（材料学专业论文）纯镁材旋锻制备的有限元模拟与实验研究.pdf

摘要 摘要 目前镁丝棒材主要通过铸造或挤压两种方法生产。但铸造镁材力学性能和表面 性能差，镁挤压生产效率低，急需开发新型镁丝棒材成形工艺由于其经济性及对 性能的明显改进潜力，旋锻成为一种及有应用前景的镁丝棒材成型工艺。但目前有 关镁旋锻工艺的研究很缺乏。 旋锻工艺特有的脉冲加载及多向加载方式中各场量的分布、变化过程及其影响 的研究还未见报导。旋锻工艺参数对其产品的表面粗糙度、表面裂纹、显微组织等 影响很大，但这方面的定量研究也未见报导。 本文首先分析了纯镁在1 5 0 3 0 0 c 、动态加载条件下的流变本构关系及塑性变 形机制，作为旋锻工艺研究的基础。然后对工业上常用的方坯及圆坯旋锻变形过程 进行有限元模拟，分析了旋锻工艺脉冲加载及多向加载方式下各场量的分布及变化 过程；讨论了这种分布及变化过程对镁的可加工性、旋锻镁材质量的影响；得到了 镁旋锻工艺参数与旋锻镁制品的表面裂纹、表面粗糙度、显微组织、旋锻机受力的 关系，进而获得了镁旋锻合理工艺参数的确定原则。研究了旋锻镁材的力学性能及 其影响因素。结果表明： 纯镁在t 2 0 0 a t 、o 0 1 1 0 s 1 变形时，出现了大量变形孪晶及剪切破坏行为， 为不稳定流变在2 5 0 0 cs t 3 0 0 0 c 变形时，为避免不稳定流变行为( 显微组织中 的大量孪晶) ，应变速率应小于1 0 s 1 。在2 5 0 - 3 0 0 ( 2 的温度范围内，f r i e d e l - e s c a i g 交 滑移机制是镁塑性流变的控制机制。 旋锻工艺脉冲加载及多向加载历程中各场量的分布、变化过程及对镁塑性变形 能力、旋锻镁材组织性能的影响为：各节点等效应变随时间呈阶梯状逐步增加，旋 锻过程中镁的总应变量是通过多次小变形实现的，这有利于低塑性材料的变形。应 力随时间呈脉冲似的周期变化，脉冲最高点是锻模闭合对棒料进行锻打的时间，此 时各应力组分均为压应力并且应力三轴度很低，这有利于镁成形极限的提高。在锻 模张开，棒料送进阶段，局部塑性变形生热可以通过热传导、对流、辐射等方式扩 散，因而旋锻变形温升不显著，这有利于产品晶粒细化及力学性能的提高。 北京工业大学工学博士学位论文 方坯开坯旋锻时，棱边节点轴向残余应力仃，为拉应力，并远大于其余方向的残 余应力分量，是造成后续道次表面横向微裂纹的基本原因之一。方坯开坯旋锻不可 能使组织完全为动态再结晶组织 研究了镁圆坯单道次旋锻工艺参数与旋锻镁制品质量间的关系。结果表明，旋 锻镁材中是否会保留铸态组织，受圆锥进料角口、径向压下量a r 的影响，与其它 工艺参数无关。随初始旋锻温度死。的升高旋锻镁材中变形孪晶分布减少，当径向 压下量大于某临界值时，旋锻镁材中会出现孪晶，其余工艺参数对孪晶的出现没有 影响。晶粒尺寸随足的增大而减小，随瓦。的升高而增大，不受其余工艺参数的 影响锻件表面粗糙度随死。的增加而增大，随露及轴向送料速度k 的增大而 呈抛物线关系增大，随f g 2 ) 的增大成直线关系增加。锻模所受径向压力随a r 的 增加和留( 卅2 ) 的减小而呈指数关系增长，并随删的增大而减小。 具有动态再结晶组织的旋锻镁材的00 2 比挤压镁材高6 6 - - 7 3 m p a 。旋锻镁材的 p e t c h 斜率k 为1 2 5 ，比挤压及轧制态的k 值高。细晶强化及亚结构强化是旋锻工艺 提高镁材强度的主要原因。如果旋锻过程中纯镁发生了非稳态流变，则其产品显微 组织中会含有大量孪晶，拉伸时局部穿晶断裂会延孪生区域发生，因而延伸率低。 模拟所得旋锻前后镁材的温度、镁材旋锻后的尺寸、表面粗糙度、显微组织、 塑性流变稳定性与实验结果吻合良好。 关键词旋锻：镁；塑性变形；有限元仿真；工艺优化；力学性能 n o wm a g n e s i t mr o d sa n dw i r e s 躲m a i n l yl , r o d u c e db yd i ec a s t i n ga n de x l r u s i o n i - - l o w n t e l - , t h e p o o rm h a d i c a lp r o i 斌t i c sa n d $ u i f l i p q u a l i t yo f 勰e a s tr o d s 鲫dt h el o w 髓r m i o n 删i r a t e l i m i t e dn l ca p p l i c a t i o no fm a g n e s i m nr o d sa n dw i r e s 删o r c , s t i l ls i g n i 矗c a z l te f f o r t sn e e dt ob c m a d et od e v e l o pi i d v f o m a i n gp r o c e s so fm a g n e s i t m ar o d s t h ea d v a u t a g e so fr o t a r ys w a g i gf r s ) , s u e l aa se c o