6013鋁合金多道次變形及本構(gòu)建模研究.pdf

1、在汽車的輕量化設(shè)計(jì)中，鋁代鋼已成為車身輕量化制造的重要發(fā)展趨勢(shì)，綜合性能優(yōu)越的6000系鋁合金便成為了車身板件的熱選材料。然而，我國(guó)的車身鋁合金板材仍主要依賴進(jìn)口，相關(guān)基礎(chǔ)研究起步較晚且并不完善。
　　汽車車身用鋁合金板材產(chǎn)品的質(zhì)量以及各項(xiàng)使用性能均取決于熱軋成形過(guò)程的合理控制，特別是材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格把控。因此，通過(guò)對(duì)6000系鋁合金熱軋成形過(guò)程的系統(tǒng)研究，在充分結(jié)合材料學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出可量化微

2、觀組織結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)現(xiàn)象和熱軋工藝參數(shù)等三者關(guān)系的分析模型，是實(shí)現(xiàn)車身板材成形工藝規(guī)劃及過(guò)程控制的關(guān)鍵。
　　本文選用6013鋁合金作為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上完成的單道次與多道次、等溫與非等溫的平面應(yīng)變熱壓縮實(shí)驗(yàn)，模擬不同工藝條件下熱軋板材的成形過(guò)程?；谠擁?xiàng)物理模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合光學(xué)顯微鏡分析(OM)、透射電子顯微鏡分析(TEM)和電子背散射衍射分析(EBSD)等技術(shù)手段，探討了合金在不同變形階

3、段的微觀組織演變規(guī)律及變形機(jī)制;通過(guò)熱加工圖的建立，定量分析了合金流變行為與組織演變間的關(guān)系。同時(shí)，構(gòu)建了6013鋁合金多道次熱軋成形過(guò)程的全局優(yōu)化控制模型，給出了熱軋工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施辦法。本文完成的研究工作及主要成果如下:
　　(1)在6013鋁合金的熱變形過(guò)程中，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，變形機(jī)制逐步由動(dòng)態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶。在道次停留階段易發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶并伴隨晶粒長(zhǎng)大。隨著道次停留時(shí)間的增加，再結(jié)晶晶

4、粒與亞結(jié)構(gòu)取向均由R織構(gòu){124}<211>逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤⒎娇棙?gòu){011}<100>為主導(dǎo)。變形道次的增加有利于亞晶尺寸與分布的均勻化、再結(jié)晶核的形成以及析出二次相的團(tuán)簇與長(zhǎng)大，尺寸為100 nm左右的細(xì)小析出相形貌主要為六邊形狀和板條狀。
　　(2)通過(guò)重構(gòu)Murty準(zhǔn)則中復(fù)雜積分項(xiàng)并優(yōu)化相應(yīng)求解算法，成功繪制出了6013鋁合金的熱加工圖。在熱加工圖中預(yù)測(cè)出的變形失穩(wěn)區(qū)域與組織分析的結(jié)果基本吻合，合金在高應(yīng)變速率下變形易發(fā)生局部

5、流變等失穩(wěn)現(xiàn)象。結(jié)合組織演變規(guī)律的分析得出，當(dāng)能量耗散效率η值不足30％時(shí)，變形機(jī)制以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主;當(dāng)η值超過(guò)40％時(shí)，軟化機(jī)制逐步轉(zhuǎn)為以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主導(dǎo)。
　　(3)提出并推導(dǎo)了考慮變形能與熱傳導(dǎo)的變形溫升理論計(jì)算模型，修正了應(yīng)變速率相對(duì)較高時(shí)的平面應(yīng)變熱壓縮實(shí)驗(yàn)的流變應(yīng)力實(shí)測(cè)值。通過(guò)修正的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了材料參數(shù)對(duì)本構(gòu)模型預(yù)測(cè)能力的影響，提出了基于應(yīng)變速率補(bǔ)償溫度系數(shù)的參數(shù)修正方法，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)本構(gòu)模型的優(yōu)化。
　

6、　(4)根據(jù)6013鋁合金雙道次熱變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)流變應(yīng)力軟化率、加工硬化率以及再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)計(jì)算，量化分析了合金的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)再結(jié)晶行為特征，闡明了應(yīng)變速率對(duì)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)再結(jié)晶影響規(guī)律的差異性，并提出了可用于量化流變應(yīng)力受道次停留影響程度的參量——道次停留軟化系數(shù)(SCt)。結(jié)合SCt的函數(shù)表達(dá)式，構(gòu)建了包含道次停留時(shí)間影響的金屬熱變形本構(gòu)模型。
　　(5)針對(duì)合金熱變形本構(gòu)關(guān)系的基本特征，提出了以元模型方法和舍一交叉驗(yàn)證技術(shù)為依托

7、的本構(gòu)建模方案自適應(yīng)選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)了Kriging、徑向基函數(shù)、多項(xiàng)式響應(yīng)面及BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等四類元模型方法中建模函數(shù)與相關(guān)參數(shù)等的高效選擇。在對(duì)上述四類模型的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化得到的Kriging建模方案具有最好的建模穩(wěn)定性。
　　(6)基于流變行為特征及相應(yīng)變形機(jī)制分析而構(gòu)建的SCt本構(gòu)模型與基于最佳元模型建模方案而構(gòu)建的Kriging模型均可實(shí)現(xiàn)對(duì)6013鋁合金多道次變溫?zé)釅嚎s變形流變行