（材料学专业论文）az31镁合金热塑性变形行为研究及其数值模拟.pdf

摘要 摘要 镁合金因其具有低密度、高比强度和比刚度、高阻尼、电磁屏蔽良好及机 械加工方便等优点，被誉为2 1 世纪最具发展潜力的金属材料。然而，镁的晶体 结构为密排六方，其较差的室温成形性能以及较低的屈服强度极大的限制了它的 应用。为了解决这个难题，本文对a z 31 镁合金热塑性变形行为进行了试验及其 数值模拟研究，以便为合理制定a z 3 1 镁合金热塑性加工工艺参数提供指导，以 及为进一步系统研究该合金提供基本数据。 本文通过成形模拟软件d e f o r m2 d 、3 d 分析了a z 3l 镁合金在不同条件下 压缩和挤压的应力场、应变场以及温度场；利用金相分析了a z 3 1 镁合金热变形 后的组织特征；利用显微维氏硬度测试仪、电子万能材料试验机和s e m 分析了 a z 3 l 镁合金挤压后的力学性能。研究结果表明： 1 a z 3 1 镁合金压缩过程中，应力和应变均随着压缩的进行逐渐增大，不 同试样问的应力随着应变速率的增大、温度的降低而变大。合金压缩过程中发 生温升效应，温升随着应变速率的增大、晶粒尺寸的减小而越明显。 2 a z 3l 镁合金压缩过程中，试样心部组织变形程度高于边缘，心部晶粒 被拉长，表现出明显的方向性。压缩温度过高时，组织边缘易于形成孪晶。 3 a z 3 l 镁合金挤压过程中的塑性变形主要集中发生在挤压出1 5 1 处，应力 随着挤压速度增大、温度降低而变大。a z 3 1 镁合金挤压过程中发生了明显的温 升效应，挤压速度越大，温升越明显。随着挤压的进行，应力、应变以及温度分 布均是由中心向两边逐渐降低。 4 a z 3 l 镁合金在挤压过程中发生了动态再结晶，挤压后晶粒得到了有效 的细化。挤压速度较低时，挤压组织呈现被拉长的大晶粒和动态再结晶小晶粒 共存的混晶组织，随着挤压速度的增大，组织混晶组织明显减少，组织均匀， 晶粒细小。在高速挤压时，当边缘晶粒尺寸小于2 0 p m 时，通常会形成一条粗晶 组织。 5 a z 3 l 镁合金挤压后力学性能获得了改善。材料的硬度、抗拉强度均有 不同程度的提高。对合金的拉伸断口分析发现断口分布着许多韧窝，属于韧性 断裂。 6 与坯料未细化处理的a z 3 l 镁合金相比，坯料预先细化的a z 3 l 镁合金 摘要 在同一挤压条件下挤压后得到的组织更为均匀，晶粒更加细小，硬度、抗拉强 度均更高，延伸率有所下降。 关键字：a z 3 1 镁合金；热压缩：热挤压；数值模拟；d e f o r m a b s t r a c t a bs t r a c t m a g n e s i u ma l l o yi sr e g a r d e da so n eo ft h em o s tp r o s p e c t i v em e t a l l i cm a t e r i a l si n 21 仇c e n t u r yd u et oi t sl o wd e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，h i g hs p e c i f i cs t i f f n e s s ，g o o d d a m p i n gc a p a c i t y , e x c e l l e n te l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gp r o p e r t i e s ，a n dg o o d m a c h i n a b i l i t y u n f o r t u n a t e l y , i t sh e x a g o n a ls t r u c t u r e ，t h el o w e rt e n s i l ey i e l ds t r e n g t h a n dt h e p o o rr o o m - t e m p e r a t u r ef o r m a b i l i t yc o n f i n e t h ef u r t h e r a p p l i c a t i o n o f m a g n e s i u ma l l o y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i no r d e rt os o l v et h i sd i f f e r e n tp r o b l e m n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c hw e r ec o n d u c t e do n t h e r m o p l a s t i c d e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fa z 31 m a g n e s i u ma l l o y i t w i l l p r o v i d eg u i d a n c e t o r e a s o n a b l ye s t a b l i s ht h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro fm a g n e s i u ma l l o y se x t r u s i o na n d p r o v i d et h eb a s i cd a t af o rf u r t h e rs y s t e mr e s e a r c ho nt h ea l l o y t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t r e s s ，s t r a i na n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fa z 31m a g n e s i u m a l l o yu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sb yu s i n gt h ef o r m i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m 2 d 、3 d m e t a l l i cp h a s ea n a l y s i sw a su s e dt oa n a l y z et h em i c r o s t r u c t u r em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ea z 3 1m a g n e s i u ma l l o ya f t e rh o td e f o r m a t i o n i na d d i t i o n ，v i c k e r s m i c r o h a r d n e s st e s t e r , e l e c t r o n i ca l m i g h t ym a t e r i a le x p e r i m e n tm a c h i n ea n ds c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) w e r ee x p l o i t e dt oc h a r a c t e r i z et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f a z 31m a g