n o m ya n di m p r o v e dw o a c c e c eq u a l i t y , m a k ei tap r o m i s i n gf o r m i n gp r o e e o f m a l g n e s i u m r o d s 1 q c v e r t h e l e s s r e s e a r e l a e s o n r s o f m a g n e s i u m a r e s c a r t h ed i s t r i b u t i o n sa n dh i s t o r i e so fv a r i o u sf i e l dv a r i a b l e s d r t n gt h ep u l s eb l o w i n ga n d m t d t i d i r “o n a lf o r g i n go f r s ，h a v e n tb e e nr e l 】o r t c dl i pt ot h ep r e s e n t t h el , r o s i gp a r a m e t e r so f r sm a r k e d l yi n f l u e n c et h eq u a l i t yo ft h er sp r o d u a s i n c l u d i n gm u 妇r o u g h n e s s ，s u r f a c ee r a e l a m i e r o s m i e t l n , a n ds oo n , b u tq u a m i t a t i v d yr e s e a r e l a o nt h e s ee l s l c t sh a v en o tb e e nr e p 删u n t i l n o w ho f d 盯t os t u d yr so fm a g n e s i u m , t l a cc , o n s t i t u t l v eb e h a v i o ra n dd e f o r m a t i o nm c c h a n i s m qo f p u r em a g n e s i u ma tt l a et c m p e l - a t mi l u l g cf r o m1 5 0 1 2t o3 0 0 1 2a ds t r a i nr d l t - b d 阳嘞0 0 1 s - ! a r i a l o s 1 ms t u d i e d t h e n , t h e r s o f b o t h m a g n e s i t m as q u a r e b 丑l 吐a n d r o u n d b i l l e t i s s t u d i e d u s i n g f m i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n t h ed i s t r i b u t i o na n dh i s t o r yo f e a c hf i e l dv a r i a b l ed u r i n gr s 。t o g e t h e rw i t l at h e i r e f f e c t so nt h ew o r k a b i l i t , o f m a g n e s i u ma n do nt h eq u a l i t yo f r o t a r ys w a g e dm a g n e s i u ma n l r 1 t h er c l a t i o n qb d n p r o c e s s i n gp a t a m c t c t | o f r so f m a g e s i t n na n dt h eq u a l i t i c so f r o t n t y - s w a g e d m a g n e s i u m , w l a i e hi n c l u d e s u r f a c er o u g l m e , s u r f a c ec r a c k s m i e r o s t r u c t m e , 躺o b t a i l l t dt h e r e i n t i o ab c ! t 】i r o e np r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fr so fm 越蛸i 岫a n dt h ef o r c ea p p l i e dt ot h es w a l 聊ri s a l s oo b l l l j i l e d t h e 触l i n c sf o r 1 e t e r m i l l i n gr a t i o n a lp r o c e s s i n gp a r a l l a o t l no f r sa md e r i v e