材料成型及控制工程专业综合实验报告

1、1实验课题12实验目标13实验原理13.1轧制实验原理仁3.1.1轧制原理13.1.2轧制力测定原理1.3.2拉伸实验原理2.4实验参数设定3.4.1轧制实验参数的确定3.4.1.1试样参数的设定3.4.1.2轧制参数的设定3.4.2拉伸实验参数的确定3.5实验内容4.5.1轧制实验4.5.1.1实验仪器及材料.4.5.1.2实验步骤4.5.2拉伸实验4.5.2.1实验仪器及材料4.5.2.2实验步骤4.6实验结果与分析5.6.1轧制实验结果5.6.2分析与讨论8.6.2.1轧制实验8.6.2拉伸实验结果.107实验小结1.5综合实验1实验课题变形程度对金属板材冷轧变形力和机械性能的影响。2实

2、验目标通过改变压下量h，即改变变形程度冷（:h=（H-h）/H-h/H）实验参数分别进行冷轧和拉伸试验，以此来研究铝板在进行同步冷轧时轧制力随变形程度的变化规律，以及在不同压下量时钢板的机械性能（主要为屈服强度亠和抗拉强度匚b）的影响。3实验原理3.1轧制实验原理3.1.1轧制原理同步轧制是指上下两轧辊直径相等，转速相同，且均为主动辊、轧制过程对两个轧辊完全对称、轧辊为刚性、轧件除受轧辊作用外，不受其它任何外力作用、轧件在入辊处和出辊处速度均匀、轧件的机械性质均匀的轧制。在轧制过程中，同步轧制变形区金属在前滑区，后滑区上下表面摩擦力都是指向中性面，中性面附近单位下力增强，使平均单位轧制增大。同

3、步轧制时单位轧制压力沿变形区长度方向的类似抛物线形状分布。3.1.2轧制力测定原理目前测量轧制力的方法有两种：应力测量法和传感器法。而传感器测量法又有电容式、压礠式和电阻式三大类，本实验只用电阻式。电阻应变式传感器是利用金属丝在外力的作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化这一金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量的一种传感器。一个典型的电阻式应变支撑传感器是用一个圆柱作为弹性元件。圆柱体在轧制力作用下产生形变使得应变片的电阻发生变化，将这些应变片按一定的方式连接起来，在接入电桥，就可得到一个与轧制力成比例关系的输出电压,从而将力参数转变成电信号，其原理图如图2所示。AV=)轧制实验中，将轧机

4、的测力传感器与计算机通过电路以及相应的轧制综合参数测试仪连接起来，在计算机中，利用杂货之测试软件来采集相关数据。在轧制实验中通过游标卡尺测量读取相关数据。在拉深实验中，通过读取万能实验机上的的数据并作必要记录。轧制综合参数测试仪数据采集方法如图3所示。3.2拉伸实验原理金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验，是了解材料力学性能最全面，最方便的实验。本实验主要是测定铝板在轴向静载拉伸过程中的力学性能。在试验过程中，利用实验机的自动绘图装置可绘出铝板的拉伸图。由于试件在开始受力时，其两端的夹紧部分在试验机的夹头内有一定的滑动，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。对于碳钢试样，在确定屈服载荷

5、Ps时，必须注意观察试件屈服时测力度盘上主动针的转动情况，国际规定主动针停止转动时的恒定载荷或第一次回转的最小载荷值为屈服载荷Ps，故材料的屈服极限为J=PJAs。试件拉伸达到最大载荷之前，在标距范围内的变形是均匀的。从最大载荷开始，试件产生颈缩，截面迅速变细，载荷也随之减小。因此，测力度盘上主动针开始回转，而从动针则停留在最大载荷的刻度上，指示出最大载荷Pb,则材料的强度极限为二Pb/九o试件断后，将试件的断口对齐，测量出断裂后的标距li和断口处的直径di，则材料的延伸率S和截面收缩率W分别为：、丄-100%即=A0_A100%l0A0式中，l0,A0分别为试验前的标距和横截面面积；li,A

