中南大學(xué)塑性加工鋁合金板軋制設(shè)計(jì)

鋁合金板軋制設(shè)計(jì)（60mm厚2519-T87鋁合金厚板）軋機(jī)參數(shù)：③工作輥：760mm×1500mm，軋速：0.1m/s，開口度：380mm，間隙時(shí)間：5s2頁3頁4-16頁17-20頁鋁合金成分性能介紹加工方案設(shè)計(jì)工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)理論依據(jù)和參考文獻(xiàn)2519-T87鋁合金的成分.性能和用途

2519鋁合金屬于高Cu/Mg比含量Al-Cu-Mg系變形鋁合金.T87為固溶化處理后為增加強(qiáng)度施予斷面減縮率約7%的冷作加工,再經(jīng)過人工時(shí)效處理.在180℃或165℃下時(shí)效15h時(shí)，即T8態(tài)，此時(shí)析出的θ′相彌散而細(xì)小，合金的強(qiáng)度和硬度都很高。

性能優(yōu)點(diǎn)：合金具有良好的抗彈性能、抗應(yīng)力腐蝕性能及焊接性能。該合金的縱向斷裂韌性適中,短橫向斷裂韌性更好,顯示了其優(yōu)異的抗彈性能。

應(yīng)用：可作為各種軍用車輛、飛機(jī)以及其它商業(yè)用途的輕質(zhì)化材料的替代品

2產(chǎn)品加工方案（T87）3鑄錠（表面處理）→均勻化退火（530℃，12h最佳）→熱軋→固溶（530℃，1h最佳）→冷軋（7%,預(yù)拉伸，裁剪）→鋸切→時(shí)效（165℃，15h最佳）③工作輥：760mm×1500mm，軋速：0.1m/s，開口度：380mm，間隙時(shí)間：5sA產(chǎn)品尺寸：參考銅鎂鋁合金板材產(chǎn)品的尺寸，結(jié)合本題的條件，最終給出的產(chǎn)品尺寸為60*500*3000B鑄錠尺寸：（1）錠坯厚度：定坯厚度的最小值應(yīng)能保證金屬承受60%~70%的加工率，所以可知產(chǎn)品厚度為60mm時(shí)，鑄錠的厚度應(yīng)滿足公式：考慮到軋機(jī)的情況，應(yīng)取較小的加工率，即錠坯厚度設(shè)定為150mm。C工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（尺寸部分）4(2)鑄錠寬度:鑄錠寬度一般通過如下公式確定:其中b表示成品寬度，n表示成品寬度的倍數(shù)，Δb表示總切變量，ΔB表示熱軋寬展量.由于軋機(jī)比較小，所以n取1，總切邊量和熱軋寬展量可以認(rèn)為基本抵消，即鑄錠的寬度與產(chǎn)品的寬度設(shè)定為一樣長(zhǎng)，熱軋過程中的寬展量在軋制完成之后切掉。因此鑄錠的寬度確定為500mmDF工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（尺寸部分）5

(3)鑄錠的長(zhǎng)度:依據(jù)體積不變?cè)瓌t，同時(shí)考慮到加工過程中不可避免的損失，可知鑄錠長(zhǎng)度應(yīng)滿足如下公式:考慮到鑄錠原料和去頭去尾問題，最終選定鑄錠長(zhǎng)度L=1500mm至此可知：產(chǎn)品的尺寸為60*500*3000鑄錠的尺寸為150*500*1500工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（均勻化和固溶）均勻化退火：

由于鋁合金鑄錠存在嚴(yán)重的枝晶偏析，晶界處有非平衡凝固共晶組織造成較高的內(nèi)應(yīng)力，影響合金性能。采用適當(dāng)?shù)木鶆蚧療崽幚砜墒狗瞧胶夤簿嗳芙?，合金元素分布趨于均勻，?nèi)應(yīng)力減小，基體內(nèi)融入更多合金元素。在后續(xù)的熱處理中這些合金可形成更多析出相，強(qiáng)化合金力學(xué)性能。（右圖為均勻化過程中Cu元素在基體中的濃度變化）

