毕业设计（论文）-三辊行星轧制复合管的组织分析.doc

南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书(论文) 作作 者者: 学学 号：号： 0716120223 学院学院(系系):材料科学与工程 专专 业业:材料科学与工程 题题 目目: 三辊行星轧制复合管的组织分析 指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2011 年 6 月 教授 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 三辊行星轧机(Planet Schrage Walzwerk ，简称 PSW)是一种轧制变形量大， 轧制温度高的先进轧制机械，被应用于轧制半成品或成品圆棒无缝钢管生产等， 并应用到铜管材生产中，成功地轧制出完全再结晶的细晶铜管材。由于具有许多 独特的优点，自七十年代以来一直受到人们的关注，目前国内外有众多专家对其 展开研究。 本文介绍三辊行星轧机的结构、传动原理和轧制原理，并概括了国内外的研 究现状。对三辊行星轧制过程中停机取样获得的铜铝复合管（Aluminum clad copper tube ，简称 ACC）进行实验，观察复合管不同变形量下的金相组织，测 定复合管在不同变形量下的硬度值。通过比较分析可知，铜铝后复合管在大变形 轧制后，晶粒逐渐细化、均匀，硬度随着变形程度的增大而增加，但达到峰值后 会急剧下降，最终稳定下来，其值略大于轧前。 关键词：行星轧制；三辊行星轧机；微观组织；大变形 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 Title The Organization Analysis of Three Rollers Planets Rolling Multiple-unit tube Abstract Three roller mill (Planet Walzwerk Schrage, as PSW) is a advanced rolling machinery of large deformation rolling and high temperature rolling, Being applied to product rolling semi-finished products or round rods seamless steel tube production, and being application to product copper tube, it rolled out fine-grain copper tube of perfect recrystallization successfully, due to it has many unique advantages, it had been concerned since the 1970s, and now many experts at home and abroad are researching it. This paper not only introduced the three rollers planets mills structure, transmission principle and rolling principle but also summarized the research situation at home and abroad. Experiment the Aluminum clad copper tube (ACC) which was got from rolling stop sampling, observe the multiunit tubes metallographic organization under different deformation, determinate the multiunit tubes metallographic organization in