6、分别为试验后的标距和断口处的横截面面积。4实验参数设定4.1轧制实验参数的确定4.1.1试样参数的设定先利用剪切机剪切得到尺寸为BXHXL=300X1000的铝板，再进行横向剪切得到尺寸为BXHXL=3X60X170五块铝板。4.1.2轧制参数的设定压下量的确定：由于轧制时是在干摩擦条件下进行，故可取辊面摩擦系数为0.15，根据最大的咬入角为:maX二一arctan（1）由式（1）可得，：*max=8.5，再根据式（2）:hmax=D（1-COSmaX（2）可得，hmax=1.43mm。故本实验可取最大压下量h=0.9mm变形程度；h的确定：由于实验所给的铝板厚度大致一样，若要改变变形程度；，

7、只需改变压下量厶h。经过上述计算可知取最大压下量，实验采用单道次压下，压下量最大.汕取用0.9mm,已知转过17个齿，即压下量为1mm,则当0.7mm需转过12个齿。现在分配每块钢板试样的压下量，在调整好辊缝的基础上，分别转动齿轮5个齿，8个齿，10个齿，13个齿，15个齿，即h分别为0.3mm,0.45mm，0.6mm，0.75mm，0.9mm。具体理论设计数据如表1所示。1、V/L、7fLLJrS1/ILi图4拉伸试样尺寸规格表1铝板冷轧变形程度的确定（理论设计）试样编号12345轧前厚度H/mm33333压下量h/mm0.30.450.60.750.9转过齿数/个58101315变形程度

8、8/%1015202530注：该表格中数据仅为设计，以后面的试验中所得数据为准。4.2拉伸实验参数的确定拉伸实验中参数的设定主要是对试样进行尺寸规格设定，如图4所示。根据体积不变定律可估算冷轧后试样1的尺寸变为2.7£0X188.9(不考虑宽展的条件下)，因为存在弹性回复及弹性压扁，实际厚度大于2.7mm,实际长度小于188.9mm。由于试样1的变形程度最小，故其轧制后长度最小。查相关资料可得，试样可按图1所示形状加工。I=113So=113bh(3)由经验公式(3)可得在有效宽度b取30mm时，根据两种不同算法可得到有效长度l1=101.7mm，取整为102mm。由于设计时要考虑到

9、试样能被夹头夹紧而不至于脱离，两端夹住长度分别可取20mm。故有效长度可取l1=102mm为，则宽度30.0mm，查有关资料可得，圆弧倒角半径可取15mm,则经过计算试样总长度I可取172mm。5实验内容5.1轧制实验5.1.1实验仪器及材料(1) 实验仪器：130mm实验轧机；压力传感器；综合分析测试仪；游标卡尺。(2) 实验材料：厚度为3mm的钢板一块。5.1.2实验步骤(1) 将铝板在剪切机上剪成BxL为60X170mm的试样五块。(2) 将五块3X60X70mm规格的铝板试样进行编号，分别为1号，2号，3号，4号，5号；(3) 将压力传感器安装在轧机上，并将设备间的连线连连接好；(4)

10、 检查好各通路，调节轧制综合参数测试仪至平衡状态，在开扎之前点击数据采集。(5) 进行辊缝调节，先将辊缝调整为零，缓慢转动转盘，减小辊缝直至计算机采集图样中曲线出现波动即可停止，说明辊缝已经调整为零。(6) 再将辊缝调整2.20mm，即转过的齿数为37个即可。(7) 开启轧机，按表1调整压下量，先将转盘转过5个齿数，即将辊缝减小0.3mm,点击采集数据”后，再进行试样1轧制，轧完后测出其轧制后轧件厚度h,并记录于表2中。(8) 在进行试样2、3、4、5的轧制时，在上一个试样的的基础上分别再转动3,2,3,2个齿数，相当于总的压下量调整为0.3mm，0.45mm，0.6mm，0.9mm(理论上)

