中南大学塑性加工铝合金板轧制设计

铝合金板轧制设计（60mm厚2519-T87铝合金厚板）轧机参数：③工作辊：760mm×1500mm，轧速：0.1m/s，开口度：380mm，间隙时间：5s2页3页4-16页17-20页铝合金成分性能介绍加工方案设计工艺参数计算设计理论依据和参考文献2519-T87铝合金的成分.性能和用途

2519铝合金属于高Cu/Mg比含量Al-Cu-Mg系变形铝合金.T87为固溶化处理后为增加强度施予断面减缩率约7%的冷作加工,再经过人工时效处理.在180℃或165℃下时效15h时，即T8态，此时析出的θ′相弥散而细小，合金的强度和硬度都很高。

性能优点：合金具有良好的抗弹性能、抗应力腐蚀性能及焊接性能。该合金的纵向断裂韧性适中,短横向断裂韧性更好,显示了其优异的抗弹性能。

应用：可作为各种军用车辆、飞机以及其它商业用途的轻质化材料的替代品

2产品加工方案（T87）3铸锭（表面处理）→均匀化退火（530℃，12h最佳）→热轧→固溶（530℃，1h最佳）→冷轧（7%,预拉伸，裁剪）→锯切→时效（165℃，15h最佳）③工作辊：760mm×1500mm，轧速：0.1m/s，开口度：380mm，间隙时间：5sA产品尺寸：参考铜镁铝合金板材产品的尺寸，结合本题的条件，最终给出的产品尺寸为60*500*3000B铸锭尺寸：（1）锭坯厚度：定坯厚度的最小值应能保证金属承受60%~70%的加工率，所以可知产品厚度为60mm时，铸锭的厚度应满足公式：考虑到轧机的情况，应取较小的加工率，即锭坯厚度设定为150mm。C工艺参数计算设计（尺寸部分）4(2)铸锭宽度:铸锭宽度一般通过如下公式确定:其中b表示成品宽度，n表示成品宽度的倍数，Δb表示总切变量，ΔB表示热轧宽展量.由于轧机比较小，所以n取1，总切边量和热轧宽展量可以认为基本抵消，即铸锭的宽度与产品的宽度设定为一样长，热轧过程中的宽展量在轧制完成之后切掉。因此铸锭的宽度确定为500mmDF工艺参数计算设计（尺寸部分）5

(3)铸锭的长度:依据体积不变原则，同时考虑到加工过程中不可避免的损失，可知铸锭长度应满足如下公式:考虑到铸锭原料和去头去尾问题，最终选定铸锭长度L=1500mm至此可知：产品的尺寸为60*500*3000铸锭的尺寸为150*500*1500工艺参数计算设计（均匀化和固溶）均匀化退火：

由于铝合金铸锭存在严重的枝晶偏析，晶界处有非平衡凝固共晶组织造成较高的内应力，影响合金性能。采用适当的均匀化热处理可使非平衡共晶相溶解，合金元素分布趋于均匀，内应力减小，基体内融入更多合金元素。在后续的热处理中这些合金可形成更多析出相，强化合金力学性能。（右图为均匀化过程中Cu元素在基体中的浓度变化）

通过查阅相关文献，可知2519合金在（530℃，12h）条件下均匀化退火工艺最佳。（或按照计算学一定范围调整温度和时间亦可）●

固溶:

