AZ31鎂合金ECAP擠壓過程塑性變形與組織演變規(guī)律的研究.pdf

1、鎂及鎂合金是迄今在工程應用中最輕的金屬結構材料，在航空航天、交通運輸以及3C產(chǎn)品制造領域具有廣闊的應用前景，但密排六方的品格結構決定了其塑性變形能力差，因此提高鎂合金塑性變形能力已成為鎂合金研究的熱點之一。細化晶粒是提高材料性能的有效手段，當材料的微觀結構達到納米量級時，便有可能使該材料的強度和塑性同時增加。等通道轉(zhuǎn)角擠壓(EqualChannelAngularPressing,ECAP)是一種有效制備超細晶乃至納米晶結構材料的大塑性交

2、形方法，已廣泛應用于各種塊狀金屬超細晶材料的制備。采用該工藝細化鎂合金晶粒的效果同變形過程中應力、應變、溫度等場量的大小及分布密切相關，而這些場量分布又取決于ECAP模具結構及變形工藝參數(shù)設置，因此全面研究不同參數(shù)對擠壓過程的影響規(guī)律對于采用ECAP方法制備鎂合金超細晶材料具有重要意義。
　　 本文采用數(shù)值模擬與實驗分析相結合的方法對鎂合金的ECAP變形工藝進行研究，首先采用塑性成形有限元軟件DEFORM-3D對不同條件下的EC

3、AP工藝進行數(shù)值模擬，分析模具幾何形狀，變形工藝參數(shù)對擠壓過程的影響規(guī)律，研究鎂合金ECAP擠壓過程的變形機理，優(yōu)化變形工藝參數(shù)。采用空間轉(zhuǎn)換法實現(xiàn)了ECAP工藝多道次擠壓有限元分析中的數(shù)據(jù)繼承，得到了不同變形路徑下的應變累積規(guī)律。在分析數(shù)值模擬結果的基礎上，設計了鎂合金ECAP擠壓實驗模具并確定了擠壓工藝方案，實現(xiàn)了AZ31鎂合金的多道次擠壓變形，并采用室溫拉伸實驗、微觀硬度測試、金相光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射等分析手段，

4、獲得了不同變形條件下鎂合金ECAP擠壓件微觀組織、變形織構以及宏觀力學性能的演化規(guī)律。
　　 工件變形均勻性一直是等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程中影響材料性能的主要原因之一，模具結構是影響試樣變形均勻的重要因素。本文通過對不同模具外角ψ，內(nèi)角半徑r值以及背壓條件下ECAP變形過程的有限元模擬，研究獲得了不同模具結構AZ31鎂合金ECAP變形時的等效應變分布。結果表明當模具外角ψ等于20°，內(nèi)角半徑r為2mm時工件可以獲得均勻變形。微觀組織觀

5、察以及硬度測試表明，AZ31鎂合金經(jīng)過一道次ECAP擠壓后，微觀組織顯著細化，力學性能明顯改善，但是平均晶粒尺寸及微觀維氏硬度在工件橫截面上分布不均勻，且實驗所得變化趨勢與有限元分析所得等效應變分布的變化趨勢基本一致，等效應變分布的不均勻性是導致材料微觀組織和力學性能不均勻的主要因素之一。
　　 變形溫度是影響鎂合金變形行為的重要因素。本文通過建立鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程的熱力耦合有限元分析模型，對不同擠壓速度及摩擦條件下ECA

6、P變形過程中的溫度場及應變場分布進行了分析，獲取了變形工藝條件對鎂合金變形行為的影響規(guī)律。研究結果表明，等通道擠壓過程中試件溫度分布不均勻，在模具轉(zhuǎn)角剪切部位溫度顯著升高，且存在明顯的溫度梯度。XRD分析和微觀組織觀察顯示，AZ31鎂合金變形后錐面衍射強度顯著增強，并且鎂合金的再結晶速度隨著變形溫度的升高而顯著加快。結合變形過程中溫度場的分布狀況，建議AZ31鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓的合理變形溫度為250℃。
　　 變形路徑對多道次

7、ECAP載荷及平均等效應變影響較小，但對變形后的應變分布有一定影響。工件經(jīng)過不同路線ECAP變形后橫截面上等效應變分布相似，縱截面存在較大差異，不同路徑工件縱截面上的等效應變分布基本繼承了首道次ECAP變形特點，而橫截面上的等效應變分布隨變形路徑及變形道次的不同而不同。在經(jīng)過四道次ECAP工藝處理后，A路徑（相鄰道次工件相對位置不變）和Ba路徑（相鄰道次工件沿軸向交替旋轉(zhuǎn)90°）擠壓工件的主變形區(qū)內(nèi)存在較為明顯的梯度，而Bc路徑（相鄰道

8、次工件沿軸向依次旋轉(zhuǎn)90°）和C路徑(鄰道次工件沿軸向依次旋轉(zhuǎn)180°)處理的工件可以獲得良好的等效應變分布。從工件主變形區(qū)橫截面上不均勻變形系數(shù)來看，Bc路徑擠壓所獲得的應變累積最為均勻。
　　 經(jīng)過不同路徑四道次ECAP工藝處理后，AZ31鎂合金的室溫抗拉強度、伸長率較原工件均有明顯的提高，采用A路徑和Ba路徑擠壓時，可以獲得較高的抗拉強度，而采用Bc路徑和C路徑時工件的延伸率較高。SEM斷口觀察顯示ECAP擠壓使合金拉伸斷