different deformation. Through the comparison and analysis, we know rolled ACCs grain size refining and uniform gradually, hardness increases as deformation degree, but it would drop dramatically after the peck and settle eventually, its value is slightly bigger than rolling before. Keywords Planetary rolling; Three rollers planets rolling mill; Microstructure; Large deformation 目 录 1 绪论绪论 .1 1.1 三辊行星轧机的结构和传动原理1 1.2 三辊行星轧机的轧制原理2 1.3 三辊行星轧制工艺的特点2 1.3.1 三辊行星轧制工艺的优点有：.3 1.3.2 三辊行星轧制工艺的缺点有：.3 1.4 三辊行星轧制国内外研究进展4 1.5 课题主要研究内容 .5 2 实验材料与方法实验材料与方法.6 2.1 实验材料.6 2.2 实验路线.6 2.3 实验所用设备6 2.4 实验方法手段.7 2.4.1 实验材料的加工.7 2.4.2 光学金相组织观察.8 2.4.3 硬度测定10 3 3 实验结果与分析实验结果与分析.10 3.1 3003 铝合金的组织演变10 3.2 铜管坯的组织演变 .15 3.3 铝合金管坯的硬度值变化19 结结 论论 .21 致致 谢谢 .22 参参 考考 文文 献献23 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 23 页 1 绪论 三辊行星轧机(Planet Schraege Walzwerk，简称 PSW)，是一种轧制变形量大， 轧制温度高的先进轧制机械，被应用于轧制半成品或成品圆棒无缝钢管生产等，并 应用到铜管材生产中，成功地轧制出完全再结晶的细晶铜管材，是当今比较先进的 轧机，目前国内外有众多专家对其展开研究。 1.1 三辊行星轧机的结构和传动原理 三辊行星轧机(图 1)主要由固定机架、运动回转大盘和周向 120 度布置并装入大 盘中的三个轧辊、齿轮传动机构、中心润滑系统等组成。轧机由主、辅电机驱动运 转。主电机驱动小伞齿轮 G1 带动固定在大盘上的大伞齿轮 G2 而使大盘回转，由于 三个轧辊固定在大盘上，因此，三个轧辊随大盘绕中心轴的轴线公转辅助电机驱动 小伞齿轮 G3，G3 带动中心轴上的大伞齿轮 G4 使中心轴旋转，固定在中心轴上的太 阳轮 G5 与行星轮 G6 啮合，通过传动轴及齿轮 G7、G8 的啮合使轧辊绕自身轴线旋 转，因此，轧辊产生自转。由于轧辊既公转又自转，通过调整副电机的输入转速使 轧件仅作轴向移动而不转动1。 图 1 三辊行星轧机的结构1 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 23 页 1.2 三辊行星轧机的轧制原理 当三个轧辊分别围绕其轴线转动自转的同时, 又被一转架带着绕轧件的轴线即轧 制中心线转动公转, 形成一个锥形变形区, 由于每个轧辊的轴线与轧制中心线呈异面 直线, 所以锥形轧辊在转动时能产生推力, 使轧件在减径的同时, 沿轧制中心线方向 移动1。轧辊轴线与轧制线所成交角为倾斜角 (图 2)， 值大，轧辊受力大，压下 量大!轧制速度快；值小轧辊受力小，压下量小，轧制速度慢。一般 取值在 50 度 60 度之间。轧辊又相对与行星轮轴线偏转一偏转角 （图 3），因此，轧辊的斜面 在转动中形成一种推力，推动轧件在减径的同时通过孔型 =0 时无轧制能力，轧件 原地旋转；0 时轧件向前分力正比于, 值大，轧制力大，电机需更大的功率； 值小轧件向前分力小，轧辊每转一周向前移动距离小。 值在 015 度之间调整1。 图 2 倾斜角 图 3 偏转角 1.3 三辊行星轧制工艺的特点 管坯在旋轧过程中要经受一个由圆形、三角形、再归整到圆形的变形过程。