dt h 娜 f a c t o r si n f l u e n c i n gm e c h a n i c a lp l d p e r t i e so f r o t a r ys w a g e dm a l 驴e s i t t m 瓣o b t a j l l l 吐t h ec o , l e l m i o l _ ! a l t oa sf o l l o w s a t 蛔n p a 蜘l o w e rmc q a lt o2 0 0 1 2a n da ts t r a i nr a t e 哗b e 胁0 0 1 $ - 1a n dl o s - l ，t w i l l s 托ds h e a rd 姐a 辞勰t y p i c a lm l e r o s t r u e t u r a ld e f o m m t i o c h a r a c t e r i s t i c so f p u r em a g n e s i u m , a n dt h o p l a s t i c i t yf l o wi si i l s t l t b l e a tt p e r a t l x cr a n g eb c t w c o n2 5 0 c a n d3 0 0 1 3 ，i no r l i t oa v o i df l o w i m t a b i l i t y 曲s t r a i nl a t em u s tb el e s s 也趣l o s 。a n dt h ed e f o r m a t i o nm e c h 锄i s mi sf r i o d e l - e s e a i g c r o s ss l i p t i l ei n f l u e l m so fh i g h - 白e q 【i | l 即坷b l o w i n go f r so nd c f o n m t i o nb e h a v i o ro f m a g n e s i u mm f o l l o w s t h es t r a i no fe v c a yn o d ei l a e r e a s e ss t e p w i s ew i t ht i m ea n d e a c hs t e pc o r r e s p o n d st oo n e n x p u l s es t r o k e s ot h ed e f o r m a t i o no f m a t e r i a ld i n i n gr sa o b t a i n e di n c r e a s i n g l y , w h i c hi sb e n e f i c i a lt o d e f o r m a t i o no fi n d u e t i l em a t e r i a l s t h ee q u i v a l e n t 鲥n 煳p u l s e sw i t ht h ep u l s es t r o l d i l ga n dt h eu p p e r p u l s ea p e x e so ft h es t r e s s - t i m ep l o tc o r r e s p o n dt ot h et i m e sw h e nt h ed i es e g m e n t sc l o s ea n dt h e w o r k l f i e e ei sd e f o r m e d w h e nt h od i es e g m e n t sc l o s ea n dt h ew o r k p i e e ei sd e f o r m e d , t h es t r e - c o m p o n e n t sa r ea l ln c g a t i v ca n dt h es t i c s st r i a x i l i t yi sm u c hl o w e r , w h i c hi m p r o v e st h ew o r k a b i l i t yo f m a t e r i a l w h e nt h ed i es e g m e n t so p e na n dt h ew o r k t i c e ei sf e e d i n g , t h eh e a tt r a n s l a t e df r o mp l a s t i c d 甜o r m a t i o ne n e r g yd i f f u s e st h r o u g i it h e r m a lc o n d u c t i o n , c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o n , w h i c hr e s u l t si n i n s i g n i f i c a n tt e m l m a t l r e - r