（材料学专业论文）az31b镁合金热轧变形行为的实验研究和数值模拟.pdf

摘要 本文采用物理模拟和数值模拟技术，借助g l e e b l e 一15 0 0 热模拟实 验机和m a r c 有限元分析软件，对a z 3 1 b 镁合金热塑性变形行为进行 了较为系统的研究。 内容包括：以合金高温等温压缩变形的真应力一真应变曲线的特 征分析为基础，研究了变形温度、变形速度对流变应力的影响规律， 建立了流变应力本构方程；对a z 3 1 b 多道次热轧进行了实验模拟；并 利用热力耦合弹塑性有限元法对合金的轧制过程进行了数值模拟分 析。得出以下结论： 1 a z 31 b 镁合金在变形温度为2 5 0 。c - - 一5 0 0 。c 、应变速率为0 0 1 10 s o 范围内变形时的真应力一真应变曲线均为动态再结晶型，流变应 力随变形温度的升高和变形速率的降低而减小。其高温变形时的 方程为： f l 广 2 1 ；1 一蕊1 i n ( 赤刖赤) 丽+ ， l lj l 其中，z 哦x p ( 芈 2 在g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟机上，对a z 31 b 镁合金多道次热轧进行实验 模拟。经流变应力分析发现，a z 31 b 镁合金在多道次热轧过程中 流变应力表现出a n - v 硬化形变软化二次加工硬化的特 征。 3 有限元模拟研究结果表明：轧件从表面到心部在一定厚度范围内 出现明显的温度梯度，在整个轧制过程中，轧件内部节点的温度变 化缓慢，而表面节点的温度变化较为剧烈。轧制完成后，表面温 度最低点为4 0 0 。c ，心部温度为4 6 0 。c 左右。轧制变形区内拉、压 应力的转折处约为轧件厚度的1 4 处。最大拉应力和最大压应力分 别发生在轧件芯部及表面。轧制过程最大应变均发生在轧件的次 表面，从次表面至轧件芯部，塑性应变依次降低，最小等效应变 发生在轧件芯部。其结果与实际情况吻合较好。 4 本文对a z 3 1 b 镁合金热轧过程进行三维模拟，由于研究条件限制， 三维轧制过程仅进行了四个道次的有限元模拟。对轧制过程中板 材成形规律进行了分析。对板材温度和轧制速度对变形的影响进 行模拟，结果表明适当提高轧制温度可以减轻变形不均匀性并降 低温升；提高变形速度使温升加剧。 关键词a z 31 b 镁合金，轧制，热模拟，数值模拟 i l a bs t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n h o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fa z 31bm a g n e s i u m a ll o yh a v eb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e dw i t hp h y s i c a la n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n i q u e s 7 切es t r e s s - s t r a i nb e h a v i o r sw e r ei n v e s t i g a t e db yh o tc o m p r e s s i v e t e s t i n go ng l e e b l e - 15 0 0t h e r m a ls i m u l a t o ra tt e m p e r a t u r er a n g eo f2 5 0 。c t o5 0 0 w i t hs t r a i nr a t ev a r y i n gf r o m0 o1t o1o s t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nf l o ws t r e s s ，s t r a i nr a t ea n dd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew e r e a n a l y z e d 1 1 1 ec o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so fr o l l i n g f o rt h ea l l o yw a sd o n eb yu s i n ge l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o do n t h es o f t w a r ep l a t f o r mo fm s c n 腿c t h er e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： 1 t 