變形鋁合金多道次熱塑性成形模擬的模型和方法研究.pdf

1、在交通工具輕量化以及結(jié)構(gòu)件高強(qiáng)度要求的背景下,變形鋁合金得到了廣泛的應(yīng)用。利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)準(zhǔn)確預(yù)測變形鋁合金在熱塑性成形過程中的材料流動、流動應(yīng)力和溫度分布以及微觀組織演變在學(xué)術(shù)和工業(yè)上都有著重要的意義。本文以兩種典型的Al-Mg-si系變形鋁合金(6082和6A10)為研究對象,模擬其在多道次熱塑性加工過程的材料流動以及微觀組織演變,以期為工業(yè)生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)作用。
　　 由于變形熱效應(yīng)以及試樣與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換的共

2、同影響,單道次軸向熱壓縮試驗(yàn)過程中試樣的溫度偏離了初始設(shè)定值并處于變化中,為了獲得在恒定溫度條件下變形的流變應(yīng)力-應(yīng)變模型,傳統(tǒng)方法是在流變應(yīng)力建模前對流變應(yīng)力試驗(yàn)值進(jìn)行修正,而本文提出了一種無需修正流變應(yīng)力試驗(yàn)值的建模新方法,首先采用不同方法分別建立材料的初始流變應(yīng)力模型和穩(wěn)定流變應(yīng)力模型:對于初始流變應(yīng)力模型,采用迭代法計算模型參數(shù)值；對于穩(wěn)定流變應(yīng)力模型,基于變化溫度條件下的穩(wěn)定流變應(yīng)力數(shù)據(jù),采用最小二乘法擬合模型參數(shù)。在此基礎(chǔ)上

3、,建立了整個應(yīng)變范圍的流變應(yīng)力模型。結(jié)果表明利用該方法所建立的兩種鋁合金的流變應(yīng)力-應(yīng)變模型可以很好地反映溫度變化對流變應(yīng)力的影響。
　　 在雙道次軸向熱壓縮試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對于相同試驗(yàn)條件下的變形分別采用機(jī)械法測量靜態(tài)軟化分?jǐn)?shù)以及定量金相法測量靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù),并建立了兩者之間的關(guān)系。研究表明兩種鋁合金的靜態(tài)軟化分?jǐn)?shù)與靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)具有正偏差的非線性關(guān)系,并且50％靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)于80％靜態(tài)軟化分?jǐn)?shù)。在此基礎(chǔ)上,僅

4、通過機(jī)械測量法即可獲得兩種鋁合金的靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型,而無需進(jìn)行大量的金相試驗(yàn)。另外,在雙道次軸向熱壓縮試驗(yàn)以及保溫試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別擬合了兩種鋁合金的靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸和晶粒長大模型中的參數(shù)。與試驗(yàn)結(jié)果比較可知,本文所建立的兩種鋁合金的靜態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)、晶粒尺寸和晶粒長大模型是適用的。
　　 研究了實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)條件下多道次熱塑性成形過程數(shù)值模擬的方法,并以商用軟件DEFORM為平臺建立了Al-Mg-Si系鋁合金多道次熱塑性成形

5、過程中應(yīng)力場-溫度場-組織演變的耦合分析系統(tǒng)。材料的流變應(yīng)力-應(yīng)變模型和靜態(tài)微觀組織演變模型均在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)條件下(溫度和應(yīng)變速率恒定)獲得的,而工業(yè)生產(chǎn)往往是非穩(wěn)態(tài)條件下(溫度和應(yīng)變速率瞬時變化)進(jìn)行的,因此模擬中計算了平均Zener-Hollomon參數(shù)并采用累積法計算靜態(tài)微觀組織演變模型。另外,在多道次塑性成形工藝模擬中還需要考慮前面道次變形對后面道次變形的影響,這涉及到了殘余應(yīng)變和修正應(yīng)變,以及平均晶粒尺寸的計算。在此基礎(chǔ)上,對DE

6、FORM軟件進(jìn)行二次開發(fā),將本文所建立的材料模型和提出的模擬方法嵌入到DEFORM軟件的計算引擎中,從而實(shí)現(xiàn)了Al-Mg-Si系鋁合金多道次熱塑性成形過程的多物理場模擬。
　　 利用本文所建立的多物理場耦合分析系統(tǒng)對6A10鋁合金非穩(wěn)態(tài)條件下的多道次軸向熱壓縮過程進(jìn)行了二維模擬和分析。通過數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較,最終確定模擬方案中采用在時間域上計算平均Zener-Hollomon參數(shù)值的方法以及在計算殘余應(yīng)變時考慮前面所有

7、道次變形的綜合影響,同時驗(yàn)證了本文所建立的多物理場禍合分析系統(tǒng)的正確性。另外,研究了變形參數(shù)變化對于模擬預(yù)測結(jié)果的影響,結(jié)果表明:初始溫度對于試樣靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸的影響最大；各道次應(yīng)變量對于砧子載荷的影響最大；摩擦因子對于試樣靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸的影響均為最??；砧子壓下速度對變形儲存能的影響小于初始溫度和各道次應(yīng)變量。
　　 在以上分析的基礎(chǔ)上,將本文所建立的多物理場耦合分析系統(tǒng)應(yīng)用于6082鋁合金汽

8、車用后上控制臂多道次熱鍛過程的三維模擬中。分析了鍛造過程中的材料流動和模具載荷變化,以及工件等效應(yīng)變、殘余應(yīng)變、溫度、靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸分布,模擬結(jié)果表明:預(yù)鍛過程應(yīng)當(dāng)增加定位裝置以改善工件質(zhì)量的穩(wěn)定性；材料的利用率有待提高；鍛造工藝使工件的平均晶粒尺寸得到了明顯的細(xì)化。模擬結(jié)果與試制件的測量結(jié)果相吻合,說明所建立的Al-Mg-Si系鋁合金多道次熱塑性成形過程應(yīng)力場-溫度場-組織演變禍合分析系統(tǒng)適用于復(fù)雜零件熱鍛過程的數(shù)值