i s i n ga n d h e n c ei m p r o v e sp r o d u c tp r o p e r t i e s t h er e s i d u a la x i a ls t r e s sa tt h ec o r l l e l o fs q u a r eb i l l e ti sp o s i t i v ea n di sm u c hh i g h e rt h a no t h e r s 打e s sc o m p o n e n t s , a i l di tb t * o l n e so l l eo f t h em a i nf a c t o r sc a u s i n gt h e 胁s v e 嘴$ 1 u f l l c ec r a c k si nt h e s u b s e q u e l a tr sp a s s e s i ti si m p o s s i b l et og e tw h o l ed y n a m i cr e e l 3 r s t a l l i z e dm i e r o s t n l e t u mi nt h e w o r l ( c p i c e eo n l yb yt h ec o g g i n g - d o w np a s s 1 1 1 e r e l a t i o n s h i pb e t w 蝴p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fr sa n dt h eq u a l i t yo fa sl o t a l y - $ w f l t 卿 m a g n e s i u mi sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e t h e rt h ea s c 喊m i e r o s t r u e t m er e m a i n si nt h ea s r o t a r y - s w a g e dm a g n e s i u mi si n f l u e n c e db yc o n i c a lf e e d i n ga n g l e ( 口) a n dr a d i a lc o m p r e s s i o na m o ) m t ( 丝) ，b u ti s n ta f f e c t e db yo t h e rr sp r o i n g 脚e t w h e n 从i sh i g h e rt h a nac r i t i c a lv a l u e , t w i n sw i l la 讲煳r ，c o n d i t i o n e dl l u l tt h eo t h e rp r o e e s s i a gp a r a m e t e r so fr sa f i x e d i na d d i t i o n , t h e a r e a s , w h e r et w i n s 印p i n c r e a s e sw i t ht h ee l e v a t i o no fk a n di s n ta f f e c t e db yo t h e r p r o e i n gp o r a m c t e r s t h es u l f a c er o u g h n e s so fr o t a r y - s w a g e dm a g n e s i u mr o d sh i c “嘲w i t ht h c i n c r e a s eo fi n i t i a lr st p e r m r c ( “) t h es u m t o u g h n c i n c r e a s e sw i t h 置a n da x i a l f e e d i n gw l o e i t y ( 吃) a tq u a d a a t i eg r o w t hr a t e s ，a n di n e r e a s w i t ht g ( 2 ) a tl i n e a rr e l a t i o n t i l e p 1 1 $ f o r c ea p p l i e dt ot h ed i e ss e g m e n t si n c r e a s e sw i t h 缄址e x p o n e n t i a lg r o w t hn 魄d e c r e a s e s w i t ht h ei n c a e a s oo ft g 纠2 ) a t e x p o n e n t i a lr a t e s ，a n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f w t h eo0 2o f a sr o l a t y - $ w i l 窖c dm a g n e s i u mi