纯铜三辊行星轧制中变形升温热加工研究

摘要

铜管三辊行星轧制是一项成熟的管材生产工艺，具有一道次成形，变形量大，升温快、组织演变剧烈等特点。随着铜管材应用范围的扩大以及对铜管质量要求的不断提高，对铜管三辊行星轧制加工技术进行深入的理论研究则具有重要的实际意义。在塑性加工过程中，动态再结晶机制起着细化晶粒的作用，同时可使金属微观组织均匀并有助于管材获得良好的机械性能，因此，能否发生动态再结晶成为塑性加工中的关键。预测动态再结晶是否发生至少需要知道变形过程的应变和温度，而一般的三辊行星轧制有限元模拟提供的参数及数据不够全面，且有部分模拟结果缺乏实验支持。因此有必要通过建立一模型获得三辊行星轧制中应变场、温度场、应力场分布，同时结合组织演变探讨三辊行星轧制的物理本质，以期为三辊行星轧制大规模产业化的实现奠定理论基础。 本文通过金相(Optical Microscopy，OM)和电子背散射衍射（Electron Back-Scattered Diffraction，EBSD）分析观察金属的宏微观组织。经三辊行星轧制后，铜样品整体晶粒沿轴向细化，组织不均匀性下降，同时减径区管材沿径向呈现出梯度分布状态;最终在集中加工区的出口处形成均匀等轴组织，平均晶粒尺寸2.1±1.2μm。同时开展了织构演变分析，发现出口处管材织构为一种近轧制织构，而加工过程中发生的再结晶弱化了该织构强度。 建立了三辊行星轧制铜材加工区轧件样品的几何模型，并对速度场和边界条件进行了优化处理。其次，合理将剪切应变融入等效应变中，并给出三辊行星轧制铜管等效应变场的分布。为确保模拟分析的准确性，合理选取联系应力、应变与温度三者的本构方程。运用变形功法解析出轧件瞬时的能耗微分方程。虽然在数学上不能解出原函数，但通过对加工过程的数值计算，得到纯铜三辊行星轧制过程中，进入稳态时的温度场和应力场。 本文采用理论模型模拟计算与实验数据验证两手段相互印证的方法。首先计算结果可证明纯铜组织演变和硬度分布的可靠性，而实验数据反过来也证明所建立的解析模型的合理性。同时获得的计算结果可预测并验证了纯铜在三辊行星轧制加工过程中发生的再结晶行为。通过对三辊行星轧制稳态加工过程深入的理论解析，可为再结晶模型在三辊行星轧制中的运用奠定基础，同时也为三辊行星轧制的推广运用提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2热加工中的再结晶现象和规律

1．3动态再结晶的判据

1．4金属热加工的途径

1．5三辊行星轧制简介

1．6 PSW的研究现状

1．6．1组织演变

1．6．2 PSW加工的模拟

1．6．3塑性变形的本构方程

1．7课题的提出和意义

1．8课题研究的内容

第二章实验材料与方法

2．1实验材料

2．2研究方案

2．3变形功法简介

2．4组织表征方法

2．5显微硬度测试

第三章组织和硬度

3．1金相观察

3．2硬度

3．3 EBSD观察

3．4织构变化分析

3．5本章小结

第四章铜管PSW加工模型与数值分析

4．1一类管、棒材解析模型的简介

4．2轧件运动的几何模型

4．3假设和边界条件

4．3．1轧件的许可运动速度场

4．3．2轧件外部的边界条件

4．3．3轧件内部的径向分区假设

4．4轧件的应变场

4．4．1剪切变形分析

4．4．2等效应变场分布

4．5轧件的温度场和应力场

4．5．1能量方程

4．5．2变形功的计算

4．5．3摩擦功的计算

4．5．4内能的计算

4．5．5所有计算使用到的物理、工艺参数

4．5．6数值计算

4．5．7温度场结果

4．5．8应力场结果

4．6温度分布对比

4．7应力和硬度的关系

4．8再结晶的预测

4．9再结晶的证明

4．10模型的不足

4．11本章小结

第五章结论和展望

5．1结论

5．2展望

致谢

参考文献

附录