】n j es t r e s s - s t r a i nb e h a v i o ro ft h ea l l o ya td i f f e r e n ts t r a i nr a t ea n d t e m p e r a t u r ei sc h a r a c t e r i s t i ca sd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n a n dt h e f l o ws t r e s sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，w h i l ei n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s e sw i t hs t r a i nr a t e t h ec o n s t i t u t i v e e q u a t i o n e s t a b l i s h e db yz e n e r - h o l l o m op a r a m e t e rm e t h o da r e ： 2 3 仃2 + ( 赤) 志州 t h ee x p e r i m e n ts i m u l a t i o no fm u l t i p a s sh o t r o l l i n g o fa z 3lb m a g n e s i u ma l l o yw a sd o n eb yg l e e b l e 15 0 0t h e r m a lm e c h a n i c a l s i m u l a t o r b yf l o ws t r e s sa n a l y s i s t h e f l o ws t r e s so fa z 31b m a g n e s i u ma l l o yi nt h em u l t i p a s sh o tr o l l i n gp r o c e s ss h o w sw o r k h a r d e n i n gs t a g e - - s o r e n i n gs t a g e t h e s e c o n dw o r k - - h a r d e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s t h e r ei so b v i o u st e m p e r a t u r eg r a d i c e n tf r o ms u r f a c et oc e n t r eo ft h e w o r k p i e c e w i t h i nac e r t a i nd e p t h a n dt h es u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g e s s h a r p l yd u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s s ，w h i l et h e c e n t e r t e m p e r a t u r e c h a n g e sl i t t l e a f t e rr o l l i n g ，t h es u r f a c et e m p e r a t u r ei s4 0 0 。c ，w h i l e t h ec e n t e rt e m p e r a t u r ei s4 6 0 * c m a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e s sa n d m a x i m u mt e n s i l es t r e s so c c u r ri nt h es u r f a c ea n dc e n t e ri nt h e d e f o r m i n gr e g i o n d u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s s ，s t r a i no fs e c o n d a r y i i i 一33上一5 、jo一iz 一一钌一生 ， ，j、，【 n 一2一o o一71 220 s u r f a c el a y e ri sb i g g e s t t h ee q u i v a l e n ts t r a i ng r a d u a l l yd e c r e a s e sf r o m s e c o n d a r ys u r f a c et ot h ec e n t e r , a n dt h es m a