坯 从咬入、减壁到辗轧抛出的全过程中要经受一个由圆形、三角形、再归整到圆形的 变形过程。管坯在轧辊入口区被咬入后, 首先径向受到压缩减径,使空心管坯的内表 面逐渐贴紧芯棒, 并初步形成一个接近三角形的断面形状, 为经过轧辊的集中变形段 聚集足够的轧制咬入力(图 4a) 。管坯接近并达到辊缝最小的轧辊集中变形区后, 受 到集中变形段强制性的减径减壁, 并出现最大的变形和三角形压扁(图 4b) 。随后进 入精整段后, 由于该轧辊精整段平行于芯棒, 此时管壁受到均匀辗轧, 轧辊逐渐离去 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 23 页 形变减少, 应力减少, 出现了从三角形到圆形的过渡(图 4c) 。在轧辊的出口锥定型 段, 孔喉逐渐放大, 铜管横向变形加剧, 三角形压扁逐渐消失,直到铜管被归圆抛出轧 辊(图 4d) , 此时仍然有很大的残余应力在里面发挥作用2。 图 4 旋轧过程中端面外形变化 1.3.1 三辊行星轧制工艺的优点有： （1） 三辊行星轧机轧制铜管坯时, 由于轧辊的倾斜角和偏转角的作用, 坯料的运动 形成了螺旋形运动轨迹。坯料与轧辊接触表面是一条狭长的接触带, 通过连续 的接触变形累积成整体的大变形2。虽然三辊行星轧制的过程中一道次的压 下量很大, 但这种局部变形量的累积却可使轧制力和轧制力矩很小, 从而使得 轧机的结构紧凑, 降低能耗。 （2） 由于三辊行星轧制变形量大，巨大的变形功会使工件在轧制过程中温度快速 上升。所以轧前铸锭不需要单独加热,即使为满足高质量工件特殊需要，也只 需加热到一个较低温度。高温的获得主要靠轧管时的摩擦功及变形能使铸锭 产生热量, 瞬间升至高温, 省掉了铸锭加热和加热炉, 避免了铸锭轧前加热表 面生成氧化皮, 从而既保证产品高质量, 又大大降低了能耗3。 （3） 三辊行星轧制还具有轧制温度高的特点，能够得到完整再结晶金属，因此， 可以通过促使金属发生动态再结晶的方式，有效改善金属内部组织，排除缺 陷，大大改良金属的机械性能4。 1.3.2 三辊行星轧制工艺的缺点有： （1） 应用范围比较窄。仅在钢、铜及白铜合金、铜铝复合管上应用成功。 （2） 效率低，即轧制速度低。理论上 1m/s，但考虑到后面的精度，实际操作中一 般 0.5m/s 左右，这取决于轧辊旋转速度及轧辊轧件摩擦状况。这一点因轧制 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 23 页 压下量大，道次减少而得到部分补偿。 （3） 轧件表面易产生螺旋纹，影响表面质量。 （4） 当轧制某些难变形、可轧制温度范围窄的特殊钢时，会发生轧件被前面精整 拉断，尾三角留在轧辊内，造成轧机卡死现象。原因是由于 PSW 轧机轧制时 变形后区表面存在后滑，当轧件继续咬入时，凹腔部分被压扁，摩擦力减小， 轧件出口速度降低，轧件尾部温度迅速降低，变形抗力迅速增大，从而造成 轧机咬死现象。避免的方法采用无头轧制、或尾部加工成一倒锥，避免形成 凹腔的尾三角，增大轧辊与轧件间的摩擦力。 1.4 三辊行星轧制国内外研究进展 三辊行星轧机(PSW)最初是由德国施罗曼-西马克公司于1974年研制成功，用于 轧制钢棒材，后应用到轧制无缝钢管材，对钢管生产工艺产生了根本性的变革。后 来，芬兰奥托昆普公司将该型轧机应用到铜管材生产的铸轧法中，成功地轧制出完 全再结晶的细晶铜管材，使“水平连铸-行星轧制”工艺成为现今典型的铜管铸轧生产 线5。 90年代初期，三辊行星轧制的理论研究集中于三辊行星轧管机的结构和运动特 点的分析，建立了轧制过程中轧辊的速度方程6；通过平面断面假设对三辊行星轧 制力能参数进行理论推导计算7；在理论分析三辊行星轧制力和轧制功率的基础上， 进行轧制实验研究轧出预期管材8等。 