一种镁合金板材轧制边裂预判及控制方法

摘要

本发明涉及一种镁合金板材轧制边裂预判及控制方法，属于金属材料加工领域。首先针对特定牌号的镁合金，确定其在热轧条件下的临界断裂应变和体现该材料性能的Zener—Hollomon表达式，以及临界断裂应变与变形温度和应变速率间的基本模型，然后确定含有该材料变性激活能和基本轧制工艺参数的热轧边裂预判模型。据此对边裂做出预判，并进行工艺优化，实现边裂控制。该模型涵盖体现材料性能的变形激活能、轧制设备主要参数辊径、轧制工艺参数轧制速度、轧件轧前厚度、轧件轧后厚度、压下量等因素。本发明可有效对镁合金轧制边裂做出预判，并为工艺优化提供指导，继而实现减缓或控制边裂、提高成材率和材料性能、降低成本的目的。

权利要求

1.一种镁合金板材轧制边裂预判及控制方法，包括：针对AZ31B镁合金，确定其在热轧条件下的临界断裂应变和体现该材料性能的Zener—Hollomon表达式，以及临界断裂应变与变形温度和应变速率间的基本模型；确定含有该材料变性激活能和基本轧制工艺参数的AZ31B镁合金热轧边裂预判模型：

式中：C为材料的临界破坏值，也称之为损伤阈值，Cf为材料的临界断裂应变， 为材料断裂时的等效塑性应变，σ为等效应力，dε为等效应变增量，σ*为材料断裂时的最大拉应力，v为轧制速度，H为轧前轧件厚度，h为轧后轧件厚度，r为轧辊半径，T为轧件变形温度；

若C＞Cf，则必然发生了边裂，相反C＜Cf时，不应该有裂纹产生，据此对边裂做出预判，并指导工艺优化，实现边裂控制。

说明书

一种镁合金板材轧制边裂预判及控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种镁合金板材轧制边裂预判及控制方法。

背景技术

[0002] 镁合金是目前可工业化应用最轻的金属结构材料，其比重仅为钢的1/4；具有较低的弹性模量和较大的抗震系数以及优越的抗冲击性能，减震效果明显；热传导率高和不导磁性，因此具有较好的散热性能和屏蔽功能；与铝合金相比，镁合金具有较高的比强度和刚性，因而应用领域比铝合金更为广泛；生产过程能耗低且易回收，被誉为未来的绿色金属结构材料。

[0003] 镁合金板材广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车、3C产业及生活用品。然而其特殊的密排六方晶体结构、室温条件下塑性差、散热快等因素，使其断裂韧性较低，在轧制成型过程中极易出现边裂，极大的降低了镁合金板材的成材率，从而大幅增加了其生产成本，已成为阻碍镁合金板材产业快速发展面临的主要技术瓶颈之一。目前，镁合金板材主要采取挤压制坯加多道次小压下的轧制工艺生产，这种方式所生产的板宽有限且效率低下。采用铸锭进行热轧的工艺模式，由于边裂严重大多处于实验或试生产阶段。因此，能够根据设备及坯料性能参数对镁合金板材轧制边裂做出预判并实现控制，对优化镁合金轧制工艺、提高成材率和材料性能、促进镁合金板材产业化生产和应用具有重要的意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种能够根据设备及坯料性能参数对镁合金热轧边裂做出预判的方法，并指导工艺优化实现边裂控制，提高成材率和材料性能，降低成本。

[0005] 本发明包括：针对AZ31B镁合金，确定其在热轧条件下的临界断裂应变和体现该材料性能的Zener—Hollomon表达式，以及临界断裂应变与变形温度和应变速率间的基本模型，确定含有该材料变性激活能和基本轧制工艺参数的热轧边裂预判模型。据此对边裂做出预判，并指导工艺优化，实现边裂控制，具体发明过程如下：