l l e s te q u i v a l e n ts t r a i n o c c u r r e si nt h ec e n t e r t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o was a t i s f a c t o r y c o i n c i d e n c ew i t ht h ei n d u s t r i a lm e a s u r e dd a t a 4 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no fr o l l i n gf o rt h e a z 31b a l l o yw a sd o n eb yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a st h es t u d yi s l i m i t e d b yc o n d i t i o n s ，t h r e e d i m e n s i o n a lr o l l i n gp r o c e s s w e r e s i m u l a t e do n l yf o u rp a s s e s f o r m i n gl a wo f r o l l i n gp r o c e s so fa z 3 1b m a g n e s i u ma l l o yw a ss i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ee f f e c t o fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e d e f o r m a t i o nv e l o c i t yo nt h ee q u i v a l e n ts t r e s s ，t h ee q u i v a l e n ts t r a i n ， t h et e m p e r a t u r er a i s ed u r i n gr o l l i n gd e f o r m a t i o nh a sb e e ns t u d i e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d sa z 31bm a g n e s i u m a l l o y , h o tr o l l i n g ，t h e r m a l s i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：逸l 旌。 日期： 厶l 年月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名：王隧堑l 导师签名 期：立毕年月j 日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 镁及镁合金 第一章文献综述弟一早义陬综迎 1 1 1镁及镁合金的基本性质 镁是自然界中分布最广的元素之一，居第八位。镁是第1 i 族金属元素，银白 色，2 5 下的比重为1 7 4 9 c m 3 ，是一种轻有色金属。镁具有密排六方结构，2 5 c 时，a = 0 3 2 0 2 n m ，c = 0 5 1 9 9 n m ，c a = 1 6 2 3 5 ；配位数等于1 2 时，原子半径为0 1 6 2 n m 。 镁的主要物理性能如下表： 表1 1 镁的主要物理性能 镁合会是目前在工业上使用的结构材料中最轻的，其密度约是锌的1 4 ，钢 的1 5 、铝合会的2 3 。应用在工程中可大大减轻结构件重量。同时，镁合金具有 高的比强度和比刚度，尺寸稳定性高，阻尼减震性能好，较好的机械强度、抗冲 击性，而且不易磨损。此外，镁合金具有良好耐腐蚀性，优良的散热性、导热性、 电磁屏蔽性和可回收性，质感高雅，非常适合在3 c 产品上的应用【i 2 】。 1 1 2 镁合金的分类和合金系 镁合会根据成型方法不同主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类【3 5 1 。前 者主要通过铸造的生产方式获得镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年来， 铸造领域中一些新的生产工艺和技术，如压力铸造技术、半固态成型技术以及最 新的t h i x o m o l d i n g 专利技术都被用来开发新型镁合金材料，并取得了很大的发 展和应用。