基于Hyper Xtrude的5A30铝合金型材等温挤压研究

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HyperXtrude是当今最先进的金属挤压分析软件,该软件基于任意拉格朗日——欧拉(ALE)有限元法能准确分析复杂截面型材及其模具的温度场、速度场、应力场及应变场,从而实现模具结构及挤压工艺的优化。本文基于HyperXtrude软件对船舶用5A30铝合金壁板型材的等温挤压过程进行了研究。通过HyperXtrude的稳态分析模块,研究了工作带的长度及导流孔的形状对该型材的金属流动影响规律,进而优化了模具结构;在此基础上,进一步采用HyperXtrude瞬态分析模块研究了梯温铸棒条件下的等温挤压工艺,并采用模拟后的优化工艺在4000UST的卧式挤压机上进行等温挤压试验研究;借助光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)及显微硬度仪等设备,研究了等温挤压后型材的组织与性能。主要研究内容及结果如下:1.研究了初始模具结构挤压该型材的金属流动均匀性,探明了工作带长度及导流孔形状对金属流动及模具强度的影响规律。初始模具结构条件下模拟得出的型材截面金属流动均方差Fsdv为0.3189,金属流动不均匀;调整工作带后的Fsdv为0.2761,金属流动均匀性略有提高,但边部工作带过短,工作带最大应力为721MPa;经导流孔优化后的Fsdv为0.1518,金属流动均匀性得到很大提高,工作带最大应力仅为595.5MPa。通过调整导流孔形状来优化模具结构,更能改善该型材的金属流动均匀性,进而为后续等温挤压研究提供了良好的成形条件。2.基于HyperXtrude研究了不同温度梯度的铸棒对型材出口温度的影响规律,获得了可实现等温挤压的铸棒梯度温度。采用均温铸棒工艺时,挤压过程中型材出口温度差为27.8℃;采用铸棒首尾温差为25℃的工艺时,挤压过程中型材出口温度差为17.8℃;采用铸棒首尾温差为100℃的工艺时,型材出口温度差为18.2℃;采用铸棒首尾温差为50℃的工艺时,挤压过程温度分布平稳,型材出口温差仅为6.4℃,能近似实现模拟等温挤压,为实际等温挤压提供了依据。3.对比研究了均温铸棒及首尾温差为50℃的梯温铸棒工艺下实际挤压过程的型材出口温度随时间的变化规律。采用均温铸棒工艺时,型材出口温度差为25.3℃;采用铸棒首尾温差为50℃的工艺时,型材的出口温度差约为7.3℃;实际型材出口温度差略高于模拟的型材出口温度差,但仍符合等温挤压的要求,因此模拟挤压可替代传统方法来确定铸棒的梯度温度,实现基于CAE的等温挤压铸棒梯度温度的选择。4.对比分析了等温挤压型材纵向上前后端的显微组织及硬度分布,同时分析了型材截面上不同部位的显微组织特征。等温挤压的前后端型材不仅表面组织形貌相似,而且横截面与纵截面上组织形貌特征也近似;等温挤压型材前端的平均硬度为98.99HV0.1,型材后端的平均硬度为97.26HV0.1;前后端硬度值相近且分布均匀;等温挤压型材横截面上由于不同部位变形程度不一,横截面内外层组织难以均匀,尤其是近表层区域因强烈的摩擦剪切作用,易形成局部粗晶组织。5.分析了等温挤压型材热变形组织形貌特征,探讨了等温挤压5A30铝合金型材实际亚晶尺寸与基于Zener-Hollomon参数的该合金热变形亚晶尺寸模型计算值的相关度及差异。等温挤压型材亚晶组织中位错密度低,不仅具有Microbands微变形带结构特征,而且呈现出典型的动态回复及局部亚晶合并的动态再结晶特征;等温挤压型材的平均亚晶尺寸约为1.87μ m,而计算的亚晶尺寸为1.13μ m,实际亚晶尺寸略大于模型计算的亚晶尺寸,说明等温挤压组织可通过其工艺参数进行控制。
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