1.2 铝及铝合金铸轧成形与裂纹扩展研究发展状况

1.2.1 铝及铝合金铸轧成形研究发展状况

双辊铸轧方法是1846年由英国人Henry Bessmer首先设想出来的，他提出了从两旋转辊上方倾倒金属液，从两旋转辊下方得到金属铸坯的方法，由于当时缺乏相应的技术（如结构材料和过程控制仪表等）支持，这种设想未能获得成功。

20世纪50年代美国Hunter-Douglas公司首先研制出倾斜式双辊铝带材铸轧机并投入生产运行，随后，法国Pechiney公司研制的3C水平式双辊铸轧机也获得成功，从此以后，铝带坯双辊连续铸轧技术和设备得到了迅速的发展。20世纪70年代以前，铸轧机多为标准型，铸轧辊直径为φ600～φ700mm，铸轧带坯厚度为7mm左右，铸轧速度小于1.5m/min。20世纪80年代以后出现了超型铸轧机，铸轧辊直径可达φ1000mm，铸轧带坯厚度为5～12mm，铸轧速度为3m/min左右，铸轧金属已由纯铝扩大到3000系列、5000系列软铝合金。20世纪90年代初出现了改进型超型铸轧机，铸轧带坯厚度为3mm，铸轧速度为5m/min。由于铸轧带坯尺寸薄和铸轧速度快能进一步发挥快速凝固的特点，使铸轧带坯的晶粒细化，从而获得更好的冶金质量，也可使这一生产方式为人类带来更大的效益。从20世纪90年代以来，国际上一些公司开展了快速超薄铸轧技术的研究，主要有意大利Fata-Hunter公司、法国Pechiney公司、英国Davy公司以及挪威Hydro公司。它们共同的做法是先研究开发中心与大学合作进行小型试验，在取得一定成果和经验后，进行中试和大型工业试验。英国Davy公司和牛津大学合作，于1991年推出了第一台快速超薄铝带坯铸轧试验机。1996年以来，意大利Fata-Hunter公司、英国Davy公司以及法国Pechiney公司都相继研制出快速超薄铸轧工业样机，能铸轧出1mm厚的铸坯，铸轧速度达15m/min，应该说，这是铸轧技术发展中的又一次飞跃。但是由于各国（美国、英国、法国、意大利、挪威）对快速超薄铸轧技术的研究均处于工业试验阶段，试验条件（如设备参数和功能、工艺环境条件等）各不相同，所得结果也有差别，甚至相反。例如：Fata-Hunter公司的试验与Hydro公司的试验，对快速超薄铸轧的组织与性能的认识与结果几乎完全相反；在快速超薄铸轧的铸轧机型选择上也存在不同的主张，如Fata-Hunter公司采用二辊铸轧机型，Davy公司则采用四辊铸轧机型，同时各试验铸轧机的工艺环境条件、设备参数和工艺参数及其范围的确定也不一致（力能参数，辊径，有、无外部冷却，铸轧区长度、大小，铸嘴开口度大小等）。在主要技术规律上尚未达成共识。

我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于20世纪60年代。1964年初进行了双辊下注式铝带坯连续铸轧模拟试验，并于同年铸轧出厚8mm，宽250mm和400mm的铝带坯，1965年铸轧出宽700mm的铝带坯。1971年由东北轻合金加工厂研制成我国第一台800mm水平下注式双辊铸轧机。1975年，用铝带坯生产的冷轧板基本上满足了一般深冲制品和箔材毛料的性能要求。1979年由华北铝加工厂研制成φ650mm×1300mm我国第一台亨特式倾斜铸轧机，并于1981年和1983年相继研制成φ650mm×1600mm和φ980mm×1600mm铸轧机，并通过部级鉴定，标志着我国铸轧技术进入成熟阶段。1984年中日涿神有色金属加工专用设备有限公司成立，并于1993年该公司为其母公司华北铝业有限公司试制成功我国第一台仿3Cφ960mm×1550mm超型铸轧机。至此国产铸轧机已具有标准型和超型这两种机型，而且铸轧机逐步实现标准化、系列化。

随着我国微电子、信息、机械、食品、包装、建筑产业的迅猛发展，我国已成为铝材生产及消费大国，如何提高铝材生产率、降低生产成本、提高铝材质量、扩大铝材使用范围已成为迫在眉睫的问题。而快速超薄铸轧的冷却速度远高于现有常规铸轧，铸坯结晶组织的晶粒度和枝晶间距明显减小，溶质元素在固溶体中的过饱和度增大，因此板带的深冲性能和力学性能得到了改善，可生产出具有优良冶金组织和表面质量的优质板带；同时，可铸轧合金范围也可拓展（如3000系列等铝合金），可使铸轧产品的应用市场范围扩大。例如：高精度PS 版基、计算机硬盘的铝质基板、高层建筑幕墙板以及空调箔等。另外，铸轧板厚度减薄后，不仅大大减轻了对后面工序——冷轧的压力，解放了冷轧机的生产力，大大节省了铝箔生产的投资和能源，而且提高了生产率，增加了产品的市场竞争力。中南大学于2000年7月在试验铸轧机上成功地铸轧出铸轧速度为13.2m/min、厚度为2mm的铸坯，华北铝业有限公司也在工业铸轧机上成功铸轧出铸轧速度为5.8m/min、厚度为3.2mm的铸坯，这标志着我国在快速超薄铸轧技术领域已经达到世界先进水平。