与铸造镁合金相比，变形镁合金材料更具有发展f ； 途与潜力，通过变 形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织结 构的控制，热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的强度、更好的延展 性、更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。因此，研究与开发 新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，生产高质量的变形镁合金产品， 是国际镁协所提出的发展镁合金材料最重要、最具挑战性且最长远的目标和计 划。 镁合金的合金系主要有m g a 1 系、m g z n 系、m g m n 系、m g r e 系、m g t h 系和m g o l i 系等合金系。其中变形镁合金的合金系有：m g - m n 系、m g a 1 z n 系、 m g - z n z r 系、m g l i 系、m g t h 系、m g - m n - r e 系、m g - z n - z r - r e 系、m g - a 1 - r e 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 系、m g z n r e 系和m g r e 系等。主要变形镁合金的成分如下表1 2 ： 表1 2 常见变形镁合金的牌号和化学成分 变形镁合金通过挤、轧、拉拔、锻等塑性成形加工方法制成板、带、棒、管 材及锻件、模锻件等满足实际的需要，因此变形镁合金必须有良好的塑性，同时 还要考虑其强度、耐蚀性及高温性能。在变形镁合金中，常用的变形镁合金系是 m g a 1 z n 系与m g - z n z r 系。 m g a 1 z n 系变形合金一般属于中等强度塑性较高的变形材料，能够进行热 处理强化，并有良好的铸造性能，但耐蚀性较差，耐热性和，也不够高 ( 1 5 0 2 5 0 m p a ) ，盯。与盯们相差很大，约1 0 0 m p a 。一般加入m n 以提高其耐蚀性。 m g z n z r 系合金具有高的强度、良好的塑性及耐蚀性，女n z k 6 0 的c r 0 ：为 2 5 0 3 0 0m p a ，同时与盯。相差不大，约5 0 m p a ，属于高强变形镁合会。但其变形 能力不? d m g a 1 系合会，一般采用挤压工艺生产。 m g a 1 z n 系不 1 m g z n z r 系合金的共同缺点是：高温性能差，工作温度一般 不能超过1 5 0 0 c 。m g r e 系变形镁合金由于生成镁稀土强化耐热相，能够满足高 温使用条件的要求。m g m n 系合金有良好的耐蚀性能和最好的焊接性，但强度不 高，盯n ，为1 4 0 2 0 0 m p a ，仃h 为2 4 0 2 8 0 m p a 。 m g l i 系合金是轻合金材料中最轻的一种，其比重比一般镁合金小1 5 2 5 ， 而比强度比常用镁合金高，并有良好的冷热变形能力，是发展高强和超轻合金的 一个重要合金系。如美国的l a l 4 1 a 合金是工业上应用的比重最低的金属结构材 2 中南火学硕十学位论文第一章文献综述 料，比刚度仅次于铍，塑性加工性能在镁合金中是最好的，冷变形率可达5 0 以 上，韧性好，焊接性好。 1 1 3 镁合金的应用与发展 镁合金以其独特的优异性能资源的丰富，使得其应用领域不断扩大，世界镁 及镁合金的消费量呈不断增长的趋势。 近年来，全球温室化导致了汽车朝着轻量化的方向发展，镁合金作为铁和铝 合金的替代材料从而使镁合金零件的需求剧增【6 1 。西方发达国家十分重视变形镁 合金的研究与丌发，其变形镁合金材料丌始向系列化发展，产品应用领域不断扩 展，高性能材料不断在航天航空、国防军工等高技术领域中实用。其中美国的变 形镁合金材料体系最为完备，合金系列有m g a 1 、m g z n 和m g r e ( 稀土) 三 大类，可以加工成板、棒、型材和锻件，并且丌发出了快速凝固高性能变形镁合 会及镁基复合材料。美国与世界最大的镁生产企业挪威n o v s kh y d r o 公司签 定了长期合作关系，以保证在2 l 世纪前期镁原料和镁产品的充足稳定的供应。 同本1 9 9 9 年由教育部、科技部、体育部和文化部共同组织实施历时四年的 “p l a t f o i t i is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u ma l l o y ，着重研究镁合 金的新合金、新加工工艺，以开发出高强变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金 板材。英国丌发出m g a 1 b 挤压镁合金用于m a g n o x 核反应堆燃料罐，以色列最 近也研制出用于航天飞行器上兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金【_ 7 。