s6 6 , , 7 3 m p ah i g h e rf l l a nt h a to f e x t n l d c do 慨o n t l a c c o n d i t i o nt h a tt h ep r c , 黜i n gi x n a m c t e r so fr sa s $ 1 et l a ci n i c “培缸u c m 把o fa sr o t a r y - s w a g e d m a g n e s i u mc o n s i s t so f d y n a m i cr e e r y s t a l l i z e dg r a i n s g r a i nr e f i n e m e n ta n ds u b s m a e t u r c 如期呜m 肌埘唱 a 糟蚰材塔山舶i n gm e c h a n i s mo fm a g n e s i u mt h r o u g h 醛i fi n s t a b l ef l o w0 c c u 璐d u r i n gr so f m a g n e s i u m t h e r ew i l lb et w i l l si nt h ea sr o t a r y - s w a g e dm a g n e s i u ma n ds oi tw i l lb em o r e p r o n e t oc r a c ka l o n gt w i nb o u n d a r i e sa n dh e n c eo fl o we l o n g a t i o np e r c e n t a g e t h cs i m u l a t e dr c s d t s , w h i c hi n c l u d et h e 怔mp l 贯a t i 鹏v a r i a t i o na n df l o ws t a b i l i t y “n gr so f m a g n e s i u m p r o f i l e , s i t 1 = s s u f f a i o u g h n c s s m i e r o s t r u e t l no f t h ea sr o t a l 3 , - s w a g d lm a g n e s i t n nr o d s , i n e o tw e l lw i t ht h ee x p e r i m t a lo i v a b s l 酣c t k e yw o r d s ：r o t m y “她m a g n e s i u m ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ； p r o c e s so p t i m i z a t i o n ；i v l e c h a n i c a lp r o p e r d e s v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：叠鲞日期幽：曼：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全都或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 镁是最轻的金属结构材料，密度约是铝的2 3 ，铁的1 4 ；比热较大( 超过铁一 倍，比铝也高) ；弹性模量在常用航空金属中是最低的。镁合金有很高的比强度、比 刚度；具有优良的切削性能、优良的电磁屏蔽特性及减振性能和较高的热导率【1 捌。 镁在各元素中的储量居第八位，在地壳中约占1 9 3 m a s s ，在海水约占o 1 3 m a s s ”】，几乎是一种不可耗竭的资源。在很多传统金属矿产趋于枯竭的今天，加速开发 镁金属材料是实现社会可持续发展的重要措施之一 镁合金及相关技术的研究在世界上非常活跃。1 9 9 9 年9 月，日本起动了为期四 年的“先进镁合金科学技术平台”研究计划【”，得到了日本教育、科学、体育、文 化部的资助。由于这项财政支持，从1 9 9 9 年起，关于镁的研究变得非常活跃【3 】。在 欧美，两大汽车协会e u c a r , u a c a r 都制定了在底盘和框架结构中，大规模使用 镁的计划，其中欧洲的计划包括四个国家的1 2 个合作伙伴，6 大汽车公司，3 个研 究组织及两个研究机构m 。我国的“十五”攻关计划重大专项、。十五”8 6 3 计划 等也设立了镁合金专项 6 , 7 1 塑性变形工艺的改进不仅可以提高变形能力，而且可以提高机械性能刚近年， 对镁及镁合金塑性变形工艺改进的研究很多，其中包括超塑性成形 9 - 1 3 1 、静液挤压 0 4 j 5 、快速凝固变形镁合金系的开发【1 越1 1 、e c a p 工艺 2 2 - 3 “、大应变热轧 2 & 3 2 , 3 3 】、 织构与工艺及性能的关系【强* 垮。但对小直径镁丝棒材生产工艺改进的研究很缺乏。 目前镁丝棒材主要通过铸造或挤压两种方法生产【4 5 】。 