最近十多年来,对三辊行星轧制的研究依然是一个十分热门的课题：董顺德等对 轧机芯棒运动的控制及管坯宏观组织的变化进行了分析9；台湾的Chi-KangShih等 利用LS-DYNA3D建立起三辊行星轧制钢棒材数值模拟模型,对钢棒材变形过程中的 应力应变分布规律进行了分析10；Chi-KangShih等还利用塑性泥作为轧制实验原料 对三辊行星轧制棒材进行实验模拟并就轧件变形尺寸、螺旋纹的间距和偏转角度等 与模拟结果进行了对比分析11；杨志, 张士宏, 许沂等对于铜管坯三辊行星轧制的 有限元模型建立和咬入阶段变形情况进行一定的模拟分析12；张光亮，李冰等人对 轧机轧辊进行建模并参数化，还开发出软件应用来提高轧制过程的自动化13。 综上所述，针对三辊行星轧机的结构、传动和运动特点，轧制力与功率，工件 的运动控制和组织变化的数值模拟，工件应力应变分布特点等的研究，都有较多人 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 23 页 涉及。这些都是具有普遍适用性的基础研究，促进了该加工方法的推广及工艺改进， 还有相关软件开发，带来自动化程度的提高大大改善了工作环境。 接下来，在前人奠定的基础之上，三辊行星轧制的研究趋势转向日益细分的应 用端的研究。根据具体加工的材料和工件，研究轧制过程中其各种性能指标的变化， 以此来总结出最佳工艺，进一步拓宽三辊行星轧制的应用范围，发掘该加工手段的 优势。这方面的研究有杨志，张伟强，张士宏等对三辊行星轧制铜管的有限元数值 模拟14；刘东华等对三辊行星轧制过程中 ACR 紫铜管的组织和性能演变研究15 等。 以上关于三辊行星轧制的研究主要是以钢棒钢管或铜及铜合金管为研究对象， 很少涉及到复合管材的三辊行星轧制，因此很少有文献对三辊行星轧制后复合管的 组织性能有研究。江苏兴荣高新科技股份有限公司是首家原创性发明利用三辊行星 轧制生产冶金结合铜铝复合管（Aluminum clad copper tube ，简称 ACC） ，该复合管兼 收铜铝两种金属优点：a、大幅度节省铜资源，具有重大的战略意义，含铜量为 30%40%（重量比） ，由于铝的密度低，铜密度高，实际应用中，在同样断面和长 度下，用铜量约为现在的 1/6；b、热交换性能优良，ACC 内螺纹管比内螺纹铜管的 空调能效比提高 5%；c、有利于延长制冷产品的使用寿命，以空调为例，目前冷媒 载体管是铜管，散热片是铝翅片，在大气环境尤其是高湿度环境下，随着时间的推 移，在两种金属的接触部位都会发生电化学腐蚀，从而影响热交换效果，而采用铜 铝复合管做两器可有效提高制冷产品的使用寿命。该发明大大地推动了制冷行业的 发展。本课题从该公司获取样品，研究三辊行星轧制不同变形量下的铜铝复合管进 行光学显微组织分析并对各试样进行显微维氏硬度测试。 1.5 课题主要研究内容 通过对三辊行星轧机实施停机取样的方法获得复合管，对三辊行星轧制过程中不 同阶段金属管的组织进行表征； 对其轧制过程不同阶段进行力学性能测试，如显微硬度的测量，找出规律； 用组织解释力学性能变化的原因。 主要研究三辊行星轧制复合管的铝管坯和铜管坯的组织特征并对试样进行 显微维氏硬度测试。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 23 页 2 实验材料与方法 2.1 实验材料 实验用材料选用 TP2 紫铜和 3003 铝合金，其化学成分含量（wt.%）见表 1。其 中 3003 属 Al-Mn 系铝合金，耐蚀性能好，加工成型性能优良，并具有较好的低温性 能，但不能通过热处理强化，只能通过冷作硬化来提高其强度，适用于耐蚀性和受 力不大的零件。 表 1 合金化学成分(wt.%) 材料成分 TP2Cu+Ag 99.85 P 0.0050.013 Bi 0.002 Fe 0.05 Ni 0.01 Pb 0.005 Sn 0.001 S 0.005 O 0.001 杂质总和 0.15 3003 Al 96.8 Cu 0.05-0.2 Si 0.6 Fe 0.7 Mn 1.0-1.5 Zn 0.1 杂质总和 0.15 2.2 实验路线 根据实验研究目标初步制定了实验技术路线,如图 5 所示。本课题选取的样品是 三辊行星轧制过程中停机取样获得的铜铝复合管（Aluminum clad copper tube ，简称 ACC） ，由江苏兴荣高新科技股份有限公司提供，其内层为铜层，外层为铝层，中间 由铜层和铝层相互扩散形成冶金结合层。