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，可知2519合金在（530℃，12h）條件下均勻化退火工藝最佳。（或按照計(jì)算學(xué)一定范圍調(diào)整溫度和時(shí)間亦可）●

固溶:

其作用和操作和均勻化類似。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，可知2519合金在（530℃，1h）條件下固溶工藝最佳。6（1）熱軋溫度與錠坯加熱通過查閱文獻(xiàn)，可知開軋溫度和終軋溫度的范圍分別為420~440和350~430，以此為參考，將熱加工開軋溫度設(shè)定為430度，終軋溫度設(shè)定為400度。錠坯在熱軋之前首先需要加熱至加工溫度，為補(bǔ)償出爐后的溫降，爐溫應(yīng)比加工溫度高出一部分，同時(shí)加熱時(shí)間需要盡可能短，以避免晶粒長(zhǎng)大的出現(xiàn)。所以錠坯加熱的溫度為450度熱軋時(shí)間則根據(jù)入下公式確定（右圖為常見鋁合金熱軋溫度表）7工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）（2）熱軋壓下制度：Ⅰ總加工率的確定鑄錠的厚度是150mm，產(chǎn)品的厚度是60mm，所以總加工率是60%。考慮到后面要進(jìn)行7%的冷軋，故熱軋總加工率只有1-40%/0.93=57%Ⅱ道次加工率的確定通常平均道次加工率為15~40%左右。由于金屬抗力一般，軋制速度較慢故選定平均道次加工率為25%Ⅲ軋制道次的確定軋制道次取決于總加工率和道次加工率，軋制道次可由公式確定所以軋制道次設(shè)定為3次。8工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）具體的熱軋工藝，熱軋一共有3個(gè)道次，第一個(gè)道次將鑄錠的從150*500*1500軋到厚度為112mm。工作輥760mm×1500mm，軋速：0.1m/s，開口度：380mm，間隙時(shí)間：5s。有以上條件可以求出軋制壓力和平均單位壓力具體過程如下：（1）一般參數(shù)計(jì)算9工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）10工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）（2）σ和K值的確定：參考論文：李慧中,張新明,陳明安,周卓平.2519鋁合金熱變形流變行為[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2005,04:621-625.只要知道了金屬試樣的形變溫度，形變程度和形變速率。即可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者圖表得到特定形變條件下的變形抗力σ（詳細(xì)計(jì)算公式和數(shù)據(jù)圖表見ppt最后，這里不贅述）11工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）（3）計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)（4）計(jì)算平衡單位壓力（5）計(jì)算接觸面積（6）計(jì)算軋制壓力此處不考慮張力軋制故不計(jì)算張力影響系數(shù)，視為沒有張力影響T87規(guī)定在固溶之后對(duì)鋁合金進(jìn)行加工率（斷面減縮率）為7%的冷軋。由于道次為1，7%也是冷軋時(shí)的總加工率且較小，不需要進(jìn)行中間退火。參數(shù)計(jì)算假設(shè)熱軋后對(duì)合金板進(jìn)行裁剪，冷軋前板材尺寸為64.5*500*300012工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（冷軋）13工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（冷軋）（2）σ和K值的確定14工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（冷軋）（3）計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)（4）計(jì)算平衡單位壓力（5）計(jì)算接觸面積（6）計(jì)算軋制壓力15工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（165℃時(shí)效15h）

2519鋁合金是熱處理強(qiáng)化合金,時(shí)效析出相的形貌、大小及分布直接影響材料的性能。

T87為固溶化處理后為增加強(qiáng)度施予斷面減縮率約7%的冷作加工,再經(jīng)過人工時(shí)效處理，即T8態(tài)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知最佳時(shí)效條件為165℃時(shí)效15h。