其作用和操作和均匀化类似。通过查阅相关文献，可知2519合金在（530℃，1h）条件下固溶工艺最佳。6（1）热轧温度与锭坯加热通过查阅文献，可知开轧温度和终轧温度的范围分别为420~440和350~430，以此为参考，将热加工开轧温度设定为430度，终轧温度设定为400度。锭坯在热轧之前首先需要加热至加工温度，为补偿出炉后的温降，炉温应比加工温度高出一部分，同时加热时间需要尽可能短，以避免晶粒长大的出现。所以锭坯加热的温度为450度热轧时间则根据入下公式确定（右图为常见铝合金热轧温度表）7工艺参数计算设计（热轧）（2）热轧压下制度：Ⅰ总加工率的确定铸锭的厚度是150mm，产品的厚度是60mm，所以总加工率是60%。考虑到后面要进行7%的冷轧，故热轧总加工率只有1-40%/0.93=57%Ⅱ道次加工率的确定通常平均道次加工率为15~40%左右。由于金属抗力一般，轧制速度较慢故选定平均道次加工率为25%Ⅲ轧制道次的确定轧制道次取决于总加工率和道次加工率，轧制道次可由公式确定所以轧制道次设定为3次。8工艺参数计算设计（热轧）具体的热轧工艺，热轧一共有3个道次，第一个道次将铸锭的从150*500*1500轧到厚度为112mm。工作辊760mm×1500mm，轧速：0.1m/s，开口度：380mm，间隙时间：5s。有以上条件可以求出轧制压力和平均单位压力具体过程如下：（1）一般参数计算9工艺参数计算设计（热轧）10工艺参数计算设计（热轧）（2）σ和K值的确定：参考论文：李慧中,张新明,陈明安,周卓平.2519铝合金热变形流变行为[J].中国有色金属学报,2005,04:621-625.只要知道了金属试样的形变温度，形变程度和形变速率。即可通过实验数据或者图表得到特定形变条件下的变形抗力σ（详细计算公式和数据图表见ppt最后，这里不赘述）11工艺参数计算设计（热轧）（3）计算应力状态系数（4）计算平衡单位压力（5）计算接触面积（6）计算轧制压力此处不考虑张力轧制故不计算张力影响系数，视为没有张力影响T87规定在固溶之后对铝合金进行加工率（断面减缩率）为7%的冷轧。由于道次为1，7%也是冷轧时的总加工率且较小，不需要进行中间退火。参数计算假设热轧后对合金板进行裁剪，冷轧前板材尺寸为64.5*500*300012工艺参数计算设计（冷轧）13工艺参数计算设计（冷轧）（2）σ和K值的确定14工艺参数计算设计（冷轧）（3）计算应力状态系数（4）计算平衡单位压力（5）计算接触面积（6）计算轧制压力15工艺参数计算设计（165℃时效15h）

2519铝合金是热处理强化合金,时效析出相的形貌、大小及分布直接影响材料的性能。

T87为固溶化处理后为增加强度施予断面减缩率约7%的冷作加工,再经过人工时效处理，即T8态。根据相关文献可知最佳时效条件为165℃时效15h。

165℃时效硬化特点：右图为2519-T87合金在不同温度下的时效特征曲线。(根据时效前的热处理不同，时效硬化效果也会有变化）从图可以出,165℃时合金的时效硬化效果最好，且时效过程具有典型的3阶段时效特征,即经历了欠时效、峰值时效和过时效3个阶段。合金时效前的硬度值106HV,随时效时间的延长,合金的显微硬度值逐渐增大,当时效时间达15h时合金的硬度值达到峰值127HV,继续延长时效时间,合金的硬度值逐渐降低进入过时效阶段。16工艺参数计算设计（时效）不同温度下时效与力学性能的关系参考论文：李慧中,张新明,陈明安,周卓平.2519铝合金热变形流变行为[J].中国有色金属学报,2005,04:621-625.17工艺参数计算设计（热轧）关于σ值确定的理论支持：

1944年Zener和Hollomon提出并实验证实了确定钢的高速拉伸实验σ—ε关系的一种方法即:σ=σ(Z,ε)(1)其中Z=uexp[Q/(RT)](2)式中σ为高温流变应力;u为应变速率;ε为真应变;T为变形温度;R为摩尔气体常数;Z为Ze-ner-Hollomon参数,其物理意义是温度补偿的变形速率因子;Q为热变形激活能,它反映材料热变形的难易程度,也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。研究表明,Z与σ之间服从以下关系式:Z=A1[sinh(ασ)]n(3)结合式(2)和式(3)有:u=A1[sinh(ασ)]nexp[-Q/(RT)](4)式中A1,d,n均为与温度无关的常数;A为结构因子,s-1;d为应力水平参数,MPa-1;n为应力指数。上述关系式就是由Sellar和Tegart提出的一种为包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系。众多研究结果表明式(4)能较好地描述常规热变形。