其中 TP2 铜管坯和 3003 牌号铝管坯在轧制 变形之前分别经过水平连铸加挤压退火和挤压退火处理。 对停机取样获得的铜铝复合管进行组织表征及力学性能分析，获得变形区组织 的变化规律及显微硬度演变规律，最终将组织转变与性能变化两者相联系起来进行 分析总结。 2.3 实验所用设备 本实验用到的主要设备有: 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 23 页 XR-SG50 三辊行星轧管机 Axiovert 40 MAT 卡尔蔡司金相显微镜 HVS-1000Z 自动转塔式显微维氏硬度计 其他机械加工、线切割等相关设备。 2.4 实验方法手段 2.4.1 实验材料的加工 3003铝合 金管显微 维氏硬度 演变 TP2 3003铝合金 组织与性能分析 TP2 水平连铸加挤压 退火 挤压退火 三辊行星轧制 复合 TP2管及 3003铝合 金管组织 演变分析 3003铝合金 图 5 实验路线示意图 图 6 所示为 XR-SG50 三辊行星轧管机。 铝管坯轧前初始尺寸为 4811mm， 管坯内表面经除油和钢丝刷打磨，使管坯内表面呈无氧化光亮状态，然后穿入外表 面除 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 23 页 图 6 XR-SG50 三辊行星轧管机 油打磨后的 262.0mm 的铜管坯，再导入 XR-SG50 三辊行星轧管机，轧辊旋转速 度 350r/min，推料小车速率 1m/min，轧辊偏转角 7，倾斜角 50，芯棒直径 22mm。变形区温度为 300，出口轧制速度为 9mmin。在以上轧制参数下轧制铜铝 复合管，然后停机取样获得要研究的复合管。 2.4.2 光学金相组织观察 为了研究三辊行星轧制过程的不同阶段铜铝管坯的组织演变，通过停机取样的方 法获取了相应的样品，即当轧制铜管坯的过程中突然停机后从入口方向取出样品， 该样品能够保留完整的轧制过程中铜铝复合管宏观及微观组织形态。如图7为停机取 样获得的铜铝复合管，光学组织观察是对复合管的横截面进行的。试样的选取方法 如下：首先平行于轴线用线切割的方法获得一定厚度管坯条块，接着沿管坯18号 黑线位置的径向切割，然后对八个试样的横截面粗磨，抛光，腐蚀，观察它们的金 相组织。铜铝样品厚度及相对变形量列于表2。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 23 页 图7 铜铝复合管轴向截面外观 值得注意的是，由于本实验对象是复合管，当对其中一种材料腐蚀的时候难免会 受到另一种材料的影响，因此，我们先选择对铜管试样进行腐蚀，然后再对铝合金 试样进行腐蚀，即选择分开腐蚀的方法。对于样品铜管坯，经砂纸粗磨和机械抛光 后， 就可直接进行腐蚀。铜试样用腐蚀液（5 g 氯化高铁+ 25 mL盐酸+ 100 mL 蒸 馏水）侵蚀30秒,立即用清水冲洗，用酒精清洗并吹干后，用金相显微镜进行观察。 由于试样轧制变形程度不同腐蚀时间要相应改变，对于变形量大的铜管坯，腐蚀时 间要相应增加。 表 2 试样厚度（mm）及相对变形量（%） 样品号铝管坯的厚度铜管坯的厚度铝管相对变形量铜管相对变形量 1 1120.00 29222.60 371.9340.83.8 461.952.85.4 55.51.8757.47 64.51.567.426.6 740.7572.564 830.580.876.6 对于3003铝合金试样，经砂纸粗磨后，进行电解抛光，抛光液按酒精和高氯酸的 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 23 页 体积比9:1混合，试样抛光时间为20秒左右，试样接阳极，不锈钢板接阴极，电压为 22V，试样抛光面与不锈钢板正对距离为4cm5cm之间，抛光时，电流密度稳定在 0.6A/cm2。试样电解抛光后用水冲洗，吹干后阳极覆膜，覆膜液成分为200ml蒸馏 水+35ml硼氟酸水溶液，阳极接试样，阴极连接L型不锈钢板，电极电压为20V。覆 膜时，电流密度的大小对覆膜效果的影响很大，使其控制在0.1A/ cm2比较合适。