蜻M(jìn)行基本預(yù)判的數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化鎂合金軋制工藝具有重要意義。本章中，以鑄態(tài)AZ31鎂合金為研究對(duì)象，通過大型仿真軟件DEFORM對(duì)鎂合金板材軋制過程進(jìn)行數(shù)值模擬，建立鎂合金板材軋制邊裂深度與壓下量的基本數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在400 ℃溫度條件下分別以壓下量10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%和45%對(duì)鎂板進(jìn)行單次軋制，研究不同壓下量對(duì)鑄態(tài)鎂合金軋制邊裂的影響，同時(shí)分析不同壓下量軋制后鎂合金板材的顯微組織。 實(shí)驗(yàn)材料與方法本研究軋制實(shí)驗(yàn)所用的AZ31鎂合金鑄錠是由某公司提供的商用鎂合金。將鎂合金鑄錠切割成100 mm x 100 mm x 7 mm的尺寸，采用真空加熱爐對(duì)板坯進(jìn)行加熱，以盡量減小加熱過程中鎂板氧化對(duì)其軋制性能的影響。將軋件加熱到400 ℃后，以恒定溫度保溫30 min， m/s條件下，將加熱后的AZ31鎂合金板坯放到實(shí)驗(yàn)室二輥軋機(jī)上進(jìn)行軋制，其軋輥直徑為320 mm，輥身長(zhǎng)度為340 mm，壓下量分別為10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%和45%。比較不同壓下量條件下所產(chǎn)生的邊部裂紋深度，其中將邊裂深度定義為沿板寬方向由邊部向里裂紋所覆蓋的尺寸[23]。同時(shí)，利用有限元軟件Deform3D根據(jù)實(shí)際軋制條件設(shè)置模擬參數(shù)進(jìn)行有限元分析，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際軋制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，確定AZ31鎂合金板材軋制過程中邊部的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，分析應(yīng)力應(yīng)變對(duì)邊部裂紋產(chǎn)生的影響。 壓下量對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金板材軋制邊裂的影響 Effect of reduction on edge crack of ascast AZ31 magnesium alloy 超景深裂紋深度測(cè)量結(jié)果 The measurement result of edge crack depth by digital microscope 不同壓下量軋制產(chǎn)生裂紋情況 壓下量對(duì)鎂合金板材邊裂的影響圖1為不同壓下量條件下對(duì)鎂合金板材軋制后其宏觀形貌。根據(jù)宏觀形貌可以看出，以不同壓下量在同一條件下對(duì)鎂合金板軋進(jìn)行軋制，軋后板材裂紋從無到有，且在所看到的裂紋中，最大裂紋深度總是出現(xiàn)在板材邊緣區(qū)域。當(dāng)壓下量達(dá)到20%時(shí)，鑄態(tài)鎂合金板材經(jīng)過單道次軋制后邊部便開始出現(xiàn)裂紋，這可能是因?yàn)閴合铝窟_(dá)到了臨界值，并且所用實(shí)驗(yàn)板材為鑄態(tài)，其成分可能存在偏析，邊部裂紋開始萌生，此時(shí)邊部裂紋深度 不同壓下量軋制后鎂板損傷分布 Damage distribution of AZ31 magnesium alloy rolled under different reduction為5240 μm；繼續(xù)增加單道次壓下量，邊部裂紋深度也逐漸增大，最大裂紋深度達(dá)到14056 μm。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，軋制實(shí)驗(yàn)中鎂合金板材的邊裂開口呈現(xiàn)間隔循環(huán)分布的規(guī)律，在邊部所有裂紋中，大多數(shù)都為“/型”裂紋，只有少部分為“V型”裂紋。 壓下量對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合板材軋制邊部損傷的影響 Effect of rolling reduction on the edge damage of AZ31 magnesium alloy sheet 邊裂預(yù)測(cè)模型的建立根據(jù)實(shí)際軋制條件，采用有限元軟件DEFORM建立鎂合金板材軋制三維模型，對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金軋制過程進(jìn)行數(shù)值模擬。在DEFORM中，內(nèi)置損傷模型為Crockroft amp。 Latham準(zhǔn)則，其認(rèn)為材料斷裂的重要因素是拉伸應(yīng)力，當(dāng)給定材料參數(shù)時(shí)，則只有損傷因子達(dá)到材料的臨界損傷因子時(shí)才會(huì)發(fā)生開裂。根據(jù)數(shù)值模擬得到的結(jié)果，將不同壓下量條件下的最大損傷值進(jìn)行回歸分析，便能得到當(dāng)前軋制條件下壓下量與損傷值的關(guān)系式。因此，在當(dāng)前軋制條件下鑄態(tài)AZ31鎂合金軋制過程中最大損傷值可以用下面的方程表示： （31）其中即為在當(dāng)前軋制條件下的最大損傷值，為壓下量。同理，對(duì)軋制后所產(chǎn)生的邊部裂紋深度與壓下量之間的關(guān)系進(jìn)行分析，根據(jù)不同壓下量得到沿板寬方向的損傷值大小分布情況。為了使所得結(jié)果更為精確，沿寬度方向每隔2 mm取點(diǎn)標(biāo)記，總共取10個(gè)點(diǎn)，然后將所得到的損傷分布進(jìn)行擬合，再將不同壓下量條件下的曲線規(guī)整為統(tǒng)一表達(dá)式，即可得到沿板材寬度方向