为了进一步探明铸轧过程熔体流动和凝固传热规律，掌握铸轧工艺参数的合理匹配，实现稳定的工业生产，除了继续进行试验研究以外，结合数值模拟是一种有效的方法。由于铸轧过程熔体不容易检测，发展数值模拟方法是研究铸轧成形的有效途径，国内外学者做了一些研究。Ozawa等研究建立了铝双辊铸轧过程的一维瞬态模型，用有限差分方法求解轧辊及带坯的温度分布，计算了不同铸轧工艺参数条件下液相区、两相区和变形区的大小。Miyasawa等第一个建立了铝垂直双辊铸轧在固相和液相区的传热和流体流动计算数学模型，他们运用流体动力学润滑理论来预测在轧辊间隙(辊缝)内的速度场，同时他们也预测了其温度场，通过差分方案来求解热平衡方程。M Yun等开发了铸轧过程流场和温度场的二维仿真系统，并用该系统分析了铝合金快速铸轧过程中弥散偏析产生的工艺条件。史荣等对铝带坯连续铸轧凝固过程进行了数值模拟研究。李晓谦等进行了快速铸轧中的接触热导及带坯在铸轧区的温度分布的仿真分析，研究了快速铸轧辊套与铸坯之间具有强温变特性耦合关系的接触热阻的计算方法，分析了各工艺参数对液穴区长度及出口温度的影响。湛利华等应用刚黏塑性有限元法建立铝合金连续铸轧过程的变形模型，进行了双辊连续铸轧工艺中温度场和热应力场的数值计算。

1.2.2 铝合金裂纹扩展研究发展状况

在高强铝合金7×××系合金中，当在Al中加入Zn、Mg、Cu等元素时，可生成一系列新的化合物，如β相为Mg5Al8，T相为Al2Zn3Mg3，S相为CuMgAl2，η相为MgZn2，θ相为MgZn5，γ相为以Zn为基体的固溶体。它们都易固溶于Al中，且在Al中的固溶度都很高。虽然加入Zn和Mg元素之后，铝合金的强度得到了极大的提高，但是铝合金的伸长率和耐蚀性却随着Zn和Mg含量增加而降低。为了改善铝合金的综合性能及耐蚀性，可以在合金中添加Cu元素，合金的伸长率和耐蚀性得到了提高，同时也使合金的疲劳强度得到了很好的改善。另外，微量元素通过对合金在热加工变形过程中微观组织的影响，可较明显地影响到合金的综合性能。例如：微量的Cr、Mn、Zr等元素不仅可以大大提高合金的再结晶温度，而且这些微量元素的金属间化合物能有效地阻止晶粒长大。此外，铝合金在制备过程中不可避免会掺杂进一些有害的杂质，如Fe、Si等元素，这些杂质往往对铝合金成形件的综合性能有极大的损害。高强铝合金因其在拥有超高强度的同时，断裂韧性和抗应力腐蚀性能等综合性能优异，故它的出现给航天航空事业带来了飞速的发展。目前，7050铝合金厚板已大量应用于波音777客机以及F/A-18Hornet和F-22RaPtor军用飞机，成为飞机制造业通用的结构材料。

目前国内外在高强铝合金高温变形行为、显微组织和性能方面进行了较深入的研究，在高强铝合金裂纹缺陷的研究中疲劳裂纹研究多，变形裂纹研究少。在铝合金塑性变形裂纹的研究方面，高维林等建立了金属塑性变形中位错组态演化模型；Masumura等建立了裂纹位错排列干涉模型；刘世兴等的研究表明7055铝合金在垂直于纵向面上的断裂是延性穿晶断裂，平行于纵向面上的断裂主要是沿晶断裂；Fourmeau等通过试验和数值模拟研究了高强铝合金在不同应力状态下的各向异性失效模式；Liu等采用扩展有限元法模拟了高强铝合金在单方向拉伸载荷条件下晶界裂纹的扩展；李江等研究了7050 高强铝合金断裂韧性及其影响因素，降低各向异性和适度提高预制裂纹长度，可有效降低试样宏观开裂角。

在数值模拟研究方面，国内外有学者通过建立多尺度模型来进行仿真研究，Wei等建立了描述晶体材料的韧性断裂过程多尺度模型；Potirniche等利用修正嵌入原子法的分子动力学模拟，进行了材料长度尺度对单晶镍的破坏进程影响的分析，该研究提供了针对桥接材料从纳米尺寸到更大尺寸的长度尺度方面的研究手段；陈康华等建立了高强铝合金断裂韧性与双级微裂纹的非线性关系模型，通过模型解析,分析两种尺度微裂纹体积分数对高强铝合金断裂韧性的影响规律；Groh等建立了一个数值的、分层的多尺度模型的方法论，通过使用晶体塑性模型验证的多尺度桥梁方法论来预测在［4 2 1］晶向的单轴压缩载荷下的单晶铝变形的机械响应；Jordon等表征和模拟了锻造铝合金在两种不同的长尺度下，由材料的微观组织均质化引起的损伤诱发各向异性；陆怀宝等采用多尺度准连续介质法(QCM)模拟体心立方(bcc)金属钽Ⅱ型裂纹尖端位错的形核与发射过程，获得位错发射位置与应力强度因子关系曲线，研究全位错分解以及扩展位错形成机理；王绍青等在金属材料力学性质多尺度计算模拟方面取得了有意义的成果。这些研究证明，通过多尺度模型来进行仿真研究，对于认识裂纹产生条件、裂纹演化和影响因素是一种有效的研究方法。