Al6061板材冷軋與再結晶退火試驗研究及材料微觀參數(shù)對表面粗糙度演變的影響.pdf

1、高精度鋁合金矩形管作為傳輸系統(tǒng)中微波傳導的主要介質(zhì)，廣泛應用于航空、航天、雷達、遙測等領域。由于使用環(huán)境較為特殊，矩形管不僅在形狀和尺寸精度方面有很高的要求，在內(nèi)表面質(zhì)量方面更有著嚴苛的限定，制備難度相當大。國內(nèi)目前的研究進展僅能夠通過冷拉拔成形制得形狀和尺寸精度符合要求的矩形管，而管材的內(nèi)表面粗糙度仍無法達到設計要求。所以有必要對塑性變形過程中的表面形貌演化機理進行深入剖析，以實現(xiàn)塑性變形工件表面質(zhì)量的控制。擬采用三維多晶體有限元計算

2、與工藝試驗相結合的方法，基于典型應變路徑定量描述材料微觀參數(shù)對表面形貌演變的影響。由于拉拔過程中材料受力情況復雜，不便于分析單個參數(shù)對表面粗糙度的影響，因此本文考慮從簡單的變形路徑入手，分析變形過程中表面粗糙度的變化規(guī)律。
　　本文首先開展了冷軋與再結晶退火等工藝試驗，得到不同條件下6061鋁合金微觀參數(shù)與力學性能的變化規(guī)律；然后基于晶體塑性理論和多晶體材料細觀有限元分析模型，采用細觀有限元分析與拉伸實驗研究相結合的方法，研究了材

3、料初始表面粗糙度、初始晶粒尺寸以及初始晶體學取向等參數(shù)對單向拉伸變形過程中表面粗糙度演變的影響。本文的主要研究工作如下：
　　1）對6061鋁合金板材進行不同冷變形量的軋制實驗，研究合金軋制變形組織的變化以及軋制織構的演變規(guī)律，并分析不同冷變形量對鋁板力學性能的影響。結果表明，隨著冷軋變形量的增加，板材中的立方織構發(fā)生轉化而減少，β纖維織構得到發(fā)展；軋制過程中合金的強度、硬度增加，而延伸率逐漸降低。
　　2）對冷變形6061

4、鋁板進行不同加熱溫度和保溫時間的再結晶退火處理，研究合金再結晶組織、再結晶織構以及力學性能的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，冷變形量越大，退火組織的平均晶粒尺寸越?。煌嘶饻囟仍礁?，形核率以及晶核生長速率越高，再結晶驅動力越大；隨著退火時間的延長，再結晶進行得越充分，生成晶粒均勻而粗大的微觀組織。退火后主要生成高強度的立方織構和旋轉立方織構，與加熱溫度和冷變形量相比，退火時間對合金織構類型及分布的影響更為顯著。此外，合金在固溶溫度以下退火后強度、硬度

5、降低，而延伸率明顯增加。
　　3）建立多晶體材料單向拉伸條件下的三維細觀有限元模型，并確定細觀分析模型的尺寸。發(fā)現(xiàn)隨著細觀分析模型尺寸的增加，拉伸變形后自由表面的粗糙度先增加而后趨于穩(wěn)定。小尺寸的模型在拉伸變形過程中晶粒變形不均勻，這是由模型中晶粒個數(shù)過少導致。
　　4）文中基于單向拉伸變形，對不同初始表面粗糙度和初始晶粒尺寸的細觀模型進行了數(shù)值模擬分析。結果顯示，塑性變形后的表面形貌可近似地分為兩個部分：一部分為非均勻變形

6、的結果（粗化表面形貌），另一部分為均勻變形的結果（差值表面形貌）。初始表面粗糙度使自由表面的粗化率（dSq/dε）降低，晶粒間取向差和其他因素所導致的非均勻變形對表面粗糙度演變的影響隨初始表面粗糙度的增大而降低。此外，沿不同方向的晶粒尺寸變化會對變形后的表面粗糙度產(chǎn)生不同程度的影響。
　　5）研究了不同初始取向和織構類型對拉伸變形過程中表面粗糙度演變的影響。結果表明，與織構類型相比，晶粒間取向差或者晶體取向不均勻分布是導致塑性變形

7、過程中表面粗糙化的更為關鍵的因素。
　　6）通過單向拉伸實驗研究了變形過程中表面粗糙度的變化規(guī)律。對比實驗測量結果和數(shù)值模擬結果，發(fā)現(xiàn)兩者所得的表面粗糙度的變化趨勢基本一致，驗證了細觀分析模型和有限元模擬結果的可靠性。
　　針對鋁合金矩形管的高內(nèi)表面質(zhì)量要求，本文從基礎實驗的開展入手，比較深入地研究了材料在實驗前后的微觀參數(shù)及力學性能變化。然后基于實驗研究，建立了多晶體材料細觀有限元模型，分析了塑性變形過程中多種參數(shù)對表面粗