11、，再进行车L制，分别测量每次轧制后轧件的厚度h，并记录于表2中。(9) 轧制完成之后，点击停止采集”选择对应的数据点，点击数据分布”生成word报表，记录轧制力P、F2、P总与表2中。5.2拉伸实验5.2.1实验仪器及材料(1) 实验仪器：液压万能实验机、游标卡尺、划线机、錾子、锯子、锤子、砂纸、圆锉和平锉等。(2) 轧制实验后的5块试样。5.2.2实验步骤(1)将轧制实验后的5块铝板试样和未加工试样6设计和加工成图4所示形状及尺寸，备用。（2）熟悉万能试验机的操作规程，估计拉伸试验所需的最大载荷Fb,并根据Fb值选定试验机的测力度盘（Fb值在测力度盘40%-80%范围内较宜）。调整测力指针对

12、准零点，并使从动针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。（3）将5块试样按原先的15编号进行拉伸实验，测量出拉伸试样的中间长度h和宽度b分别填入表3中。（4）将1号铝板试样两端夹紧在夹头上，记录拉伸开始时，记录下刻度尺上的示数12填入表3中。（5）缓慢加载，每隔一段时间记录下，加载载荷读数以及刻度尺上的读数于表3,直至断裂，停止试验，取下断裂后的试样用游标卡尺测出试样端口厚度，记录数据于表3。（6）将万能试验机表盘上示数置零。重复步骤（4）（5）分别对试样编号2、3、4、5进行拉伸，分别记录数据于表4、表5、表6、表7、表8中。6实验结果与分析6.1轧制实验结果表2变形程度对轧制力的影响£

13、;试样编轧制前轧制后变形程度轧辊一端轧辊另一端总轧制力号H/mmh/mm名/%R/KNP2/KNP总/KN12.942.795.115.8514.1830.0422.962.6610.124.2621.1345.3932.962.5015.528.7924.3153.1042.962.3819.635.5130.0265.5352.942.3021.840.0634.5974.652.拉伸实验结果表3试样编号1数据读数次数载荷P/KN刻度尺读数l2/mm拉伸前试样宽度b/mm拉伸前厚度h/mm截面面积S/mm试样拉伸断裂厚度h1/mm2断裂后试样宽度b1/mm延伸率名/%拉伸应力u/Mpa10

14、0.529.982.7979.062.7029.280020.55.04.56.3231.05.55.012.6542.06.05.525.3053.06.56.037.9564.07.87.350.6074.58.07.556.9385.08.58.06.2594.510.39.856.93104.011.010.550.60113.512.011.544.28122.012.512.025.30表4试样编号2数据读数次数载荷P/KN刻度尺读数l2/mm拉伸前试样宽度b/mm拉伸前厚度h/mm截面面积S/mm试样拉伸断裂厚度hmm2断裂后试样宽度b1/mm延伸率£/%拉伸应力a/M

15、pa100.529.962.6673.252.5029.300020.54.03.56.8331.04.54.01.6541.55.04.520.4752.05.55.027.3062.56.05.534.1375.06.56.068.2685.56.86.375.0896.07.06.581.91106.57.57.088.74116.88.58.092.83126.010.09.581.91表5试样编号3数据读数次数载荷P/KN刻度尺读数l2/mm拉伸前试样宽度b/mm拉伸前厚度h/mm截面面积S/mm试样拉伸断裂厚度h1/mm2断裂后试样宽度b1/mm延伸率名/%拉伸应力cr/Mpa10

16、0.529.982.5068.612.3429.320020.53.02.57.2831.03.53.014.5742.04.03.529.1552.54.13.636.4363.04.54.043.7273.54.74.251.0185.05.04.572.8795.55.14.680.16106.05.24.787.44115.07.16.672.87124.07.97.458.30表6试样编号4数据读数次数载荷P/KN刻度尺读数l2/mm拉伸前试样宽度b/mm拉伸前厚度h/mm截面面积S/mm试样拉伸断裂厚度hmm2断裂后试样宽度b1/mm延伸率£/%拉伸应力a/Mpa100.