165℃時(shí)效硬化特點(diǎn)：右圖為2519-T87合金在不同溫度下的時(shí)效特征曲線。(根據(jù)時(shí)效前的熱處理不同，時(shí)效硬化效果也會(huì)有變化）從圖可以出,165℃時(shí)合金的時(shí)效硬化效果最好，且時(shí)效過程具有典型的3階段時(shí)效特征,即經(jīng)歷了欠時(shí)效、峰值時(shí)效和過時(shí)效3個(gè)階段。合金時(shí)效前的硬度值106HV,隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),合金的顯微硬度值逐漸增大,當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)15h時(shí)合金的硬度值達(dá)到峰值127HV,繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間,合金的硬度值逐漸降低進(jìn)入過時(shí)效階段。16工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（時(shí)效）不同溫度下時(shí)效與力學(xué)性能的關(guān)系參考論文：李慧中,張新明,陳明安,周卓平.2519鋁合金熱變形流變行為[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2005,04:621-625.17工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）關(guān)于σ值確定的理論支持：

1944年Zener和Hollomon提出并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了確定鋼的高速拉伸實(shí)驗(yàn)σ—ε關(guān)系的一種方法即:σ=σ(Z,ε)(1)其中Z=uexp[Q/(RT)](2)式中σ為高溫流變應(yīng)力;u為應(yīng)變速率;ε為真應(yīng)變;T為變形溫度;R為摩爾氣體常數(shù);Z為Ze-ner-Hollomon參數(shù),其物理意義是溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃?Q為熱變形激活能,它反映材料熱變形的難易程度,也是材料在熱變形過程中重要的力學(xué)性能參數(shù)。研究表明,Z與σ之間服從以下關(guān)系式:Z=A1[sinh(ασ)]n(3)結(jié)合式(2)和式(3)有:u=A1[sinh(ασ)]nexp[-Q/(RT)](4)式中A1,d,n均為與溫度無關(guān)的常數(shù);A為結(jié)構(gòu)因子,s-1;d為應(yīng)力水平參數(shù),MPa-1;n為應(yīng)力指數(shù)。上述關(guān)系式就是由Sellar和Tegart提出的一種為包含變形激活能Q和溫度T的雙曲正弦形式修正的Arrhenius關(guān)系。眾多研究結(jié)果表明式(4)能較好地描述常規(guī)熱變形。