但铸造镁材力学性能和 表面性能差，挤压镁材生产效率低4 9 】，急需开发新型镁丝棒材成形工艺。 1 2 镁的塑性变形能力及影响因素 1 2 1 镁塑性变形的形式 金属晶体范性形变有三种独立的基本形式：滑移、孪生、扭折刚；滑移和孪生 是金属形变的主要方式，多晶材料进行无裂纹的均匀变形时需要五个独立的滑移系， 若没有五个独立的滑移系，则塑性较差；扭折一般都是由滑移诱生，或为了适应孪 生而产生的一种次级过程。 晶体格点的位置具有空间周期性，所以任一晶面的堆垛都有其周期性，而滑移 和孪生必然导致堆垛次序的改变，形成堆垛层错。位错的运动过程中，为降低能量， 个全位错往往扩展成由一定层错联系着的两个或三个部分位错。所以滑移和孪生 的发生与堆垛层错能密切相关。 h c p 晶格中，位错滑移面的范围涉及基面、棱柱面及柏氏矢量b = i 3 ( 1 1 2 0 ) 的第一级锥滑移面及柏氏矢量为1 3 ( c + a ) + 拍( 0 1 i o ) 通过对层错能的计算表明，位错在棱面上的分解方式： a 3 ( 1 1 芝o ) 一a 6 ( i i 互j ) + a ，6 ( o t i o ) a 3 ( 1 l 乏0 ) 螺位错的基面分解层错能相当于l o m j m - 2 数量级的层错能。棱柱 面层错能大约为基面层错能的7 倍，这就是为什么室温下无交滑移的原因。 密排六方镁的滑移面和滑移方向( 按室温以上热激活能力的顺序) 见图1 1 t 5 ”。 在镁中，当切应力超过各自的临界分切应力时，有四种不同的滑移系可以开动【5 2 】， 它们是：( 1 ) 基面m ll 互0 ；( 2 ) 棱柱厩滑移系a o t o l l 乏o ) ；( 3 ) 一级锥面滑移系 1 0 t 1 ( 1 1 2 0 ) 和 1 0 t 2 ( 1 1 - o ) ；( 4 ) 二级锥面滑移系 1 1 互2 】( 1 1 互3 ) 。非基面滑移系的临 界分切应力比基面的大很多，以上四种滑移系的临界分切应力之比约为：1 ：3 8 ：5 0 ：1 0 0 l 。并且各滑移系的激活温度也以相同的数量级增加。前三种滑移系的滑移方向相 同，平行于基面；而二级锥面滑移系的柏氏矢量为p + 句，不平行于基面锥面滑 移在1 7 7 ( 2 以上激活，在大约2 2 5 ( 2 以上能够有效提高镁的延伸率酬。这种情况下， 第1 章绪论 由于变形是由基面和棱柱面滑移系产生的，变形过程中滑移面旋转直至与压缩轴垂 直，而滑移面的这种取向会阻止这些滑移系的进一步开动当温度高于3 5 0 时，一 级锥面滑移系开动。二级锥面滑移系的临界分切应力最高，它在温度高于3 0 0 c 时激 活，而当温度高于4 0 0 时才会大量开动酬。二级锥面滑移系的堆垛层错能很高( 1 7 3 m j m 2 ) ，它的开动会促进通过交滑移来进行的动态回复 5 5 , 5 6 ，而动态回复对激发动 态再结晶形核是必须的( 高温时这些核心会通过晶界迁移来长大) 1 o n eb a s a ls l i pp l a n e 2 t w ol h - i s m a t l cs 岫p l 卸描 燃 e i - l l j 静，z 糍a 3 f o u rp ) r r a m i d a is l i pp l a n e s t w op i r s to r d e f 姻(toll)hish-tslip嗵，周 t w os e c o n do r d e r 图1 1 密捧六方镁的滑移面和滑移方向 f 培1 - 1s l i pp l a n e sa n ds l i pd l r e c 村o n so f m a g n e s i t a nc r y s t a l 北京工业大学工学博士学位论文 镁室温变形时，基面有最低的l 腼界分切应力，但此变形系统只有两个独立的滑 移系，为满足多晶变g 眵t a y l o r 准则所需的五个滑移系，会发生孪生变形来提供非常 有限的塑性变形。因而镁晶体的c o s 由c o s 九的平均值很小，这是多晶镁及其合金不 产生宏观屈服而在晶界产生大应力集中的一个原因。因而纯镁及常规铸造镁合金具 有脆化倾向，这种脆化是由于晶问断裂，也是由于孪生区域( 尤其是压缩时) 或是 沿非常大晶粒的基面 0 0 0 1 ) 产生局部的穿晶断裂所致【5 l 】。 1 2 2 影响镁塑性变形能力的因素 1 2 2 1 晶粒尺寸及热激活对变形模式的影响纯镁晶粒尺寸逐步减小对延脆转变 温度的影响如图1 - 2 、图1 3 【5 1 1 。表明纯镁的晶粒细化到81 1m 时延性转变降至室温， 并且当晶粒细化巧1 】以及在2 2 5 c 以上温度产生棱柱面( 1 0 t o ( 1 1 2 0 ) 滑移而抑制 孪生时，镁就呈现明显的延性转变。孪生是一种非热的切变过程，包含几个原子层 以小的层错矢量作镜面反衬似的运动。在镁中第二级锥面上的孪生现象降低了由于 大的l 3 ( c + a ) ( 1 1 芝3 ) 柏氏矢量而产生的大的p e i e r l s - n a b a r r o 应力。因而热激活 敏感性的增加会使滑移变形方式更有竞争力因而使孪生的可能性减小。