AZ31鎂合金擠壓成形微觀組織演化的試驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、鎂合金具有質(zhì)輕、比強度、比剛度高以及容易回收等優(yōu)點，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，而在溫熱狀態(tài)下具有良好的塑性成形性能。鎂合金在塑性加工過程中，會由于滑移和孿晶使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動而形成強烈的織構(gòu)。同時鎂合金在熱變形過程中容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，使晶粒細化。試驗研究表明，鎂合金成形過程中的晶粒尺寸與織構(gòu)演化對其材料性能有著明顯影響。因此，研究成形過程中微觀組織的變化規(guī)律對預(yù)測鎂合

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

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)測奠定堅實的基礎(chǔ)。
　　 晶體塑性力學在織構(gòu)模擬中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，本文對不同模型和模擬方法進行對比，確定最適合于AZ31鎂合金的模擬方法。首先建立了滑移主導的率無關(guān)單晶體模型，通過模擬單晶體鋁板的沖壓驗證了其正確性?；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的多晶體模型。進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模型。通過模擬AZ

4、31鎂合金擠壓棒材在壓縮過程中的織構(gòu)分布，對不同的多晶體模型和模擬方法進行對比，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鎂合金高溫變形時的微觀組織演化，對鑄態(tài)AZ31鎂合金進行了不同變形條件(溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變)下的恒溫熱壓縮試驗。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。利用金相試驗觀察壓縮后樣品的金相組織，研究了應(yīng)變量對平均再結(jié)晶晶粒尺寸的影響；采用X射線衍射試驗進行宏觀織

5、構(gòu)的測定；采用電子背散射衍射試驗研究了變形織構(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)晶動力學方程，將該方程嵌入彈塑性自洽模型，提出了耦合動態(tài)再結(jié)晶動力學和晶體塑性力學的計算方法。通過擬合小應(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)。利用材料點模擬計算了熱壓縮過程的應(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，通過和試驗結(jié)果的對比驗證了方法的有效性。
　　

6、對鑄態(tài)AZ31鎂合金進行了不同變形條件(擠壓比、擠壓溫度和擠壓速度)下的棒材擠壓試驗，并且根據(jù)汽車零部件(頂蓋橫梁)的實際尺寸，進行型材擠壓試驗。利用金相試驗、X射線衍射試驗和電子背散射衍射試驗對擠壓后樣品的微觀組織和織構(gòu)分布進行觀測。同時通過室溫拉伸試驗研究擠壓對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度，提出考慮晶粒取向影響的屈服強度描述方法，將Hall-Petch公式應(yīng)用到每個晶粒上，采用電子背散射衍射的試

7、驗結(jié)果(每個晶粒的尺寸和取向)作為輸入，擬合結(jié)果和試驗結(jié)果較為一致。
　　 基于動態(tài)再結(jié)晶動力學和晶體塑性力學的耦合計算方法，考慮擠壓過程中溫度場變化的影響，對鎂合金擠壓過程進行宏微觀集成計算，預(yù)測了擠壓棒材和擠壓汽車零部件的織構(gòu)分布，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為相似?；诳紤]晶粒取向影響的屈服強度描述方法，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度，和試驗測量的擠壓型材的屈服強度較為接近。因此，基于集成計算材料工程對鎂合金