9 1 。 我国变形镁合会材料的研制与开发处于起步阶段，缺少高性能镁合会板、棒、 型材，国防军工、航天航空的大量高性能镁合金材料依靠进口，民用产品尚未进 行大力丌发，商业化的变形镁合金产品很少，因此，研究丌发出性能优良、规格 多样的变形镁合金材料十分重要。近年来，国家和各级地方政府对镁合金，特别 是变形镁合金的研究、丌发和产业化等相当重视。我国已将“镁合金应用与开发” 列为国家计委和科技部联合下发的“十五”国家科技发展规划材料领域的重点任 务，最终目标是充分发挥我国的镁资源优势，通过建立镁合金技术创新体系，建 立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群，将镁的资源优势转化为经济优势。 目f j 国内一大批高等院校和科研单位投入到相关领域的研究，并取得了可喜的成 果。从2 0 世纪4 0 年代开始，变形镁合金已经开始应用于汽车、航空、航天、国 防军工等领域，进入2 0 世纪9 0 年代后期，变形镁合金开始用于汽车、交通车、 电子以及其他民用产品领域。 1 2a z 31 变形镁合金的研究现状 a z 3 1 镁合金具有较好的室温强度，良好的延展性以及优良的抗大气腐蚀能 3 中南人学硕十学位论文第一章文献综述 力，是目前研究和应用最广泛的变形镁合会j5 1 。下面重点介绍a z 31 镁合会的 研究现状。 1 2 1 a z 3 1 变形镁合金中合金元素及影响 ( 1 ) 铝 a 1 作为主要合金元素，通过固溶强化和形成沉淀析出相，提高a z 3 1 镁合 金的强度和耐蚀性，降低合会的塑性【泊】。根据m g a 1 二元相图，平衡结晶时， 4 3 7 。c 发生共晶反应：l - - - 一c t ( m g ) + 1 3 ( m g l 7 a l l 2 ) ，共品点含3 2 3 a 1 ，共品温度时， a l 在m g 中溶解度为1 2 7 。随温度下降溶解度降低，至1 0 0 。c 时降为2 。当 a l 含量小于1 0 时，随着a l 含量增加，m g 合会的液相线及固相线温度均降低， m g 合金的抗拉强度提高；伸长率则随着a l 含量增加先是提高然后下降。当a l 含量大于4 时，m g a i 合金的耐腐蚀性能迅速提高；另外，a l 对镁合金有最高 的应力腐蚀敏感性，且敏感性随着a 1 含量的增加而增加，m g 合金中a 1 含量在 门槛值( 0 1 5 2 5 ) 之上将导致s c c ，在6 a 1 时影响达到最大。 z n 可以提高铸件的抗蠕变性能。根据m g z n 二元相图，平衡结晶时，3 4 0 发生共晶反应：l _ 0 【m g + m 9 7 z n 3 。m 9 7 z n 3 属于介稳定相，随后冷却过程中分 解为q m g + m g z n 。共晶点含5 1 2 z n ，共晶温度时，z n 在m g 中的溶解度为 6 2 。随温度降低，其固溶度随温度的降低而显著减少，至1 0 0 时降为2 以 下。 当z n 含量较小时( w z 。 1 时) ，z n 在m g 中的作用一方面表现为自身的固溶 强化，另一方面，少量的z n 还可以增加a l 在m g 中的溶解度，提高a 1 的固溶 强化作用。z n 含量大于2 5 时则对合金的防腐性能有负面的影响，原则上z n 含量一般控制在2 以下。 在m g a 1 z n 合金中，铝锌比是值得重视的一个参数。通过改变a l 、z n 含 量比例，对m g a 1 z n 合会进行力学性能测试后得出，当a l 质量分数较低( 8 ) 时， 随着z n 含量增加，抗拉强度降低，伸长率提高。为了获得具有良好综合力学性 能的合金，a l 、z n 含量应有合适的比例。有人研究了不同z n 、a l 含量对m g a 1 z n 合金铸造性能的影响，如图1 1 所示。图中对应的3 个区域为可铸造区、热裂区 和脆性区。当z n 质量分数很小( ，2 8 0 m p a ，o0 2 8 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 6 0 m p a ，6 1 6 的镁合金板材，所轧制出的板材成功地得到实际应用，并对 工艺制度的合理性从理论上进行了分析。湖南大学材料科学与工程学院的傅定 发，许芳艳等对a z 3 1 镁合金轧制板材在不同温度和时间进行了退火，研究了在 退火过程中组织和性能的变化规律。实验结果表明：3 0 0 车l a , j 后的a z 3 1 镁合金 薄板材的组织中存在大量的孪晶。退火后，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。同时， 退火后板材的抗拉强度略有下降，但伸长率有明显提高，在2 0 0o c 退火1 2 0 m i n 后， 伸长率可达至j j 2 8 ”】。张青来等研究了轧制方式对a z 3 1 镁合会薄板组织和性能 的影响。