有三个因素 增加镁对热激活滑移的敏感性： ( 1 ) 晶粒细化，降低晶界反向应力使之更利于调整：( a ) 两相邻晶粒问的重叠 或无效位移及晶界滑动及，或转动) 、( b ) 已孪生的穿晶体积； c 2 ) 有低熔点的合金元素例如铟、锂； ( 3 ) 提高温度； 纯镁的棱柱滑移面4 0 t o 0l 芝o 是不活泼的，当采用常规铸造方法时加入锂及 ， 铟可以激活这些滑移面。激活棱柱面滑移可使镁合金在较低温度更具延展性而无需 借助必须的晶粒细化，例如无需用快速凝固工艺来获得这种晶粒细化但许多这样 的合金具有极低的固溶强值和低的加工硬化效应，并且抗蚀性差【5 1 1 因此，除非使 晶粒充分细化以降低反向应力并通过晶界滑动以增强晶体旋转，否则结构镁合金在 室温下的变形总里孪生倾向。文献5 7 的研究也表明，在较高温度下( 低于2 0 0 1 2 ) ， 晶粒细化到一定尺寸时，孪生机制会由滑移机制取代，并得到了由孪生向滑移转变 的临界晶粒尺寸。 幂 g 口 2 聋 g 宙 t e m p e r a t u r ei n 图l - 2 纯镁晶粒尺寸对延性转变温度及转变曲线形状的影响 s q f i g 1 - 2 e f f e c t o f g r a i n s i z e o n d u c t i l i t y u a n s l i i o n t e m p e r a t u r e a n d c u ms h a p e o f m a g n e s i u m t e m p e r a t u r ei n 图l - 3 纯镁晶粒尺寸逐步减小对转变温度的影响d f i g 1 - 3e f f e c to f s t e p p i n gd o w no f g r a i ns i z e so f m a g n e s i u m o i ld u c t i l i t yt r a n s i t i o nt e m p e r a t m e 1 2 2 2 载荷方式的影响在密排六方结构金属中的加载方式( 如拉或压) ，对孪生 起着决定性的作用。由拉还是由压来导致孪生，取决于试样轴与晶轴的相对取向。 这可用锌和镁孪生的特点来很好的加以说明，锌的轴比为1 8 5 6 ，镁的轴比为1 6 2 4 ， 从而基面和孪生面( 1 0 1 2 ) 的夹角对锌而言是4 7 0 ，对镁而言是4 3 0 【划。对锌而言， 切变s 的得来要k 2 面作顺时针转动，因此锌在拉伸形变时产生李晶，而镁要在压 缩形变时产生孪晶。但众所周知，孪生所能提供的变形量是有限的；也有人认为密 北京工业大学工学博士学位论文 排六方晶体金属的塑性变形依赖于滑移与孪生的协调动作，认为锌与镁的变形能力 的不同是由于其轴比不同，孪生条件不同所致。但轴比不是六方金属变形能力的决 定因素【5 l 】( 西的变形能力比镁好但轴比却更小) 。室温时，在6 0 0 m p a 的静水压下， 1 2 0 51 1m 尺寸的细晶镁合金可达2 0 0 的延伸率巧8 j 9 1 。但这是由于静水压抑制了 晶间变形而不是由于孪生的作用。因此载荷方式优化所产生的孪生变形对镁合金塑 性的提高是很有限的。 1 2 2 3 静水压力的影响表1 1 为静水压力对镁，镁合金，镁基复合物机械性能影响 的研究概况。这些研究结果都表明静水压应力状态有利于镁及合金塑性变形能力的 提高。图1 4 为在各种温度下静水压力对镁塑性的影响嘲，每条曲线都有一个初始 阶段，在这一阶段韧性随静水压力而呈线性增加，直到某一点后韧性在很窄的一个 静水压力区间内达到1 0 0 。这表明静水压力能引起纯镁塑一脆转变 零 i 警 藿 2 耄 星 t e m p e r a t u r e 图1 4 在各种温度下静水压力对镁塑性的影响砸川 f i g 1 - 4e f f e c to f h y d r o s t a t i cp i 留强l u p o nt h ed l k d l i l yo f m a g n e s i u ma tv l r i o u $ t e m p e r a t u r e s 在过去的几十年中，有关准静态加载条件下静水压力对金属塑性流变及断裂行 为影响的研究很多【5 蚓，并涉及到了静液挤压等领域。该领域具有先导性的研究工 作是由b r i d g m a n l 6 3 州等人发表的研究结果，他们研究了静水压力( 最大值为3 g p a ) 对许多金属的很多性能( 包括流变行为和断裂行为) 的影响。之后，很多研究者的 6 实验工作集中在静水压力对韧性提高的根源方面 6 5 - 7 1 1 。同时出现了很多理论模型来 解释，预测应力状态的变化对金属1 7 2 1 、金属复合物【7 3 】、金属玻璃【7 4 】、等变形过程的 影响。 