铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展

前言

第1章绪论1

1.1铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展研究意义1

1.2铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展研究发展状况1

1.2.1铝及铝合金铸轧成形研究发展状况1

1.2.2铝合金裂纹扩展研究发展状况4

1.3铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展数值方法及其研究发展状况5

1.3.1元胞自动机法5

1.3.2有限元法7

1.3.3有限差分法8

1.3.4分子动力学法9

1.4本章小结12

第2章基于元胞自动机的铝铸轧微观数值模拟13

2.1概述13

2.2微观组织数值模拟的元胞自动机模型14

2.2.1形核模型14

2.2.2生长模型15

2.2.3溶质扩散模型18

2.2.4元胞自动机法的捕获法则22

2.3基于元胞自动机的微观组织数值计算方法23

2.3.1晶粒生长的数值计算方法23

2.3.2微观组织形成的数值计算方法25

2.3.3边界条件的确定及相对运动的处理26

2.4程序方案设计27

2.4.1晶粒生长的程序方案设计27

2.4.2微观组织形成的程序方案设计28

2.5基于元胞自动机的微观组织数值模拟30

2.5.1基于元胞自动机的晶粒生长数值模拟31

2.5.2基于元胞自动机的微观组织形成数值模拟33

2.6本章小结36

第3章基于有限元的铝铸轧成形过程数值模拟38

3.1概述38

3.2铝铸轧成形过程数学模型及其求解38

3.2.1铸轧成形过程数学模型的建立38

3.2.2一些重要工艺参数的处理43

3.2.3边界条件的确定47

3.2.4数值计算47

3.3铝铸轧成形过程数值模拟分析48

3.3.1铸轧区流场、温度场、热应力场及热应变场48

3.3.2铸轧辊辊套温度场与热应力场49

3.4铝铸轧参数对铸轧过程的影响51

3.4.1铸轧参数对铸轧区流场的影响51

3.4.2铸轧参数对铸轧区温度场的影响53

3.4.3铸轧参数对铸轧区热应力场的影响56

3.4.4铸轧参数对铸轧区热应变场的影响58

3.4.5铸轧参数对铸轧辊温度场的影响60

3.4.6铸轧参数对铸轧辊热应力场的影响62

3.5本章小结65

第4章基于损伤力学的铸轧辊辊套疲劳寿命研究66

4.1概述66

4.2损伤力学理论 67

4.2.1含损伤材料本构关系 67

4.2.2损伤演化方程 68

4.2.3理论理想疲劳曲线 69

4.2.4损伤参数确定 70

4.3裂纹形成与扩展的损伤力学方法71

4.3.1疲劳损伤耦合理论 71

4.3.2损伤力学——有限元法 72

4.4辊套疲劳寿命预估74

4.4.1辊套的应力场分析74

4.4.2辊套疲劳寿命预测77

4.5本章小结79

第5章基于有限差分的铸轧过程铸嘴型腔流动数值模拟80

5.1概述80

5.2铸轧过程铸嘴型腔熔体数学模型及其求解80

5.2.1铸轧过程铸嘴型腔熔体数学模型80

5.2.2铸轧过程铸嘴型腔熔体求解89

5.3铸轧过程铸嘴型腔熔体流动与传热数值模拟90

5.3.1铸嘴型腔熔体流动与传热分析90

5.3.2铸轧参数对型腔流场出口速度、出口温度的影响94

5.4铸嘴布流调节过程型腔熔体流动与传热数值模拟102

5.4.1超薄供料型腔非定常流特点及其处理方法102

5.4.2超薄供料型腔非定常流数学模型103

5.4.3超薄供料型腔非定常流数值仿真分析104

5.5本章小结111

第6章铝铸轧试验研究112

6.1布流系统水模试验112

6.1.1试验的基本准则112

6.1.2试验方案及实施114

6.1.3试验结果与分析116

6.2铸轧过程试验及组织分析119

6.2.1试验方法119

6.2.2试验结果与分析120

6.3本章小结125

第7章基于分子动力学的铝及铝合金裂纹扩展数值模拟127

7.1概述127

7.2分子动力学的基本原理和模拟方法127

7.2.1分子动力学的基本原理127

7.2.2LAMMPS简介135

7.3铝裂纹扩展行为的分子动力学模拟136

7.3.1不含孔洞的铝裂纹扩展行为的分子动力学模拟136

7.3.2含孔洞的铝裂纹扩展行为的分子动力学模拟140

7.4铝合金拉伸变形的分子动力学模拟146

7.4.1Al2Cu拉伸的分子动力学模拟146

7.4.2含孔洞的Al2Cu拉伸的分子动力学模拟153

7.5本章小结159

第8章基于有限元的铝合金细观结构响应及裂纹扩展数值模拟161

8.1概述161

8.2基于均匀化方法的铝合金细观结构响应分析161

8.2.1铝合金细观结构的数学模型161

8.2.2铝合金缺陷细观结构有限元建模165

8.2.3结果与讨论166

8.3铝合金裂纹扩展数值模拟173

8.3.1模型的建立173

8.3.2铝合金裂纹扩展过程中裂纹前缘应力场的数值模拟174

8.3.3复杂载荷作用下裂纹扩展与分析177

8.4本章小结181

第9章铝合金高温塑性变形条件下的变形机制183

9.1概述183

9.27050铝合金热处理183

9.2.1试验材料与试验方案183

9.2.2试验结果与分析184

9.37050铝合金的热压缩试验188

9.3.1试验材料与方法188

9.3.2不同变形条件下7050铝合金真应力-真应变曲线189

9.3.3热变形参数对7050铝合金流变应力的影响及流变应力本构方程192

9.4高温塑性变形条件下7050铝合金微观组织的演化196

9.4.17050铝合金微观组织特征196

9.4.27050铝合金在不同变形程度下微观组织的演化规律197

9.4.37050铝合金在不同变形温度下微观组织的演化规律199

9.4.47050铝合金在不同应变速率下微观组织的演化规律200

9.5本章小结202

参考文献203

《铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展》一书系统地研究分析了铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展规律及其影响因素。本书主要内容包括绪论、基于元胞自动机的铝铸轧微观数值模拟、基于有限元的铝铸轧成形过程数值模拟、基于损伤力学的铸轧辊辊套疲劳寿命研究、基于有限差分的铸轧过程铸嘴型腔流动数值模拟、铝铸轧过程试验研究、基于分子动力学的铝及铝合金裂纹扩展数值模拟、基于有限元的铝合金细观结构响应及裂纹扩展数值模拟、铝合金高温塑性变形条件下的变形机制。本书内容对研究铝及铝合金的铸轧成形与裂纹扩展，从而获得高质量的铝及铝合金产品具有较强的指导作用。

《中华人民共和国有色金属行业标准:铝及铝合金铸轧带材(YS/T 90-2008)》由中国标准出版社出版。

铸件的基体被破坏或断开，形成细长的缝隙，呈现不规则线形，在外力作用下有发展的趋势，这种缺陷称为裂纹。在压铸件上，裂纹是不允许存在的。

造成裂纹的原因有：

1.铸件结构和形状

铸件上的厚壁与薄壁的相接处转变避剧烈

铸件上的转折圆角不够

铸件上能安置推杆的部位不够，造成推杆分布不均衡

铸件设计上考虑不周，收缩时产生应力而撕裂。

2.模具的成型零件的表面质量不好，装固不稳