结果表明，与单向车l n q n 比较，交叉轧制可减轻轧板的各向异性，为深冲变 形提供良好的组织结构条件【3 6 1 。张文玉等【3 7 】研究了轧制路径对a z 3 1 镁合盒薄 板组织性能的影响，结果表明，以每道次轧制方向旋转18 0 。而板f 法向不变的 路径轧制时，板材的金相显微组织较好、晶粒细小、孪晶少、伸长率达到2 6 ， 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f 法向均 旋转1 8 0 。的路径轧制时，板材的塑性应变比值最大。曲家惠等【38 】研究了a z 3 1 镁合会室温异步轧制的织构演变，结果表明：将a z 3l 镁合会板材在室温条件下 进行单道次异步轧制，织构随着速比增加，与快慢辊侧相接触的表面层明显不同， 但中间区域变化不明显，在快速辊侧，主要织构组分随着速比的增加而迅速增加； 在慢速辊侧，主要织构组份随着速比的增加而交臀变化。国内也已丌始镁合金铸 轧的研究工作，并在实验室条件下制备了i m m 3 m m 的带坯【3 叫2 1 。 由上所述可知，国内外镁合金板材轧制的研究取得了很大的进展。虽然研究 出许多新的轧制工艺，但是大多数的新工艺都只在实验室阶段，还没有在实际的 工业生产中得到广泛应用，而且在工厂中都是单张生产，板材的生产率特别低且 板材的质量控制仅凭经验，缺乏对成形机理的认识。 1 3 金属塑性成形过程的模拟 随着会属塑性成形加工技术的同益发展，人们对金属在成形过程中的变形规 律、变形力学的分析越来越重视。金属塑性成形过程的模拟方法主要有两种：利 用计算机的数值模拟和利用实验的物理模拟。目前，数值模拟和物理模拟在金属 塑性成形加工中的理论研究和生产实际作用已经显示出巨大的作用【4 3 1 。 1 3 1 金属塑性成形中的物理模拟 物理模拟即采用物理模型进行实验模拟。塑性成形物理模拟一般包括两个方 面：一是模拟研究塑性成形过程的物理化学现象和性能，即研究金属的化学成分、 原始组织状态、变形温度、变形速度等条件对变形后金属的组织和性能的影响以 9 中南人! 学硕十学位论文第一章文献综述 及以显微组织的晶粒为参考测量单元的热模拟技术；二是模拟研究塑性成形过程 中的位移、应变和应力等内容，主要研究不同的约束条件、加载方式或工艺方法 下，变形会属体内的应力、应变特征和金属流动规律等。 ( 1 ) 金属的塑性变形及压力加工物理模拟的基本参数 压力加工是物理模拟技术在热加工工艺研究中最活跃的领域之一。这是因为 它不但需要热模拟，还大量地应用力学系统的模拟，与其它领域的模拟相比，压 力加工模拟技术比较复杂，难度也较大，应用范围则更加广泛。 金属塑性变形后，晶粒的形状、尺寸将发生变化，品粒i 日j 产生碎晶，晶格发 生扭曲，增加了滑移阻力，从而产生所谓“加工硬化”现象。然而当继续经受加热 时，原子运动剧烈，金属内部错位的原子恢复f 常排列，消除品格扭曲，可使加 工硬化部分消除，这一过程称之为“回复”( 绝对回复温度为金属绝对熔化温度的 0 2 5 0 3 0 倍) 。当会属温度继续升高到绝对熔化温度的0 4 倍时，金属原子获得 更高的热能，则丌始以某些碎品或杂质为核心生长成新的晶粒，进而消除了全部 加工硬化现象，这个过程称为再结晶。当金属在高温下受力变形时，加工硬化过 程和恢复及再结晶过程是同时存在的。 由上可以看出，金属在不同的温度下变形时，最终得到的组织和性能是不一 样的。同时，变形量、变形速率不同，塑性变形后得到的微观组织和力学性能也 不相同。另外，变形时的应力状态对材料的塑性变形能力也有重要影响。因此， 在进行材料的压力加工物理模拟试验时，变形温度、变形速率、变形量以及变形 抗力是必须考虑的热力学基本条件，是物理模拟的基本参数m 】。 ( 2 ) 物理模拟方法在国内外的应用 物理模拟方法在国内外塑性加工界得到了越来越广泛的应用，特别是在欧 美、同木等工业发达国家。韩国m a r i t i m e 大学j r c h o ，w b b a e 等【4 5 】将塑性 泥应用于开式模锻的初轧研究。台湾大学h s o 4 6 】将塑性泥应用于复杂盘形件的 研究，并依据物理模拟结果和有限元数值模拟结果研制了相关模具，获得了成功。 我国学者在物理模拟方而也做了大量的研究工作。太原重型机械学院王连 生、董仕深等【4 7 】使用塑性泥模拟热钢宽砧强压法( w h f ) 工艺，得到了w h f 法 较佳的工艺参数。沈阳金属所张士宏【4 8 】用“f i l i a ”进行体积成形物理模拟，并对 圆柱坯料的自由墩粗、正挤、反挤、管件变薄挤压、平板坯料平面应变墩粗进行 了物理模拟。西北工业大学詹梅、杨合等【4 9 】利用塑性泥研究了航空叶片的精锻工 艺，结合数值模拟研究指导了叶片精锻过程中预成形毛坯的优化设计。 物理模拟技术，作为验证预成形设计和工艺设计、验证数值模拟结果的手段 以及研究金属成形规律的实验手段，具有重要的实用价值。