Конечно-элементное моделирование параметров горячего плакирования тонколистового проката из экспериментального сплава Al–2%Cu–2%Mn

Выполнен анализ температурных, скоростных и силовых параметров процесса горячего плакирования экспериментального сплава Al–2%Cu–2%Mn технически чистым алюминием марки 1050A, а также напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации при относительной деформации 30, 40 и 50 %. В интервалах температур 350–450 °C, скоростей деформации 0,1–20 с^–1 и истинной деформации 0,1–0,9, проведены пластометрические испытания и определены коэффициенты для расчета сопротивления деформации экспериментального сплава. Расчетно-теоретически определена теплопроводность сплава Al–2%Cu–2%Mn для условий горячего деформирования при температурах 350, 400 и 450 °C, которая составила 161, 159 и 151 Вт/(м·К) соответственно. Изучение особенностей процесса плакирования на двухвалковом стане выполнено в комплексе конечно-элементного моделирования QForm. Установлено, что при контакте металла плакирующего слоя с валком происходит его охлаждение на ~100 °C, а выравнивание температуры по высоте композита – в течение 20–30 мс после его выхода из очага деформации. Усилие прокатки равномерно распределено между двумя валками во всех рассматриваемых случаях, а момент прокатки на валке со стороны плакирующего слоя в 2 раза ниже, чем на контактирующем с основным, что характерно для асимметричной прокатки. Определены точки, характеризуемые оптимальными условиями соединения слоев проката, расположенные на расстоянии 10 % и 70 % по длине очага деформации вдоль оси прокатки, в которых нормальные напряжения существенно превалируют над касательными. Установлено, что возникновение данных областей обусловлено характером пластического течения, в том числе наличием зоны отсутствия деформации твердого слоя и зоны прилипания.

1. Захаров А.М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие. М.: Металлургия, 1980. 255 с.

2. Belov N.A., Alabin A.N., Matveeva I.A. Optimization of phase composition of Al—Cu—Mn—Zr—Sc alloys for rolled products without requirement for solution treatment and quenching. Journal of Alloys and Compounds. 2014;583:206—213. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.08.202

3. Belov N.A., Akopyan T.K., Shurkin P.K., Korotkova N.O. Comparative analysis of structure evolution and thermal stability of сommercial AA2219 and model Al—2 wt.%Mn—2 wt.%Cu cold rolled alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2021;864:158823. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.158823

4. Ghali E. Corrosion resistance of aluminum and magnesium alloys: Understanding, performance, and testing. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2010. 752 p.

5. Зарапин Ю.Л., Чиченев H.A., Чернилевская Н.Г. Производство композиционных материалов обработкой давлением. Последние достижения. М.: Металлургия, 1991. 351 c.

6. Зиновьев А.В., Колпашников А.И., Полухин П.И., Глебов Ю.П., Пирязев Д.И., Горохов В.С., Галкин А.М. Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1992. 512 с.

7. Khan H.A., Asim K., Akram F., Hameed A., Khan A., Mansoor B. Roll bonding processes: State-of-the-Art and future perspectives. Metals. 2021;11:1344. https://doi.org/10.3390/met11091344

8. Li Z., Rezaei S., Wang T., Han J., Shu X., Pater Z., Huang Q. Recent advances and trends in roll bonding process and bonding model: A review. Chinese Journal of Aeronautics. 2023;36(4):36—74. https://doi.org/10.1016/j.cja.2022.07.004

9. Кобелев А.Г., Лысак В.И., Чернышев В.Н., Кузнецов Е.В. Материаловедение и технология композиционных материалов: Учебник для вузов. М.: Интермет Инжениринг, 2006. 368 с.

10. Shatalov R.L., Kulikov M.A. Influence of outer parts of a strip on the deformation and force parameters of thinsheet rolling. Metallurgist. 2020;64:687—698. https://doi.org/10.1007/s11015-020-01045-1

11. Shatalov R.L., Maksimov E.A. Development and application of the theory of rigid ends in thin-sheet rolling. Metallurgist. 2021;64:1035—1042. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01084-2

12. Rao K.P., Doraivelu S.M., Gopinathan V. Flow curves and deformation of materials at different temperatures and strain rates. Journal of Mechanical Working Technology. 1982;6(1):63—88. https://doi.org/10.1016/0378-3804(82)90020-1

13. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

14. Aksöz S., Ocak Y., Maraşlı N., Çadirli E., Kaya H., Böyük U. Dependency of the thermal and electrical conductivity on the temperature and composition of Cu in the Al based Al—Cu alloys. Experimental Thermal and Fluid Science. 2010;34(8):1507—1516. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2010.07.015

15. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник. М.: Металлургия, 1989. 384 с.

16. QForm. Version 10.3. Windows. Мoscow: LLC “Kvantoform”, 2023. QForm. Версия 10.3. Windows. М.: ООО «Кванторформ», 2023.

17. Власов А.В., Стебунов С.А., Евсюков С.А., Биба Н.В., Шитиков А.А. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 383 с.

18. Qin Q., Zhang D., Zang Y., Guan B. A simulation study on the multi-pass rolling bond of 316L/Q345R stainless clad plate. Advances in Mechanical Engineering. 2015;7(7). https://doi.org/10.1177/1687814015594313

19. He Z., Chu Z., Shuang Y., Gou Y. The Bonding mechanism and experimental verification of pilger hot rolling clad tube. Advances in Materials Science and Engineering. 2020;2020:2689370. https://doi.org/10.1155/2020/2689370

20. Колпашников А.И. Прокатка листов из легких сплавов. М.: Металлургия, 1970. 232 с.

21. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки: Учебник для студентов машиностроительных и металлургических вузов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

22. Полухин П.И., Зиновьев А.В., Полухин В.П., Буров А.В., Шевелкин С.Д. Повышение качества полос из цветных металлов и сплавов. Алма-Ата: Наука, 1982. 288 с.

23. Ковалев С.И., Корягин Н.И., Ширков И.В. Напряжения и деформации при плоской прокатке. М.: Металлургия, 1982. 256 с.

24. Kebriaei R., Vladimirov I.N., Reese S. Joining of the alloys AA1050 and AA5754 — Experimental characterization and multiscale modeling based on a cohesive zone element technique. Journal of Materials Processing Technology. 2014;214(10):2146—2155. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.03.014

25. Bambach M., Pietryga M., Mikloweit A., Hirt G. A finite element framework for the evolution of bond strength in joining-by-forming processes. Journal of Materials Processing Technology. 2014;214(10):2156—2168. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.03.015

26. Frolov Y., Nosko M., Samsonenko A., Bobukh O., Remez O. Roll bonding of Al-based composite reinforced with C10 steel expanded mesh inlay. Metals. 2021;11:1044. https://doi.org/10.3390/met11071044

27. Frolov Y., Bobukh O., Samsonenko A., Nürnberger F. Patterning of surfaces for subsequent roll bonding in a low-oxygen environment using deformable mesh inlays. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023;7:158. https://doi.org/10.3390/jmmp7050158

28. Салихянов Д.Р. Исследование напряженно-деформированного состояния на границе между материалами при прокатке слоистого композита. Черные металлы. 2023;9:34—39. https://doi.org/10.17580/chm.2023.09.06

29. Salikhyanov D., Michurov N. Joining of dissimilar aluminum alloys AA5154 and AA2024 by cold roll bonding. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2023;129:255—277. https://doi.org/10.1007/s00170-023-12292-2