Cu/DT9/Cu叠层材料的轧制复合与数值模拟研究

论文摘要

随着科技的发展,层状复合材料在国防军工装备领域的应用越来越广泛,使得对层状复合材料的研究也日益深入。目前国内还尚没有铜铁层状复合材料的报道。本文选用无氧铜与纯铁制备叠层复合材料,首次采用实验和数值模拟相结合的手段对Cu/DT9/Cu热轧复合进行了研究,在层状复合材料的研究和应用领域有一定创新意义。首先对无氧铜TU1和纯铁DT9的高温力学性能进行检测,制定了铜铁复合的热轧工艺；并且分析了热轧退火后复合材料的性能以及厚度变化,分析了铜铁复合材料的复合机理；首次基于高性能计算平台,利用有限元软件ABAQUS对Cu/DT9/Cu的热轧复合过程进行了数值模拟,为复合材料的热轧工艺的优化提供了理论和实践依据。本研究取得主要结论有：1.制定了Cu/DT9/Cu热轧复合工艺,即轧制温度850℃,压下率≥50%；采用三组坯料厚度配比,经热轧试验获得了复合良好的Cu/DT9/Cu叠层复合材料,其界面结合强度达155MPa；退火后三组Cu/DT9/Cu复合材料的屈服强度约170MPa,抗拉强度约250MPa。2.热轧和冷轧过程中铜、铁层厚变化规律分析结果显示,铜层和铁层的变形率趋于一致；通过对最终复合材料的厚度测量,表明：原始厚度为1.5/2/1.5的Cu/DT9/Cu经过轧制后的复合材料,能满足最终产品厚比要求。3.界面分析结果表明,Cu/DT9/Cu热轧复合的机理为：热轧时铜和铁的表面层破裂,形成真实物理接触；在高温高压条件下,两接触表面原子被激活,形成金属键而实现牢固结合。4.首次基于高性能计算平台,利用ABAQUS有限元软件,实现了Cu/DT9/Cu热轧复合的数值模拟,获得了轧制过程的温度变化和应力、应变的分布。结果显示：热轧过程中最大平均轧制压力约为41.6MPa。通过数值模拟和实验数据的对比,两者热轧后的铜铁层厚比误差小于7%,可以为厚度变化提供有效预测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 金属层状复合材料介绍
• 1.2 金属层状复合材料的发展状况
• 1.3 金属层状复合材料复合方法和机理研究
• 1.3.1 复合方法
• 1.3.2 金属复合机理
• 1.4 有限元基本理论及ABAQUS软件介绍
• 1.4.1 有限元基本理论
• 1.4.2 ABAQUS介绍
• 1.5 有限元在金属轧制中的应用
• 1.6 无氧铜与DT9介绍
• 1.6.1 无氧铜
• 1.6.2 DT9介绍
• 1.7 本文研究背景、主要内容
• 1.7.1 研究背景
• 1.7.2 主要内容
• 第二章 实验方法与过程
• 2.1 原材料力学性能检测
• 2.1.1 退火处理
• 2.1.2 拉伸实验
• 2.2 热轧实验
• 2.2.1 热轧工艺的确定
• 2.2.2 实验流程
• 2.2.3 备料
• 2.2.4 表面预处理
• 2.2.5 轧制实验
• 2.2.6 后续冷轧实验
• 2.3 复合材料的检测
• 2.3.1 力学性能检测
• 2.3.2 金相实验
• 2.3.3 SEM实验
• 2.3.4 厚度变化测量
• 第三章 实验结果分析
• 3.1 原材料力学性能分析
• 3.1.1 无氧铜应力应变曲线
• 3.1.2 DT9纯铁应力应变曲线
• 3.2 复合材料界面结合强度分析与讨论
• 3.2.1 界面结合强度分析
• 3.2.2 界面结合强度影响因素分析
• 3.3 复合材料界面结合机理分析
• 3.3.1 金相组织观察
• 3.3.2 复合界面SEM观察
• 3.3.3 剪切拉伸剥离面形貌
• 3.4 复合材料强度分析
• 3.5 层厚变化规律分析
• 3.5.1 第一道次热轧层后厚变化
• 3.5.2 后续冷轧层厚变化
• 3.5.3 厚度变化的影响因素
• 3.6 复合材料几何精度分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 热轧数值模拟
• 4.1 高性能计算平台
• 4.2 热轧模拟
• 4.3 作业提交与计算
• 4.4 结果分析
• 4.4.1 温度场分析
• 4.4.2 应力场分析
• 4.4.3 应变场分析
• 4.4.4 轧制力及平均轧制压力分析
• 4.4.5 厚度变化
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要成果