[0006] 首先，针对AZ31B镁合金铸轧坯，确定其在热轧条件下的临界断裂应变和体现该材料性能的Zener—Hollomon表达式。通过Gleeble热模拟机，采用等压法，获得变形温度和应变速率分别在473-673K和0.005-5s-1条件下的临界断裂应变，记为Cf见表1；同时可得到该材料的Zener—Hollomon表达式 中的变形激活能Q＝1.32×105J/mol，该式中R为气体常数8.314J/(mol·K)、为应变速率、T为变形温度，从而可建立AZ31B镁合金热加工的临界断裂应变Cf与Z之间的关系如式(1)，以此来反映变形温度和应变速率对临界断裂应变的影响。

[0007] 表1 AZ31B镁合金不同条件下的临界破坏值

[0008] Tab 1Critical damage value of AZ31B magnesium alloy by different conditions

[0009]

[0010] Cf＝0.7103-0.0071lnZ  (1)

[0011] 其次，确定含有该材料变性激活能和基本轧制工艺参数的热轧边裂预判模型。根据镁合金轧制边裂产生的基本机理：在轧制过程中，当边部所受最大拉应力-应变达到材料的临界破坏值时，即产生断裂，与Cockcroft&Latham断裂准则的使用条件相符。因此，引入Cockcroft&Latham准则：

[0012]

[0013] 式中C为材料的临界破坏值，也称之为损伤阈值，受温度、变形速率等因素影响；由于Deform-3D有限元软件默认Cockcroft&Latham准则作为损伤参数计算准则，因此利用该有限元软件来模拟轧制过程，从而获得各对应条件下的临界破坏值C。将模拟得到的临界破坏值C与Cf比较，若C＞Cf，则必然发生了边裂，相反C＜Cf时，不应该有裂纹产生，以此来预判镁合金轧制过程中是否会产生边裂。因而，联立式(1)和(2)，即得到含有Z因子的AZ31B镁合金轧制边裂Cockcroft&Latham预判模型：

[0014]

[0015] 同时，基于轧制理论即有：

[0016]

[0017] 联立(3)式和(4)式即可确定含有变性激活能和基本轧制工艺参数的AZ31B镁合金热轧边裂预判模型：

[0018]

[0019] 式(5)中，C为材料的临界破坏值，也称之为损伤阈值； 为材料断裂时的等效塑性*应变；σ为等效应力；dε为等效应变增量；σ为材料断裂时的最大拉应力，v为轧制速度，H为轧前轧件厚度，h为轧后轧件厚度，r为轧辊半径，T为轧件变形温度。

[0020] 最后，工艺优化，实现边裂控制。通过式(5)就建立起基本轧制工艺参数：轧制温度、压下量、轧制速度、辊径等与轧制边裂之间的定性预判，因而可实现通过优化轧制工艺参数来改善镁合金轧制边裂的目的。

[0021] 本发明优点及积极效果：

[0022] 1.本发明可准确预测边裂是否发生，并可据此指导工艺参数优化，有效控制边裂，提高成材率和板材性能，从而大幅降低生产成本、提高生产效益。

[0023] 2.本发明过程以AZ31B镁合金为例进行，但该方法适用范围广泛，可应用于其他牌号的镁合金、钛合金、钼合金等难变形金属金材料轧制边裂的预判；

[0024] 3.本发明简便易行，安全可靠，特别适用于工业化生产工艺优化；

具体实施方式

[0025] 实施例1：

[0026] 坯料为AZ31B铸轧坯,厚度为6.8mm，宽度为500mm，轧辊直径为380mm，变形温度300℃、压下量30％、轧制速度为0.5m/s。通过有限元模拟得到此条件下轧制过程中轧件的最大损伤值C＝0.287，而由(1)式计算得到Cf＝0.3198，再由预判模型(5)式得知：C＜Cf，不应该有裂纹产生，即此轧制条件适宜镁合金AZ31B铸轧坯轧制。

[0027] 实施例2：

[0028] 坯料为AZ31B铸轧坯,厚度为6.8mm，宽度为500mm，轧辊直径为380mm，变形温度400℃、压下量60％、轧制速度为0.5m/s。通过有限元模拟得到此条件下轧制过程中轧件的最大损伤值C＝0.597，而由(1)式计算得到Cf＝0.4093，再由预判模型(5)式得知：C＞Cf，必有裂纹产生，需对工艺参数进行优化，根据式(5)在热轧条件范围内可提高变形温度，减小压下量等使C＜Cf即可。