AZ31鎂合金擠壓成形微觀組織演化的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、鎂合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度、比剛度高以及容易回收等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空航天等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于鎂合金是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其室溫成形性能很不理想，而在溫?zé)釥顟B(tài)下具有良好的塑性成形性能。鎂合金在塑性加工過(guò)程中，會(huì)由于滑移和孿晶使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而形成強(qiáng)烈的織構(gòu)。同時(shí)鎂合金在熱變形過(guò)程中容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化。試驗(yàn)研究表明，鎂合金成形過(guò)程中的晶粒尺寸與織構(gòu)演化對(duì)其材料性能有著明顯影響。因此，研究成形過(guò)程中微觀組織的變化規(guī)律對(duì)預(yù)測(cè)鎂合

2、金產(chǎn)品性能具有重要的意義。
　　 集成計(jì)算材料工程集選材、設(shè)計(jì)、制造、優(yōu)化于一體，是材料學(xué)科一個(gè)新的研究方向。它將材料初始的微觀組織結(jié)構(gòu)信息作為計(jì)算機(jī)仿真的輸入，模擬宏觀制造過(guò)程及相應(yīng)的微觀組織演變，最終獲得不同度量尺度和加工過(guò)程里所有相關(guān)的材料信息，實(shí)現(xiàn)低成本下產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且能夠縮短新材料的研發(fā)時(shí)間。本文根據(jù)集成計(jì)算材料工程的研究方法對(duì)鎂合金擠壓過(guò)程的微觀組織演化進(jìn)行研究，采用試驗(yàn)和模擬兩種手段，系統(tǒng)學(xué)習(xí)了擠壓對(duì)平均晶

3、粒尺寸和織構(gòu)分布的影響，為今后鎂合金產(chǎn)品的性能預(yù)測(cè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 晶體塑性力學(xué)在織構(gòu)模擬中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，本文對(duì)不同模型和模擬方法進(jìn)行對(duì)比，確定最適合于AZ31鎂合金的模擬方法。首先建立了滑移主導(dǎo)的率無(wú)關(guān)單晶體模型，通過(guò)模擬單晶體鋁板的沖壓驗(yàn)證了其正確性?；谠搯尉w模型，分別根據(jù)泰勒模型和彈塑性自洽模型建立滑移主導(dǎo)的多晶體模型。進(jìn)一步考慮孿晶在織構(gòu)演化中的作用，建立了耦合滑移、孿晶的多晶體塑性力學(xué)模型。通過(guò)模擬AZ

4、31鎂合金擠壓棒材在壓縮過(guò)程中的織構(gòu)分布，對(duì)不同的多晶體模型和模擬方法進(jìn)行對(duì)比，該研究為后續(xù)的數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)。
　　 為了研究鑄態(tài)AZ31鎂合金高溫變形時(shí)的微觀組織演化，對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行了不同變形條件(溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變)下的恒溫?zé)釅嚎s試驗(yàn)。在相同變形條件下，鑄態(tài)棒材中間部位和邊緣部位的應(yīng)力應(yīng)變曲線比較接近。利用金相試驗(yàn)觀察壓縮后樣品的金相組織，研究了應(yīng)變量對(duì)平均再結(jié)晶晶粒尺寸的影響；采用X射線衍射試驗(yàn)進(jìn)行宏觀織

5、構(gòu)的測(cè)定；采用電子背散射衍射試驗(yàn)研究了變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)分布。
　　 采用修正的Avrami方程擬合得到鑄態(tài)AZ31鎂合金的高溫再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程，將該方程嵌入彈塑性自洽模型，提出了耦合動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和晶體塑性力學(xué)的計(jì)算方法。通過(guò)擬合小應(yīng)變下的應(yīng)力應(yīng)變曲線得到材料的初始臨界剪切力和硬化參數(shù)。利用材料點(diǎn)模擬計(jì)算了熱壓縮過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線、織構(gòu)分布和平均再結(jié)晶晶粒尺寸的變化，通過(guò)和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了方法的有效性。
　　

6、對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行了不同變形條件(擠壓比、擠壓溫度和擠壓速度)下的棒材擠壓試驗(yàn)，并且根據(jù)汽車零部件(頂蓋橫梁)的實(shí)際尺寸，進(jìn)行型材擠壓試驗(yàn)。利用金相試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn)和電子背散射衍射試驗(yàn)對(duì)擠壓后樣品的微觀組織和織構(gòu)分布進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)通過(guò)室溫拉伸試驗(yàn)研究擠壓對(duì)AZ31鎂合金材料性能的影響。為了能夠更好的描述擠壓棒材的屈服強(qiáng)度，提出考慮晶粒取向影響的屈服強(qiáng)度描述方法，將Hall-Petch公式應(yīng)用到每個(gè)晶粒上，采用電子背散射衍射的試

7、驗(yàn)結(jié)果(每個(gè)晶粒的尺寸和取向)作為輸入，擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為一致。
　　 基于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和晶體塑性力學(xué)的耦合計(jì)算方法，考慮擠壓過(guò)程中溫度場(chǎng)變化的影響，對(duì)鎂合金擠壓過(guò)程進(jìn)行宏微觀集成計(jì)算，預(yù)測(cè)了擠壓棒材和擠壓汽車零部件的織構(gòu)分布，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為相似?；诳紤]晶粒取向影響的屈服強(qiáng)度描述方法，以擠壓型材的模擬結(jié)果作為輸入，得到擠壓型材的屈服強(qiáng)度，和試驗(yàn)測(cè)量的擠壓型材的屈服強(qiáng)度較為接近。因此，基于集成計(jì)算材料工程對(duì)鎂合金