覆 膜时间5分钟左右，试样覆膜后，使用偏光显微镜在偏振光下进行观察。 2.4.3 硬度测定 硬度测试采用 HVS-1000Z 自动转塔式显微维氏硬度计。测试方法如下：对于 铝合金管试样在靠近试样外边缘 1mm、中心区域及靠近铜侧区域分别取十个点，点 与点相隔 0.5mm，并对其取平均值即得各个区域显微维氏硬度数值。施加载荷： 100g，保载时间：10s。 3 实验结果与分析 3.1 3003 铝合金的组织演变 对于防锈铝合金采用传统的腐蚀方法难以腐蚀出完整晶界，而采用阳极复膜技 术，比较容易观察到晶粒形貌。经阳极复膜处理后的试样，在偏振光下观察，则可 看到不同的晶粒显现出不同的颜色。这是因为不同的晶粒，其位向不同，因此复膜 速度不一样，覆膜的厚度不均，在偏振光下，由于光的干涉结果显示出不同的颜色。 当晶粒取向相近或一致时，由于氧化速度相同，使氧化膜厚度均匀，在偏振光下进 行观察时，则晶粒会显现出相同的颜色。因此，根据晶粒的颜色大致可以判断各晶 粒之间的取向。本实验也是采用电解抛光加阳极覆膜的方法腐蚀组织的。但是由于 所用显微镜没有配备微分干涉衬度附件（DIC） ，因此所拍组织只呈现黑灰白几种颜 色。 图 8 为位置 1 处（即轧前）铝合金横截面不同放大倍数下的偏光显微组织。从 图上可以看出挤压退火后的组织为晶粒的方向是与水平方向成45，第二相 Al6Mn 粒 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 23 页 (a) （b） 图 8 位置 1 （轧前）处铝合金横截面不同放大倍数下的偏光显微组织 （其中（a）为低倍下， （b）为高倍下） 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 23 页 (a) （b） 图 9 位置 2 处铝合金横截面不同放大倍数下的偏光显微组织 （其中（a）为低倍下， （b）为高倍下） 子以及杂质相 Al6（FeMn）和 Al6（FeMnSi）均匀分布在晶粒内部。如图 9 所示，从 位置 2 的偏光显微组织可以看出随着轧制变形量的增大（22.6%） ，晶界开始变得模 糊，晶内出现大量变形带。 (a) （b） 图 10 位置 3 处铝合金横截面偏振光下金相显微组织 （其中（a）靠近轧辊一侧组织 （b）中心区域组织） 图 10 显示位置 3 处组织变形不均匀，在图 3（a）靠近轧辊一侧组织比图 3（b）中心区域组织细化明显，这是因为靠近轧辊一侧摩擦力比较大，变形也较大。 位置 4 也出现了类似的现象，如图 11 所示。位置 4 的组织总体上比位置 3 的要小。 随着变形量的增大，当到达位置 5 的时候可以从图 12（b）明显看出晶粒的方向变为 与水平方向成30伸长，这与轧前组织方向有很大差别，这主要受变形力方向的影 响。而图 12（a）显示组织已经变得很细小。表面晶粒更细且沿与水平方向成40 方向伸长。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 23 页 (a) （b） 图 11 位置 4 处铝合金横截面偏振光下金相显微组织 （其中（a）靠近轧辊一侧组织 （b）中心区域组织） (a) (b) 图 12 位置 5 处铝合金横截面偏振光下金相显微组织 （其中（a）靠近轧辊一侧组织 （b）中心区域组织） 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 23 页 随着变形量的增大，细晶区的范围往中心区域扩大，但晶粒伸长方向与水平方 向夹角变小, 组织趋于均匀化，如位置 6 金相图 13 所示。位置 7 处拉长晶粒内形成 大量的形变带，在变形带上产生了细小的动态再结晶晶粒，组织很均匀。位置 8 处 和位置 7 组织相似，产生细小再结晶，但都没有发生完全再结晶。 (a) （b） 图 13 位置 6 处铝合金横截面偏振光下金相显微组织 （其中（a）靠近轧辊一侧组织 （b）中心区域组织） (a) （b） 图 14 位置 7 处铝合金横截面偏振光下金相显微组织 （其中（a）靠近轧辊一侧组织 （b）中心区域组织） 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 23 页 图 15 位置 8 处铝合金横截面偏振光下金相显微组织 3.2 铜管坯的组织演变 图 16-21 分别为 16 号位置处的铜管坯横截面金相显微组织。从前五张图可以 看出位置 1 到位置 5 的组织形态变化不大，只是晶粒尺寸有所变化。位置 1 处（轧 前）和 2 位置处的晶粒大小相差不大，到了 3、4、5 位置处，晶粒尺寸逐渐变小， 而 5 和 6 位置处的晶粒大小比较接近。所以，整个轧制过程中，铜的晶粒尺寸总的 变化趋势是逐渐减小的。表 3 反映了铜管坯不同位置处的晶粒尺寸大小。晶粒尺寸 测试的方法如下： 通常会用晶粒直径来表示晶粒大小，但直径只有对球体才具有明确意义，对形 状不规则的晶粒，其含义不明确，而用“平均截距长度”L 来表示晶粒大小更为合 适。L 可在抛光平面上测得，对于填满空间的晶粒，平均截距长度:L=LT/PM 式中 M 一显微组织放大倍数； LT 一在显微组织照片上，任意通过的测试线总长度； P 一测试线与晶界交点数。当试样的组织单元由于压延的结果顺着一个方向发 生形变时，测试线应当与被拉长的晶粒方向放置成约 40o角。应用这种方法求晶粒的 大小只有在统计学意义上才成立，因此为保证测量数值的准确性，在画测试线的时 候应使所作的线段尽可能多地截割晶粒，以求其平均值。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 23 页 图 16 位置 1（轧前）处铜管坯横截面金相显微组织 图 17 位置 2 处铜管坯横截面金相显微组织 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 23 页 图 18 位置 3 处铜管坯横截面金相显微组织 图 19 位置 4 处铜管坯横截面金相显微组织 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 23 页 图 20 位置 5 处铜管坯横截面金相显微组织 图 21 位置 6 处铜管坯横截面金相显微组织 组织变化相对较小主要是因为铜的位置靠近芯棒，而较大的轧辊力作用在复合 管的外侧即铝侧。而随着变形量的增大，晶粒沿着变形的方向开始伸长，如图 21 所 示。对于位置 7 和位置 8 之所以没有能够得到相应数据，是因为铜铝复合在一起， 腐蚀铜的时候，受到铝的影响，很难将铜的金相组织腐蚀出来。为了加快实验进程 就转而腐蚀铝合金，结果对铝合金阳极覆膜的时候，由于铜铝形成微电池铜溶解消 失，使得铜管组织的进一步观察受阻。在后续对铜进行显微硬度的测试也中断，这 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 23 页 是本课题制定实验方案上的一个失误。 尽管位置 7 和 8 没有能够获得组织照片，但是从变形量以及别人的工作成果15可 以得出再结晶现象应该是能实现的。 表 3 铜管坯 16 号位置处金相显微组织晶粒尺寸（um） 试 样金相显微组织晶粒尺寸/um 123.49 223.03 320.65 418.52 516.08 615.26 3.3 铝合金管坯的硬度值变化 如前所述，本课题只对铝合金管的显微维氏硬度做了测试。如图 22 所示为不同 变形量下靠近外边缘区域、中心区域和内侧区域的维氏硬度变化曲线，其中置信度 为 95%。从该图可以看出显微硬度总体上的变化趋势是先急速增加随后缓慢增加到峰 值后快速下降并趋于某一数值，这是加工硬化和动态软化相互竞争的结果。 图 22 铝合金管坯显微维氏硬度与相对变形量的关系（置信度为 95%） 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 23 页 在塑性变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显 的变化，即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这 一现象即为加工硬化。