基于位错密度的冷轧AA1050铝合金本构模型构建与实验验证，以及其在锂离子电池应用中的技术经济评估

《Scientific Reports》：Dislocation density–based constitutive modeling and experimental validation of cold-rolled AA1050 aluminum with a techno-economic assessment for lithium-ion battery applications

　　

摘要

本文对AA1050铝材在冷轧过程中的微观结构演变进行了数值模拟与实验研究。首次采用了基于位错密度的本构模型来模拟商业纯铝材在冷轧过程中的微观结构变化。该模型通过VUMAT子程序在ABAQUS/Explicit环境中实现，从而将应变硬化行为与不同压下率下的位错密度变化及晶粒细化机制直接关联起来。研究模拟了10%、20%、30%、40%和80%的冷轧压下率，并分析了相应的位错密度、等效塑性应变、晶粒尺寸和应力分布情况。结果表明，随着压下率的增加，塑性变形加剧，尤其是表面和边缘区域晶粒细化更为明显，而在更高压下率时晶粒细化趋于均匀。位错密度最初迅速上升后趋于稳定，80%压下率时达到最高稳定值。通过对20%和40%压下率样本进行X射线衍射线形分析的实验验证显示，模拟结果与实验数据高度吻合，误差低于2%。经过校准的该模型为预测微观结构与厚度之间的关系提供了可靠依据，同时也是制定合理的冷轧工艺方案、获得理想微观结构及提升材料力学性能的有效工具。此外，从技术经济角度分析可知，相比传统加工的Al1060和Al3003，选用Al1050用于锂离子电池组件并通过数值方法优化冷轧工艺，可在10年内带来约220万至250万美元的净现值收益。