17、529.942.3862.702.1429.300020.53.02.57.9831.03.12.615.9541.53.53.023.9252.03.73.231.9062.53.93.439.8873.04.03.547.8584.04.33.863.8095.04.74.279.75105.54.94.587.73115.65.55.089.32125.07.06.579.75表7试样编号5数据读数次数载荷P/KN刻度尺读数l2/mm拉伸前试样宽度b/mm拉伸前厚度h/mm截面面积S/mm试样拉伸断裂厚度h1/mm2断裂后试样宽度bmm延伸率引拉伸应力u/Mpa100.529.962.3

18、061.572.1029.320020.53.02.58.1231.03.53.016.2442.03.93.432.4853.04.23.748.7364.04.54.064.9774.54.74.273.0985.04.94.581.2196.05.14.697.45106.45.34.8100.39116.06.15.697.45125.07.57.081.21表8试样编号6数据读数次数载荷P/KN刻度尺读数l2/mm拉伸前试样宽度b/mm拉伸前厚度h/mm截面面积S/mm试样拉伸断裂厚度hmm2断裂后试样宽度b1/mm延伸率£/%拉伸应力a/Mpa100.529.962.96

19、79.112.7029.300020.53.53.06.3231.03.93.512.6442.04.13.625.2853.04.54.037.9264.04.84.350.5675.05.14.663.2086.05.34.875.8497.05.75.288.48108.07.97.4101.12117.59.08.594.80.127.010.09.588.486.2分析与讨论6.2.1轧制实验由图5、6可得，轧辊两端的轧制力都是随变形程度的增大而增大的。在图中每个波峰处取一点，导出所对应的轧制力，两端轧制力之和即为总的轧制力。I科航ijr:I:|图5各变形程度下轧制力P1-9-1il

20、l:i-:ci-ill!图6各变形程度下轧制力P2对变形程度和总的轧制力进行线性回归分析：如图7所示由图7可得，变形程度和总的轧制力关系大致呈非线性关系，变形程度越大，总轧制力越大。原因：根据本实验方案的要求，每个试样轧制的压下量不断增加，随着压下量的增大，轧件的接触弧长度增大，轧件的接触面积因此增大；而且，随轧制过程的进行，压下量的增大，试样产生加工硬化，变形抗力随之增加，并且变形程度越大试样加工硬化程度也越大相应的变形抗力越大。所以轧件的平均单位压力因此增大，从而总轧制力随之增大。采用曲线拟合的方法对其进行回归分析。选择分析线性模型，二次项模型，三次项模型,各模型的相关参数见表&表

21、9模拟结果数据参数模型、判定系数R2方程系数常数项一次项系数b1二次项系数b2三次项系数b3线性模型0.9892.9706.845二次项模型0.99950.12488.3795-0.5395三次项模型0.9970.59811.126-0.9010.045自变量为：变形程度因变量为：总轧制力由表9可得，三次项的判定系数R2为0.997,其值相对较靠近1本设计选用三次项模型曲线作为变形程度和总的轧制力之间的关系曲线。由图7可得，随变形程度的增加，总轧制力呈非线性增加。上述实验结果具体理论分析：轧制力为轧件给轧辊的总压力的垂直分量。轧制力可用微分面积上之单位压力p与该微分体积接触表面之水平投影面积乘

22、积的总和。如取平均值形式，可采用式（5）_P=pF（5）式中：F轧件与轧辊的接触面积；p平均单位压力。所以，为了确定轧件给轧辊的总压力，必须正确地确定平均单位压力和接触面积。关于接触面积的数值，在大多数情况下是比较容易确定的，因为它与轧辊和轧件的几何尺寸有关，通常可用式（6）确定(6)F=bl式中：l接触弧长度，l=.，h为压下量；b变形区轧件的平均宽度，一般等于轧件入辊和出辊处宽度的平均值。6.2拉伸实验结果根据表38中相关数据，通过Excel表格绘制出不同变形程度的拉伸应力-应变曲线图,如图813图所示。L律弹性喪珞阶段塑性变飛阶段一銭性孵性变形阶帳1一多项式鏗性变段）图8变形程度5.1%

23、应力-应变图由于铝板在拉伸实验中，在初始阶段为弹性变形阶段，故会呈现出线性关系，采用线-10-10090807060SO403020100弹性变刑阶段塑性变璀阶段Y性解性妾形阶段豊项式墜性变鬼阶段1图9变形程度10.1%应力-应变图从图9中可得出屈服极限为cs=27.3MPa抗拉强度cb=92.83MPatory=-0.0109T3-2.9750x2+55.042i-184.66R"2二0.942S50402010&图10变形程度15.5%应力-应变图y-4.1125k=0.575012辛弹性变形阶段塑性芟形阶段一线性麟性变那阶段）一窑项式摩性变形阶段）从图10中可得出屈服极

