大厚度比Al/Mg/Al层合板轧制过程数值模拟及实验研究

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Al/Mg/Al层合板具有耐腐蚀、比强度高等优点,在飞行器和汽车零部件、外壳上得到广泛应用。关于Al/Mg/Al层合板的研究中,镁铝厚度比大多数在10以下,铝的占比达到20%左右,使得整体密度增加。针对航空航天领域卫星结构件轻质的需求,增加镁铝厚度比,来减轻重量,提高比强度。压下率是影响层合板轧后性能的重要因素,而有关大厚度比Al/Mg/Al层合板轧制压下率和模拟的研究很少,为了研究压下率对大厚度比Al/Mg/Al层合板性能的影响,本文从实验和模拟两方面展开研究。采用33%、41%、49%、60%和66%五个压下率,使用0.2 mm厚的1060铝带和5 mm厚的AZ31B镁合金板制坯,镁铝厚度比为25,进行了400℃保温10 min的热轧实验。不同压下率下,轧制后的层合板板形平直。压下率为49%及以下时,无边裂产生。微观组织性能分析表明,Al/Mg/Al层合板界面线扫描结果中,无明显金属间化合物出现。33%压下率下实现初步结合;41%压下率下结合界面存在微缺陷;49%压下率下实现良好结合,且拉伸断裂后界面不分离。在压下率为41%时,抗弯强度最大。压下率在49%及以上时,晶粒呈等轴状,平均晶粒尺寸为2.87μm,延伸率最大,为26%,相对现有研究中的Al/Mg/Al层合板延伸率得到很大提升。在压下率为60%时,由于剪切带的产生,抗拉强度最大为315 MPa。为了研究轧制过程中层合板应力应变、金属流动和温度的变化和分布,使用有限元软件Marc进行模拟分析。建立了二维热-力耦合Al/Mg/Al层合板轧制模拟模型,对比了模拟和实验的轧后铝层厚度。本文对Al/Mg/Al层合板的Y向、轧向正应力、切应力、接触摩擦应力、总等效应变和温度场进行了提取分析。结果表明,随着压下率的增加,Al/Mg/Al层合板的应力应变逐渐增加,促进了其界面的结合。压下量对中性点的位置影响较小。随着压下率增加,因轧制变形区的变长,出口温度逐渐下降,导致60%和66%压下率时,边裂的产生和晶粒的细化。压下率为49%时,Al/Mg/Al层合板应变均匀,导致其晶粒组织呈等轴状且均匀,延伸率得到显著提升;应变的不均匀性使得压下率为60%时,Al/Mg/Al层合板抗拉强度最大而延伸率最小。铝层内,温度变化与厚度呈现线性函数的关系,镁层内,温度变化与厚度呈现二次函数的关系。镁合金等效应变大的区域金属变形热效应明显增加。压下率为49%时制备的大厚度比Al/Mg/Al层合板边裂较少,界面结合良好,晶粒细小均匀,抗拉抗弯性能较好,延伸率显著提升,综合性能最好。
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