另外，在热加工过程中,在材料内部同时进行着加工硬化与动 态回复、再结晶软化两个相反过程，可以在一定程度上相互抵消。图22的曲线很好 地反映了加工硬化和动态软化两者之间的相互影响相互竞争的关系。 对曲线的解读可以包括以下几个部分： 1、曲线总的变化趋势是硬度值增加，但不是处于规律均匀的增加，试样硬度 先随变形量快速增加，继而缓慢增加,当硬度达到最大峰值后急剧下降，最后稳定到 一个较小值，但仍比轧前大，因为变形使得再结晶晶粒内部产生位错缠结，所以轧 制后的铝合金管的硬度比轧前有所提高。由此可知，在硬度达到最大峰值之前，加 工硬化占主导地位，硬化作用大于软化作用；当应力达到极大值后，随着动态再结 晶的加快，软化作用开始大于硬化作用，于是曲线下降；当由变形造成的硬化与再 结晶所造成的软化达到平衡时，曲线进入稳定态阶段。 2、外边缘区域的硬度整体上比中心区域和内侧区域的硬度更大，这是因为靠近 轧辊区域摩擦力较大，变形大，加工硬化能力强。而中心区域与内测区域的硬度基 本相同。 值得注意的是，一般认为对于层错能较高的金属，位错易攀移交滑移，此类材 料热变形过程中的动态复原过程是动态回复16。所用3003铝合金之所以发生动态再 结晶可能是因为三辊行星轧制一道次的变形量达80%以上，能够提供很大的形变量。 同时本实验的加工工艺参数为再结晶的研究提供了数据积累。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 21 页 共 23 页 结结 论论 本实验主要研究铜铝复合管中铝合金轧前轧后及不同变形量下的组织演变和显 微维氏硬度变化，铜在不同变形量下的组织演变。得到以下结论： 1、铜铝复合管经三辊行星轧制加工变形后，复合管的铝合金第二相分布均匀， 晶粒细化均匀，样品的再结晶程度比较完全；复合管中的铜晶粒得到细化，再结晶 较完全，并能够产生众多孪晶。 2、3003 铝合金管轧制过程中，显微硬度开始慢慢增加，由于受加工硬化和动态 软化的共同影响，其数值并非一直增大，当硬度增大到峰值 133 后，因获得细小再 结晶组织而急剧降低，最后其值稳定在 51 左右。 3、3003 铝合金在不同变形量下，外边缘区域的硬度整体上比中心区域和内侧区 域更大，说明靠近轧辊区域摩擦力较大，变形大，加工硬化能力强。 4、 铜铝复合管经三辊行星轧制后，其力学性能及组织均得到优化和改善。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 22 页 共 23 页 致致 谢谢 本文是在王经涛老师和王亚丽学姐的悉心指导及帮助下积极完成的，通过本次研 究，从王经涛老师那里得到了丰富的理论知识，从王亚丽那里学到了实验的方法和 其他相关知识。近一个学期的相处中，王老师特别是王亚丽学姐教会了我很多知识， 同时我也从中学会了为人处事的道理，在此向王老师和王亚丽学姐表示衷心感谢。 感谢江苏兴荣高新科技股份有限公司为实验提供珍贵的样品和众多前沿资料，使 本课题能够在一个比较高的起点上进行研究。同时感谢学院能给我们提供良好的选 题机会和研究条件，谨向各位领导表示诚挚的敬意和谢忱。此外感谢实验室的所有 工作人员和老师，还有部分学长和同学，他们在我的实验研究中给了极大地帮助。 感谢南京理工大学材料科学与工程学院的所有老师传授给我知识。从课题的选择到 项目的最终完成，他们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨致以诚挚的 谢意和崇高的敬意。 最后感谢我的父母和亲戚朋友在生活、学习和工作上对我的关心，感谢所有关心 和支持我的人。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 23 页 共 23 页 参参 考考 文文 献献 1 张士宏, 王炳德, 朱士光, 李冰, 张海渠, 刘劲松. 一种新型三辊旋轧试验机的设 计. 装备报， 2007，01(15): 40-41. 2 岳峰丽, 刘劲松. 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