Ag/Cu金属复合材料轧制变形研究及有限元模拟

摘要

本论文选取重庆川仪金属功能材料分公司生产用AgCu4Ni0.5/Cu复合材料,进行不同变形量的精轧实验,对轧制后试样进行电子背散射衍射实验和尺寸、硬度测量,对精轧过程进行有限元理论分析和数值模拟。通过以上实验方法,研究轧制对材料中微观织构分布、晶界微取向、晶粒大小及分布、轧件尺寸、硬度等的影响,研究轧制过程中的轧件变形,为生产现场提供理论依据,以期更加系统地控制轧制过程。　　具体研究内容和研究成果有以下几个方面:　　1、本文对显式动力学有限元方程及理论进行了分析,同时分析了大变形有限元问题求解控制及注意事项。结合LS-DYNA的lsdyna970求解器,讨论了几个关系到精确求解的内容,并提出了可行的求解控制方法;这在第四章相关的有限元上机实践操作中被证明是切实有效的。　　2、在试验研究的基础上,应用大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,采用弹塑性有限元法对 Ag/Cu复合材料精轧过程进行有限元数值模拟,研究了压下量、张力对轧件与轧辊间接触力、轧件变形、应变状态等的影响。结果表明,　　1)、压下量增加对尾部端面变形突出量增加的影响比对头部端面的更大。　　2)、随轧制变形量的增加,轧件尾部的Ag层与Cu层间的塑性应变差值比头部的更明显,所占区域也有所增加;塑性应变的不均匀程度加剧。　　3)、在轧制力-时间曲线上,前期有突起峰值,轧制压力在中间大部分区域基本稳定,然后到后期再次出现峰值并突降(呈凹型分布)。　　4)、合理的压下量对轧件端面形状的控制是有利的。在44％以下的压下量时,轧制压力相对稳定,有利于对轧件形状的控制。　　5)、增加前、后张力都使轧件边部的横向流动减小,从而增加厚向变形,使变形均匀。　　6)、单独改变后张力比单独改变前张力的影响效果大,但不如前后张力同时变化时的影响效果明显。　　7)、在生产中,为了促进轧件均匀变形,并减小轧制力,建议在设备允许的情况下优先采用大张力轧制工艺,以利于改善和保持轧件形状。　　3、对模拟计算与轧制实验结果进行了轧件尺寸对比验证,确定了模拟结果的准确性。20%、33%和44%压下量的情况下,无论是轧件的总厚度还是复层厚度,模拟结果与实验结果的误差是很小的。其总厚度的相对误差不超过6.7%。各种变形量轧后厚比的值都与原始厚比十分接近,且实验与模拟的结果相对误差也在4%以内。因此轧后厚比对控制轧件厚度及形状,合理制定厚度比,节约复层的贵金属有重要的指导意义。同时,从轧制后轧件的显微硬度-变形量关系出发,得出与模拟中双线性硬化模型材料应力-应变关系之间很好吻合的特点。　　4、利用电子背散射衍射实验考察热轧复合后,最后一个道次精轧变形的不同变形量对Ag/Cu复合材料中晶粒大小及分布、微观织构分布、晶界微取向的影响。　　1)、轧制变形使复合材料基层和复层的晶粒细化。随着变形量的增加,最小晶粒的数量和比例增多,最大晶粒的尺寸则变小。　　2)、本论文精轧试样的形变织构符合铜式冷轧织构的特征,主要由C-{112}<111>、S-{123}<634>、B-{110}<112>这三种织构组分组成;随着轧制变形量的增加,冷轧织构也随之增强,C-{112}<111>组分逐渐占据主要位置。　　3)、在轧制后Ag层和Cu层的晶界微取向分布中,小角度晶界含量最多。这种含量分布符合轧制态试样中主要是小角度晶界的规律。

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符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 轧制复合工艺

1.3 轧制对金属材料影响的研究进展

1.4 有限元模拟研究及进展

1.5 形变织构

1.6 扫描电镜与电子背散射衍射

1.7 织构测量与表达

1.8 本研究的主要内容

第二章 实验概述

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方案

2.5 实验过程

第三章 有限元理论与推导分析

3.1 大变形基本理论推导

3.2 塑性屈服准则

3.3 流动法则与硬化条件

3.4 弹塑性本构关系及弹塑性矩阵

3.5 有限元方程的求解

第四章 轧制过程的模拟及分析

4.1 有限元求解过程中的若干技术问题

4.2 轧制工艺参数对轧制变形影响的有限元分析

第五章 轧制实验及其与模拟对比分析

5.1 有限元模拟计算与实验结果的对比

5.2 显微硬度测量结果分析

第六章 轧制变形Ag/Cu复合材料的EBSD分析

6.1 EBSD分析结果

6.2 Ag/Cu复合材料晶粒大小变化规律

6.3 Ag/Cu复合材料微观织构分布规律

6.4 Ag/Cu复合材料晶界微取向分布规律

第七章 结论

致谢

参考文献

附录 1

附录 2

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果