24、限为（Ts=36.43MPa,抗拉强度cb=87.44MPay=0.4069x3-18.E99xP+16564k-318.91RP二0,98845432To塑性变旌阶段一线性鱷性规断段）一多项式慙性变形阶段）123456Ty=7.2949kR"2=0.6986性回归。而后面的阶段主要为塑性变形阶段，主要呈现出非线性关系，分别进行二次拟合、三次拟合，对比得出三次拟合所得到的曲线判定系数R2较为接近1相对误差较小，故采用三次曲线拟合。而图10中的所得出的交点可大致定为屈服极限，即屈服极限屈服强度（Ts=37.95MP抗拉强度抗拉强度cb=63.25MPay二1.1428x3-30.833

25、x2+237.71x-477,26R"2=0.8S44y=7.2932x至龍=66824畢11111丄-17-图11变形程度19.6%应力-应变从图11中可得出屈服极限cs=31.7MPa抗拉强度cb=89.32MPa弹性变形阶段塑性变老阶段一线性鮮性变形阶段）一多项式摩性变形阶段）图12变形程度21.8%应力-应变从图12中可得出屈服极限ts=48.73MPa抗拉强度tb=100.39MPa弹性变形阶段塑性喪形阶段一銭性孵性变形阶段）一多项式理性变形阶段）图13变形程度0%应力-应变图从图13中可得出屈服极限（Ts=37.92MPa抗拉强度（Tb=101.12MP。上述实验结果分析

26、：从应力-应变图中可以看出在弹性变形阶段判定系数R2并不接近1,也就是说，在进行拉伸实验时，弹性变形阶段并非呈现理论上的线性相关，造成这种现象的原因是多方面的，女口：拉伸件加工精度不高，在轧制阶段可能由于送料方式不正确，或者因轧辊弹跳影响轧件导致变形不均匀。将各变形程度下屈服极限和抗拉强度列于表10。表10各变形程度下延伸率£、屈服极限和抗拉强度牟变形程度V%05.110.115.519.621.8延伸率£/%9.5129.57.46.59.5屈服强度ts/MPa37.9237.9527.336.4331.948.73抗拉强度tb/MPa101.1263.2592.8387

27、.4489.32100.39根据表中数据，将变形程度分别与延伸率、屈服强度、抗拉强度进行回归分析，得出它们之间的关系曲线。分别选择线性模型，二次项模型，三次项模型进行曲线拟合。对变形程度和延伸率之间的关系进行线性回归分析：5初变形程度推2025212S64<#抵徵图14变形程度和延伸率之间的关系曲线对变形程度和延伸率之间的关系同理分析可得出：三次项的判定系数R2为0.9809,其值相对较靠近1,本设计选用三次项模型曲线作为变形程度和延伸率之间的关系曲线，如图15图15变形程度和抗拉强度之间的关系曲线变形程度和抗拉强度之间的关系分析可得：三次项的判定系数R2为0.9596,其值相对较靠近1

28、,本设计选用三次项模型曲线作为变形程度和抗拉强度之间的关系曲线，如图16所示。5040302010025°5曼形程度£册20图16变形程度和屈服强度之间的关系曲线变形程度和屈服强度之间的关系分析可得：三次项的判定系数R2为0.6251,结合理论知识和实际误差，本设计选用三次项模型曲线作为变形程度和屈服强度之间的关系曲线。实验中由各组实验数据分析可得：铝板的屈服强度和抗拉强度随着变形程度变化的大致趋势是先减小后增大，而延伸率随着变形程度的增加大致呈现先增大后减小。理论上分析：塑性变形改变了金属内部的组织结构，在晶粒内部出现滑移带和孪生带，同时晶粒外形发生变化，晶粒的位向也发生改变。如：出现纤维状组织，形成变形织构。因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度，硬度增加，塑性和韧性相应的下降。原因主要是由于加工硬化的结果。即，是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量位错形成位错缠结