此外，模拟材料与真 实材料物理性质仍有差异，实验结果不可避免存在着误差。即使如此，金属塑性 1 0 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 变形物理模拟是塑性变形模拟技术的基础，是检验理论计算结果是否正确的一种 重要方法。数值模拟分析软件要达到实用化，也必须应用先进的物理模拟方法来 反复修改和完善。 1 3 2 金属塑性成形中的数值模拟 随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对塑性成形过程物理规律研究的深 入，金属塑性加工过程的计算机模拟技术( 虚拟塑性加工技术) 近年来取得了很大 的进展【5 0 , 51 】。随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越显示出巨大的优越性。 首先，它不需要建造物理模型，因而节省了大量人力、物力和时间，并使得在设 计阶段即可对不同的设计方案及时进行评价，筛选出合理的、最优的方案。其次， 数值模拟能提供工件和模具中各物理量( 如应力、应变、温度等) 分布的详尽数据， 使人们获得对于实际过程深入、全面的了解。最后，数值模拟有着极大的灵活性， 能用于模拟在目前尚不能提供虚拟条件下模型的形态，从而为探索性的研究提供 了手段。另一方面，由于建立理论模型时对原模型的简化处理，所依据的理论的 不完善和计算机误差等，数值模拟的结果应该用物理模拟来检验。 金属塑性成形过程的数值模拟主要采用有限元法、边界元法或有限差分法进 行数值计算。通过模拟，可方便地确定塑性成形过程中各个阶段所需的变形功和 载荷，获得塑性加工过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、应力场和温 度场，预测工件的成形状况、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布等。利用 计算机图形技术可以将这些分析结果直观地呈现在研究设计人员面前，使他们能 通过虚拟的塑性加工过程检验工件的最终形状、尺寸是否符合设计要求，是否会 产生折叠等外部缺陷、疏松和裂纹等内部缺陷：根据微观组织的变化预测产品的 使用性能：还能根据模具的受力校核其强度、刚度，预测模具的磨损，确定压力 机压下量的补偿值等。采用计算机模拟，能在塑性加工工艺设计和模具设计初步 方案完成后立即对其进行检验，并提供修改方案所需的详尽资料。经模拟检验后， 再完成详细设计并进行模具制造。这样，就能从根本上改变以往由于缺乏对塑性 加工过程的科学分析手段而只能凭经验设计模具，通过反复的工艺试验修改模具 和工艺参数，以便最终生产出合格的零件，极大地降低了生产成本、提高了产品 质量、缩短了产品交货期。塑性成形过程模拟在工业发达国家己进入实用阶段【5 2 1 ， 如美国三大汽车公司在汽车覆盖件模具设计制造中，都要求在设计完成后必须经 过计算机模拟检验，才能投入试验模具的制造。这样可以大大节省制造试验模具 的昂贵费用和试验周期，其经济效益非常明显。计算机模拟与人工智能技术相结 合，将成为塑性加工中设计与制造智能化的有力工具。 中南人学硕+ 学位论文第一章文献综述 1 4有限元数值模拟技术及其在板带轧制中的应用 1 4 1有限元数值模拟技术 自从1 9 7 3 年l e e 干h k o b a y a s h i 首次提出刚塑性有限元以来，极大地推动了有限 元数值模拟技术在金属塑性变形过程中的应用【5 3 1 。k o b a y a s h i 与他的合作者先后 成功地利用刚塑性、刚粘塑性有限元分析了锻造、挤压、轧制等体积成形问题和 拉伸、弯曲、冲空、锁口等板料成形问题。1 9 7 2 年z i e n k i e w i c z 提出了刚粘塑性材 料的有限元公式并导m 了刚粘塑性有限元中的罚函数法，同时与他的合作者分析 了拉拔、轧制、挤压等工艺过程，而且对稳态流动的热力耦合计算提出了耦合方 法和解。在此基础上，a l t a n 幂u w u 等人在b e r k e l e y 实验室丌发了大型的通用化数 值模拟软件a l p i d ( a n a l y s i so fl a r g ep l a s t i ci n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 。m o r i 君h o s a k a d a 提出了刚塑性有限元的材料可压缩方法，并成功地对各类轧制和挤压等 工艺以及疏松材料、粉术成形工艺进行模拟。h a r t l e y 和s t u r g e s s 对塑性有限元中 的摩擦问题进行了研究，并分析了挤压、轧制等成形问题。2 0 世纪8 0 年代中期， 一些学者丌始对三维问题的刚塑性、刚粘塑性有限元进行了研究，并取得很大的 进展。 在国内，自2 0 世纪8 0 年代初开始，不少学者也对刚塑性、刚粘塑性有限