表1 1 静水压力对镁，镁合金，镁基复合物机械性能影响的研究概况 t a b l e1 - 1s u m m 3 7o f i n v e s t i g a t i o n so ne f f e c t so f h y d r o s t a t i cp i e s s u r eo n m e c h a n i c a lb e h a v i o ro f m g m ga l l o y s m gm a t r i xc o m p o s i t e s 表注：代表论文中没有报导；u t s 代表抗拉强度 1 3 旋锻工艺的应用与研究现状 旋锻是一种用于减小金属棒材和管材截面积的成形过程，它兼有脉冲锻打和多 向锻打的特性，生产效率高，并且有利于低塑性材料的变形 7 5 - 7 s 1 ，被广泛应用于高 强度低塑性材料，如难熔金属f 7 z 9 1 ( 钨、铝、铌等) 、金属基复合物 s o s l l 金属氧化 物【8 2 1 丝棒材成形工艺。 目前镁丝棒材主要通过铸造或挤压两种方法生产 4 s l 。但铸造镁丝力学性能和 表面性能差。镁材高速挤压时，由于摩擦及塑性变形生热导致晶粒粗化及表面热裂 的倾向较铝严重得多，限制了镁挤压应变速率的提高，使镁挤压速度远低于铝挤压 速度 4 6 - 4 9 | ，典型的镁挤压速度仅为典型铝挤压速度的i 1 0 i 5 1 4 9 。所以急需开发新 型镁丝棒材生产工艺。表l - 2 为金属成形工艺条件瞰】的比较，可见锻造成形的温度低 于挤压，而应变速率高于挤压。加之旋锻的经济性及对性能的明显改进潜力册，使 它成为一种及有前途的镁丝棒材成型工艺。但目前，对镁及其合金旋锻工艺的研究 极少。 表1 2 金属成形条件t s s l t a b l e1 - 2t h ec o n d l t i o n so f m e t a lf o r m i n g r b i h a m t a i s 6 1 , i r e m o n g e 。e ta 1 【明模拟了厚壁管件的径向自紧锻造工艺， j 风 c h o 模拟了汽车输油管的径向锻造工艺嗍。a p i e l a s 9 - 9 1 1 把3 d 问题转化为2 d 问题， 模拟了径向锻造过程。但是这些研究都没有阐明旋锻的高频脉冲加载特性对材料变 第1 章绪论 形行为的影响。由于锻模运动过程的复杂性及变形过程的高度非线性等因素，旋锻 方坯规圆过程的3 d 有限元模拟，还未见报导。， 旋锻的工艺参数对其产品的表面质量、组织性能、旋锻机受力、生产效率等影 响很大u 6 - - t s ，相关的模拟研究工作还未见报导。 1 4 有限元模拟的发展 1 4 1 商用软件概况 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元出现并迅猛发展，它们在工程上的应用多以 专用程序的面目出现，为求解某一个或一类问题编制一个程序。这一方面固然出于 当时理论上处于初级阶段、计算机的硬件设备及软件也无法与现在相比，另一方面 有限元程序开发也刚起步，缺乏经验。随着各项技术的进步与经验的积累，自6 0 年代末，7 0 年代初大型通用有限元程序出现，并以它们的功能强、用户使用方便， 计算结果可靠、效益高而逐渐形成新的技术商品，成为工程技术及研究人员强有力 而不可缺少的分析工具。专用程序日渐萎缩，仅用于一些特殊的大型通用程序未涉 及到的课题。即使针对这样一些课题，通常也是在通用程序基础上增添相应的模块， 利用通用程序已有的通用功能，如前处理、单元阵的形成、总刚度与质量阵的集成、 应力计算、输出、图形显示等作为开发平台，避免从零做起和低水平上的重复，提 高效率。也就是由有限元使用者作坊式开发专用程序被专门公司有组织大规模工厂 化编制的通用程序所替代。 有限元软件虽然具有很强的通用性，但是新材料、新方法层出不穷，应用领域 不断扩大，与应用领域中其他功能软件的结合日趋紧密，从而对有限元软件的要求 也越来越高，特别是要求有限元软件具有较强的可裁剪性和再用性，可以很方便的 与其他系统相连接，也可以容易地加入新的功能，这就要求有限元软件发展成为集 成化嗍的可支持有限元方法应用和重新开发的新环境。一些通用有限元软件概况见 表l - 3 【9 3 】，其中如大型通用软件a n s y s 、m a r c 、a b a q u s 等，都可以做热成形 过程的宏观模拟。此外，专用软件如s u p e r f o r m 、s u p e r f o r g e 、d e f o r m z d 3 d 等，可以做热成形过程的二维和三维模拟。 北京工业大学工学博士学位论文 ：1 n o n l i n e r - e l a s t i c , 2 e l a s t i c - p l a s t i c , 3 v k o - p l a s t i c , 4 l a r g e - s t r a i n , 5 c o n t a c 6 n o n l i n e r - d y n a m i c , 7 n o n l i n e r - b r e a k 1 4 2m a r c 软件简介 作为国际上第一个通用非线性商用有限元软件，自创立二十多年来，m a r c 一 直致力于非线性有限元软件的开发、销售和售后服务工作，使m a r c 程序称为世界 上功能最全、最先进的非线性结构分析有限元软件之一。它在航空航天、核工业、 铁路运输业、石油化工、机械制造、能源、汽