在低应力水平条件下,由于ασ值较小,对式(3)和式(4)中的sinh(ασ)进行泰勒级数展开后忽略高次项,可近似得到低应力水平时上述两式的表达式为Z=A′σn（5）在高应力水平条件下,可以忽略sinh(ασ)中的exp(ασ)项,由式(3)和式(4)可得:Z=Aexp(βσ)(7)ε=Aexp(βσ)exp[-Q/(RT)](8)式中A′=A1/2n,α=β/n。假设2519铝合金高温塑性变形时的σ,ε和T之间关系满足式(4),然后根据式(6)和式(8),求出常数n,α和β。对式(6)、(8)两边取对数分别可得:lnε=lnA′-Q/(RT)+nlnσ(9)lnε=lnA-Q/(RT)+βσ(10)由式(9)、(10)可知,当温度一定时,n和β分别为lnε-lnσ,lnε-σ曲线的斜率,采用一元线性回归处理,得lnε-lnσ关系曲线,如图2(a)所示,lnε-σ关系曲线如图2(b)所示。相关系数均大于0.98。18工艺参数计算设计（热轧）关于σ值的确定：n值取图2(a)中峰值应力较低,即温度为350、400和450℃的3条直线斜率的平均值,得到n=11.08,β值取图2(b)中峰值应力较高,即温度为300,350,400℃的3条直线的平均值,得β=0.11969,则α=β/n=0.0108mm2/N假定热变形激活能Q与温度T无关,对式(4)两边分别取对数可得:lnε=lnA1-Q/(RT)-nln[sinh(ασ)](11)Q=Rlnεln[sin(ασ)]Tln[sinh(ασ)](1/T)ε(12)根据图1中不同温度下2519合金变形时的峰值应力、应变速率值和所求的α值代入式(11),再用最小二乘法线性回归,绘制出相应的ln[sinh(ασ)]-1/T关系曲线,如图3所示;lnε-ln[sinh(ασ)]关系曲线如图4所示。式(12)中的第一项代表lnε-ln[sinh(ασ)]关系曲线的斜率,第二项代表ln[sinh(ασ)]-1/T关系曲线的斜率。由此,可求得不同温度下变形激活能Q、应力指数n以及材料常数A值,其值分别为:Q=189.83kJ/mol,n=7.7563,A=1.44×10-14s-1。19工艺参数计算设计（热轧）关于σ值的确定：式(14)得到不同的Z值,再与对应的峰值应力一起代入式(11),用最小二乘法线性回归,绘制相应的lnZ-ln[sinh(ασ)]关系曲线,如图5所示。采用一元线性回归分析可得出两者的关系为:lnZ=33.036+720ln[sinh(ασ)]。显然2519合金流变应力双曲正弦项的自然对数和Z参数的自然对数间满足线性关系。由此可见,可以用包含Arrhenius项的Z参数描述2519合金高温压缩变形时的流变行为。将所求参数代入方程(4)可得实验合金的应力—应变关系方程:ε=1.44×1014[sinh(0.0108σ)]7.7563×exp[-189.83/(RT)]参考文献20[1]李慧中,张新明,陈明安,周卓平.2519铝合金热变形流变行为[J].中国有色金属学报,2005,04:621-625.[2]张新明,李慧中,陈明安,梁霄鹏,李洲,贾寓真.热处理对2519铝合金应力腐蚀开裂敏感性的影响[J].中国有色金属学报,2006,10:1743-1748.[3]李慧中,梁霄鹏,张新明,黄伯云,张传福.2519铝合金热变形组织演化[J].中国有色金属学报,2008,02:226-230.[4]李慧中,梁霄鹏,陈明安,张新明.冷轧变形量对2519铝合金组织与力学性能的影响[J].材料热处理学报,2008,02:86-89.[5]刘瑛,张新明,李慧中,高慧,刘波,李惠杰.2519铝合金的低温拉伸力学性能[J].中南大学学报(自然科学版),2006,04:641-645.[6]洪张飞,国旭明,杨成刚,张劲松,张亚东.热处理对2519铝合金接头组织及性能的影响[J].材料研究学报,2006,02:171-175.[7]李慧中,梁霄鹏,李洲,郭菲菲,张新明.时效温度对2519铝合金组织与力学性能的影响[J].机械工程材料,2008,08:12-15.[8]李慧中,张新明,陈明安,周卓平,龚敏如.2519铝合金时效过程的组织特征[J].特种铸造及有色合金,2005,05:273-275+254.[9]顾刚.断续时效对2519A铝合金组织、力学性能和抗冲击性能的影响[D].中南大学,2014.[10]张新明,刘波,刘瑛,李慧中,李惠杰.温度与保温时间对2519A铝合金高温力学性能的影响[J].中国有色金属学报,2007,10:1561-1566.[11]夏申琳,赵新奇,史明君,陈江华,王双宝,伍翠兰.2519铝合金的均匀化热处理[J].电子显微学报,2012,06:469-475.[12]林启权,张辉,彭大暑.形变热处理对2519铝合金性能的影响[J].矿冶工程,2004,01:92-94+99.[13]林启权,张辉,彭大暑,林高用,王振球.热压缩2519铝合金流变应力特征[J].矿冶工程,2002,02:110-113.[14]陈进泽,林启权,张学兵,胡文骏.2519铝合金多道次热轧过程组织演变的数值模拟[J].热加工工艺,2011,02:65-67+72.21参考文献15]林启权,张辉,彭大暑,林高用,杨立斌.2519铝合金热压缩变形流变应力行为[J].热加工工艺,2002,03:3-5