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AZ31镁合金ECAP挤压过程塑性变形与组织演变规律的研究

任国成  
【摘要】:镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料,在航空航天、交通运输以及3C产品制造领域具有广阔的应用前景,但密排六方的晶格结构决定了其塑性变形能力差,因此提高镁合金塑性变形能力已成为镁合金研究的热点之一。细化晶粒是提高材料性能的有效手段,当材料的微观结构达到纳米量级时,便有可能使该材料的强度和塑性同时增加。等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)是一种有效制备超细晶乃至纳米晶结构材料的大塑性变形方法,已广泛应用于各种块状金属超细晶材料的制备。采用该工艺细化镁合金晶粒的效果同变形过程中应力、应变、温度等场量的大小及分布密切相关,而这些场量分布又取决于ECAP模具结构及变形工艺参数设置,因此全面研究不同参数对挤压过程的影响规律对于采用ECAP方法制备镁合金超细晶材料具有重要意义。 本文采用数值模拟与实验分析相结合的方法对镁合金的ECAP变形工艺进行研究,首先采用塑性成形有限元软件DEFORM-3D对不同条件下的ECAP工艺进行数值模拟,分析模具几何形状,变形工艺参数对挤压过程的影响规律,研究镁合金ECAP挤压过程的变形机理,优化变形工艺参数。采用空间转换法实现了ECAP工艺多道次挤压有限元分析中的数据继承,得到了不同变形路径下的应变累积规律。在分析数值模拟结果的基础上,设计了镁合金ECAP挤压实验模具并确定了挤压工艺方案,实现了AZ31镁合金的多道次挤压变形,并采用室温拉伸实验、微观硬度测试、金相光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射等分析手段,获得了不同变形条件下镁合金ECAP挤压件微观组织、变形织构以及宏观力学性能的演化规律。 工件变形均匀性一直是等通道转角挤压过程中影响材料性能的主要原因之一模具结构是影响试样变形均匀的重要因素。本文通过对不同模具外角Ψ,内角半径r值以及背压条件下ECAP变形过程的有限元模拟,研究获得了不同模具结构AZ31镁合金ECAP变形时的等效应变分布。结果表明当模具外角Ψ等于20°,内角半径r为2mm时工件可以获得均匀变形。微观组织观察以及硬度测试表明,AZ31镁合金经过一道次ECAP挤压后,微观组织显著细化,力学性能明显改善,但是平均晶粒尺寸及微观维氏硬度在工件横截面上分布不均匀,且实验所得变化趋势与有限元分析所得等效应变分布的变化趋势基本一致,等效应变分布的不均匀性是导致材料微观组织和力学性能不均匀的主要因素之一。 变形温度是影响镁合金变形行为的重要因索。本文通过建立镁合金等通道转角挤压过程的热力耦合有限元分析模型,对不同挤压速度及摩擦条件下ECAP变形过程中的温度场及应变场分布进行了分析,获取了变形工艺条件对镁合金变形行为的影响规律。研究结果表明,等通道挤压过程中试件温度分布不均匀,在模具转角剪切部位温度显著升高,且存在明显的温度梯度。XRD分析和微观组织观察显示,AZ31镁合金变形后锥面衍射强度显著增强,并且镁合金的再结晶速度随着变形温度的升高而显著加快。结合变形过程中温度场的分布状况,建议AZ31镁合金等通道转加挤压的合理变形温度为250℃。 变形路径对多道次ECAP载荷及平均等效应变影响较小,但对变形的应变分布有一定影响。工件经过不同路线ECAP变形后横截而上等效应变分布相似,纵截面存在较大差异,不同路径工件纵截面上的等效应变分布基本继承了首道次ECAP变形特点,而横截面上的等效应变分布随变形路径及变形道次的不同而不同。在经过四道次ECAP工艺处理后,A路径(相邻道次工件相对位置不变)和Ba路径(相邻道次工件沿轴向交错旋转90°)挤压工件的主变形区内存在较为明显的梯度,而Bc路径(相邻道次工件沿轴向依次旋转90°)和C路径(邻道次工件沿轴向依次旋转180°)处理的工件可以获得良好的等效应变分布。从工件主变形区横截面上不均匀变形系数来看,Bc路径挤压所获得的应变累积最为均匀。 经过不同路径四道次ECAP工艺处理后,AZ31镁合金的室温抗拉强度、伸长率较原工件均有明显的提高,采用A路径和Ba路径挤压时,可以获得较高的的抗拉强度,而采用Bc路径和C路径时工件的延伸率较高。SEM断口观察显示ECAP挤压使合金拉伸断口形貌山原始态的解理断裂特征转变为延性韧窝断裂特征。综合抗拉强度和延伸率两方面因素,发现采用Bc路径挤压可以获得较为理想的力学性能。有限元模拟及实验分析结果表明通过合适的变形条件可以获得细小而均匀的微观组织,当材料的应变累积均匀时,其力学性能也较好。


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