一种高Mg铝合金热轧损伤的预测方法

本发明涉及热成型制造，具体涉及一种高mg铝合金热轧损伤的预测方法。

背景技术：

1、高mg铝合金的热塑性对温度敏感性高，传统热加工温度窗口上下限附近均存在塑性差、易开裂情况，其在热轧过程中，1/2板厚附近易受拉应力，进而导致轧制过程中或轧后损伤严重，表现为出现显著宏观开裂或密集型微裂纹，成品率低、成本高。

2、目前，人们常用有限元仿真软件对合金材料进行损伤分析，以便于对热轧工艺参数进行优化指导，但是现有商用有限元仿真软件仅能够基于传统损伤模型进行冷变形或温度/应变速率不敏感材料的成形损伤分析，但无法准确定性/定位预测高mg铝合金的损伤情况及损伤后满足焊合条件的焊合情况，难以对热轧工艺参数的制订及优化发挥指导作用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高mg铝合金热轧损伤的预测方法，解决现有商用有限元仿真软件无法准确定性/定位预测高mg铝合金的损伤情况及损伤后满足焊合条件的焊合情况，难以对高mg铝合金热轧工艺参数的制订及优化发挥指导作用的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：

3、一种高mg铝合金热轧损伤的预测方法，包括以下步骤：

4、s1、基于热物理试验和热模拟试验，获得高mg铝合金热物性参数和力学性能参数；

5、(1)通过热物理试验获得高mg铝合金在高温变形温度350～500℃之间的比热容及热膨胀系数；

6、(2)通过等温热模拟压缩试验获得变形温度范围为350～500℃，应变速率范围为0.001～10s-1的流动应力曲线，根据流动应力曲线，构建热塑性变形流动应力本构模型；

7、s2、构建高温损伤模型及焊合模型；

8、(1)构建损伤模型：通过热模拟拉伸试验，获得高温拉伸曲线，并开展高温拉伸试验有限元仿真；提取拉伸试样临近断裂处的应变值、最大主应力、等效应力、变形温度、应变速率，并求解损伤临界公式和损伤模型；

9、(2)构建焊合模型：提取热轧过程中的应力值、变形温度、应变速率，求解焊合模型；当承受压应力、变形温度和应变速率偏高时，因铝原子的固态扩散导致原有的微裂纹减小或消失；

10、s3、建立热轧耦合损伤及焊合的热轧仿真模型与仿真运算；

11、(1)建立坯料的有限元模型，有限元模型所包含的材料数据为步骤s1中所获得的比热容和热膨胀系数；

12、(2)开发deform软件的求解器，求解器所包含的数据为步骤s1、s2中所获得的本构模型、损伤模型和焊合模型；

13、(3)定义轧制条件，设置坯料与轧辊的相对空间条件，设置轧辊的轧制速率和温度，设置坯料温度；

14、(4)进行仿真运算，获得损伤值及焊合值；

15、s4、进行热轧工艺试验与损伤组织分析；

16、(1)取高mg铝合金方形铸锭试样，在可控高温二辊轧机上开展热轧工艺试验，试验参数与步骤s3中定义的参数相同；其中，试样尺寸可选但不限定为50×30×24mm。

17、(2)热轧后采用线切割方式取金相试样，依次采用#400～#3000号砂纸打磨，采用粒度为1.5μm以下的抛光膏在机械抛光机上抛光2-5min，采用keller试剂(hno3+hcl+hf水溶液)进行40-50s浸蚀，采用金相显微镜进行观察，并对微裂纹尺寸、数量进行标定；

18、(3)建立仿真损伤值、焊合值与微观组织微裂纹的对应关系。

19、进一步，所述热塑性变形流动应力本构模型的表达式如式(1)所示：

20、

21、式(1)中，

22、

23、式(1)中是应变速率；σ是真应力；a、n、α是与温度无关的材料常数；q是变形激活能；t是绝对温度；r为气体常数；ε为应变值。

24、进一步，所述损伤模型的表达式如式(2)所示：

25、

26、式(2)中，σmax和分别为最大主应力和等效应力，ε为应变值，dcal为计算损伤值；z为zener-hollomon参数，其表达式如式(3)所示：

27、

28、将各条件求得的dcal值进行关于温度的线性拟合，得到损伤临界公式，其具体表达如式(4)所示：

29、dcri＝k+at    (4)；

30、式(4)中，k和a均为常数；t为绝对温度；dcri为开裂临界损伤值；

31、最终损伤值ddmg表达式如式(5)所示：

32、

33、进一步，所述焊合模型的表达式如式(6)所示：

34、

35、式(6)中j为焊合系数，t为变形时间，k0为材料常数，σm为最大主应力，为平均应力，为应变速率，r为气体常数，qd为纯铝的自扩散激活能142kj/mol，t为绝对温度。

36、本发明预测方法应用于高mg铝合金的高温轧制，可以先预测其损伤，设计实际优化热轧方案，减少试错成本。

37、所述高mg铝合金为铝镁合金，即5xxx系铝合金。5xxx系列合金：代表5052、5005、5083、5a06等系列。5xxx系列铝板属于较常用的合金铝板系列，主要添加元素为镁元素，含镁量在3-5％之间，又可以称为铝镁合金。主要特点为耐腐蚀、密度低，抗拉强度高，延伸率高，应用于飞机、汽车等领域，如飞机蒙皮、甲板零件等。

38、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

39、1、本发明创造性地提出了一种耦合温度、应变速率、应力、应变的新型损伤数学模型及损伤-焊合复合仿真模型，能够有效预测高mg铝合金热轧损伤及焊合分布，对指导高mg铝合金热轧工艺参数制订及优化具有重要支撑作用。

40、2、本发明通过多组试验(不同的温度、应变速率等)获得实验数据，整理数据得到本构模型、损伤模型和焊合模型。再使用专门适配deform软件的absoft pro fortran编译器，将优化后的本构模型编写至deform二次开发文件mtr.f，将本构模型、损伤模型以及焊合模型编写至deform二次开发文件upd.f，编译出包含上述模型的求解器def_sim_64.exe，并多次调试保证运行顺利。通过分析仿真模拟结果，研究轧制速度、压下量、轧制温度对板材损伤的影响规律，分析优化轧制成形工艺参数，减少了实际热轧的试错成本，能够更快的找到更为合理的热轧优化方案。

41、3、采用本发明预测方法，可以优化热轧工艺。例如，现在实际轧制温度是440℃，但是轧制的效果不好，热轧后出现了裂纹，那么就需要优化。如果直接改变温度，就需要用更高或更低的温度实际轧制，这样的试错成本会极大的增加，效果也不会很好。采用本发明的预测方法，改变温度、热轧速率等条件，进行仿真模拟，分析仿真结果的损伤值，就可以准确的找到合适的热轧条件，确定实际热轧工艺，再进行实际热轧工艺验证，再分析工艺验证结果，再在此基础上改变条件进行热轧仿真，再工艺验证，这样循环进行，就可以确定优化方案。实际上预测方法减小了优化的范围，不至于较大范围的试错，极大的降低了优化过程中的试错成本。