宽幅镁合金板材轧制边部损伤区的基面织构及拉应力预控机制研究

Rolling is the only way for large-scale development and structural application of magnesium alloy sheets, however, rolling of wide magnesium alloy sheet has serious edge cracking behavior. Edge cracking behavior of commercial AZ31 magnesium alloy as the research object in this project, which have strong basal texture and tensile stress in edge cracking area during rolling. First, the three-dimensional rolling theory combine with multilayer strip element method strip element method will be applied to research the multiple stress fields distribution of thermal stress, structural stress and, the coupling of external load stress at whole plate width, and its influence law for edge cracking behavior, then construct the base model to predict the edge cracking, to reveal the edge cracking mechanism of magnesium alloy rolling process, to obtain the law of inhibitory effect to edge cracking through weaken edge basal texture and tensile stress. Next, pre-stretching twinning to weaken basal texture by using edging roller at low temperature, and research the produce conditions of tensile twins and the law of inhibitory effect for edge crack, also to establishing pre-stretching twinning model. At the same time, weaken tensile stress during rolling use hot state plate edges by using edging roller, and study the damage law of entire board width through precast crown pre and post, meanwhile, build edge precast crown model between pass. Finally, carry out industrial test, then use experimental data to validate and perfect numerical simulation and theoretical models. Particularly, provide theoretical basis for edge cracking control, process and equipment optimization of broad wide magnesium alloy strip rolling.

轧制是镁合金板材大规模开发和应用的必由之路，而宽幅镁合金板材轧制存在严重的边裂行为。项目将以AZ31镁合金板材轧制边裂行为为研究对象，针对轧制过程中边裂区域具有较强基面织构和拉应力的特性，研究其预控机制。首先，将用三维轧制理论结合多层条元法，研究温度应力、组织应力及外载荷作用应力耦合后在全板宽分布及对边部损伤的影响规律，揭示镁合金轧制边裂产生机理，构建边裂预判基础模型，获得弱化基面织构和拉应力对边裂的抑制效应规律；然后，采用低温立轧预制拉伸孪晶弱化基面织构的方法，研究拉伸孪晶产生条件极其对边裂抑制效应规律，建立拉伸孪晶预制模型；同时，采用热态边部立轧预制凸度弱化轧制过程中边部拉应力，研究预制凸度前后轧制过程中全板宽损伤值的变化规律，建立道次间边部凸度预制模型；最后开展工业测试实验，对数值模拟和理论模型进行验证和修正。为宽幅镁合金板材轧制边裂控制、工艺及设备优化提供理论依据。

镁合金显著的减重和减震效果、比强度高、易再生利用及丰富的资源优势等，被誉为“第三代金属结构材料”，在轨道交通、汽车以及3C 等领域应用需求逐年稳步扩大。目前，镁合金正由功能性应用转向结构性应用，而以轧制方式生产板材产品是镁合金大规模开发和结构性应用的重要标志，但镁合金板材轧制生产过程中存在严重的边裂现象。项目针对AZ31镁合金板材轧制边裂行为为研究对象，以轧制过程中边裂区域具有较强基面织构和拉应力的特性为切入点，研究其预控机制。本课题通过系统分析AZ31 镁合金板材轧制边裂主要影响因素在边裂过中的作用机制，构建边裂预判模型，将轧制条件、坯料性能以及设备参数与裂纹表征参数建立关系，从理论上揭示了镁合金轧制边裂产生机理，确定了弱化基面织构和拉应力对边裂的抑制效应。同时，采用立轧预制边部凸度，研究拉伸孪晶产生条件极其对基面织构弱化效应规律，建立拉伸孪晶预制模型，实现了提高边部塑性变形能力，达到抑制边裂的目的。研究预制凸度后轧制过程中全板宽损伤值的变化规律，获得了厚度10-80mm坯料轧制道次间边部凸度预制模型，通过对边部热态立轧预制凸度，调控轧制变形区全板宽金属纵向流动量差异，实现同步流动，弱化轧制过程中边部拉应力的作用。项目成果为宽幅AZ系列镁合金板材轧制边裂控制提供理论依据，使宽幅1500mm以上AZ31 镁合金板材轧制成材率在原来的基础上平均提高26%；同时为宽幅镁合金板材轧制工艺和设备开发提供技术原型、为规模化生产应用奠定理论基础。项目执行过程中已发表学术论文12篇，11篇SCI收录；申请发明专利15项，已授权6项（其中国际专利1项），目前仍有一些成果待发表。在学术交流与合作方面，参加国内外学术会议8 人次，并作大会报告1 次。在人才培养方面，培养硕士研究生4 名，协助培养博士生1 名。本项目顺利完成了预期的研究目标。