在低應(yīng)力水平條件下,由于ασ值較小,對(duì)式(3)和式(4)中的sinh(ασ)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開后忽略高次項(xiàng),可近似得到低應(yīng)力水平時(shí)上述兩式的表達(dá)式為Z=A′σn（5）在高應(yīng)力水平條件下,可以忽略sinh(ασ)中的exp(ασ)項(xiàng),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。假設(shè)2519鋁合金高溫塑性變形時(shí)的σ,ε和T之間關(guān)系滿足式(4),然后根據(jù)式(6)和式(8),求出常數(shù)n,α和β。對(duì)式(6)、(8)兩邊取對(duì)數(shù)分別可得:lnε=lnA′-Q/(RT)+nlnσ(9)lnε=lnA-Q/(RT)+βσ(10)由式(9)、(10)可知,當(dāng)溫度一定時(shí),n和β分別為lnε-lnσ,lnε-σ曲線的斜率,采用一元線性回歸處理,得lnε-lnσ關(guān)系曲線,如圖2(a)所示,lnε-σ關(guān)系曲線如圖2(b)所示。相關(guān)系數(shù)均大于0.98。18工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）關(guān)于σ值的確定：n值取圖2(a)中峰值應(yīng)力較低,即溫度為350、400和450℃的3條直線斜率的平均值,得到n=11.08,β值取圖2(b)中峰值應(yīng)力較高,即溫度為300,350,400℃的3條直線的平均值,得β=0.11969,則α=β/n=0.0108mm2/N假定熱變形激活能Q與溫度T無關(guān),對(duì)式(4)兩邊分別取對(duì)數(shù)可得:lnε=lnA1-Q/(RT)-nln[sinh(ασ)](11)Q=Rlnεln[sin(ασ)]Tln[sinh(ασ)](1/T)ε(12)根據(jù)圖1中不同溫度下2519合金變形時(shí)的峰值應(yīng)力、應(yīng)變速率值和所求的α值代入式(11),再用最小二乘法線性回歸,繪制出相應(yīng)的ln[sinh(ασ)]-1/T關(guān)系曲線,如圖3所示;lnε-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線如圖4所示。式(12)中的第一項(xiàng)代表lnε-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線的斜率,第二項(xiàng)代表ln[sinh(ασ)]-1/T關(guān)系曲線的斜率。由此,可求得不同溫度下變形激活能Q、應(yīng)力指數(shù)n以及材料常數(shù)A值,其值分別為:Q=189.83kJ/mol,n=7.7563,A=1.44×10-14s-1。19工藝參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)（熱軋）關(guān)于σ值的確定：式(14)得到不同的Z值,再與對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力一起代入式(11),用最小二乘法線性回歸,繪制相應(yīng)的lnZ-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線,如圖5所示。采用一元線性回歸分析可得出兩者的關(guān)系為:lnZ=33.036+720ln[sinh(ασ)]。顯然2519合金流變應(yīng)力雙曲正弦項(xiàng)的自然對(duì)數(shù)和Z參數(shù)的自然對(duì)數(shù)間滿足線性關(guān)系。由此可見,可以用包含Arrhenius項(xiàng)的Z參數(shù)描述2519合金高溫壓縮變形時(shí)的流變行為。將所求參數(shù)代入方程(4)可得實(shí)驗(yàn)合金的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系方程:ε=1.44×1014[sinh(0.0108σ)]7.7563×exp[-189.83/(RT)]參考文獻(xiàn)20[1]李慧中,張新明,陳明安,周卓平.2519鋁合金熱變形流變行為[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2005,04:621-625.[2]張新明,李慧中,陳明安,梁霄鵬,李洲,賈寓真.熱處理對(duì)2519鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2006,10:1743-1748.[3]李慧中,梁霄鵬,張新明,黃伯云,張傳福.2519鋁合金熱變形組織演化[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2008,02:226-230.[4]李慧中,梁霄鵬,陳明安,張新明.冷軋變形量對(duì)2519鋁合金組織與力學(xué)性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2008,02:86-89.[5]劉瑛,張新明,李慧中,高慧,劉波,李惠杰.2519鋁合金的低溫拉伸力學(xué)性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,04:641-645.[6]洪張飛,國旭明,楊成剛,張勁松,張亞東.熱處理對(duì)2519鋁合金接頭組織及性能的影響[J].材料研究學(xué)報(bào),2006,02:171-175.[7]李慧中,梁霄鵬,李洲,郭菲菲,張新明.時(shí)效溫度對(duì)2519鋁合金組織與力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料,2008,08:12-15.[8]李慧中,張新明,陳明安,周卓平,龔敏如.2519鋁合金時(shí)效過程的組織特征[J].特種鑄造及有色合金,2005,05:273-275+254.[9]顧剛.斷續(xù)時(shí)效對(duì)2519A鋁合金組織、力學(xué)性能和抗沖擊性能的影響[D].中南大學(xué),2014.[10]張新明,劉波,劉瑛,李慧中,李惠杰.溫度與保溫時(shí)間對(duì)2519A鋁合金高溫力學(xué)性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2007,10:1561-1566.[11]夏申琳,趙新奇,史明君,陳江華,王雙寶,伍翠蘭.2519鋁合金的均勻化熱處理[J].電子顯微學(xué)報(bào),2012,06:469-475.[12]林啟權(quán),張輝,彭大暑.形變熱處理對(duì)2519鋁合金性能的影響[J].礦冶工程,2004,01:92-94+99.[13]林啟權(quán),張輝,彭大暑,林高用,王振球.熱壓縮2519鋁合金流變應(yīng)力特征[J].礦冶工程,2002,02:110-113.[14]陳進(jìn)澤,林啟權(quán),張學(xué)兵,胡文駿.2519鋁合金多道次熱軋過程組織演變的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2011,02:65-67+72.21參考文獻(xiàn)15]林啟權(quán),張輝,彭大暑,林高用,楊立斌.2519鋁合金熱壓縮變形流變應(yīng)力行為[J].熱加工工藝,2002,03:3-5