n e s i u ma l l o ya f t e re x t r u s i o n t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 d u r i n gt h ec o m p r e s s i o np r o c e s so fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o y , b o t ht h es t r e s s a n ds t r a i ng r a d u a l l yi n c r e a s e t h es t r e s sa m o n gd i f f e r e n ts a m p l e sb e c o m e sb i g g e r w i t ht h es t r a i nr a t ei n c r e a s e sa n dt h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e s t h et e m p e r a t u r er i s e e f f e c ti sf o u n dd u r i n gt h ec o m p r e s s i o np r o c e s so fa l l o y , a n di tb e c o m e sm o r eo b v i o u s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es t r a i nr a t ea n dd e c r e a s i n go fg r a i ns i z e 2 d u r i n gt h ec o m p r e s s i o np r o c e s so fa z 31m a g n e s i u ma l l o y , t h ed e f o r m a t i o n e x t e n ti nt h ec o r ep a r to ft h es a m p l e sw a sh i g h e rt h a nt h a ti nt h ee d g ep a r ta n dt h e n t h eg r a i ni nt h ec e n t e ri se l o n g a t e dw h i c he x h i b i t st h ea p p a r e n td i r e c t i o n w h e nt h e c o m p r e s s i o nt e m p e r a t u r ei st o oh i g h ，i ti se a s yt of o r mt w i no nt h ee d g e 3 p l a s t i cd e f o r m a t i o nm a i n l yo c c u r si nt h ee x t r u s i o ne x i td u r i n gt h ee x t r u s i o n p r o c e s so fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o y t h es t r e s si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e i v a b s t r a c t s t r a i nr a t ea n dd e c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r er i s ee f f e c ti sd i s c o v e r e d d u n n gt h ee x t r u s i o np r o c e s so fa z 31m a g n e s i u ma l l o ya n dt e m p e r a t u r er i s eb e c o m e s m o r eo b v i o u sw h e nt h es t r a i nr a t e g e t sb i g g e r a st h ep r o c e e d i n go ft h ee x t r u s i o n ， s t r e s s ，s t r a i na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na r eg r a d u a l l yr e d u c e df r o mt h ec e n t e rt o b o t l lo fs i d e s 4 t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nt u r n e du pi nt h ea l l o y d u r i n gt h ee x t r u s i o n p r o c e s so fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o y a f t e re x t r u d i n g , t h e g r a i n s r e c e i v e da r e m a r k a b l er e f i n e m e n t w h e nt h ee x t r u s i o nr a t ew a sl o w , t h ee x t r u s i o nm i c r o s t r u c t u r e w a sam i x e dc r y s t a ls t r u c t u r ew h i c hc o m p o s e do f b i ge l o n g a t eg r a i na n dd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n s a st h ee x t r u s i o nr a t ei n c r e a s e d ，t h em i xm i c r o s t r u c t u r e s i g n i f i c a n t l yr e d u c e d b e s i d e s ，t h eo r g a n i z a t i o nb e c a m eu n i f o r ma n dt h ec r y s t a l l i n e g r a i nw a st i n y d u r i n gt h ep r o c e s so fh i g h s p e e de x t r u s i o n ，i tw a se a s yt of o r ma c o a r s eg r a i ns t r u c t u r ew h e nt h ee d g es i z eo ft h eg r a i nw a sl e s st h a n2 0 p r o 5 a f t e re x t r u d i n g , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa z 31 m a g n e s i u ma l l o yw a s i m p r o v e d h a r d n e s s ，t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o ni n c r e a s e dt od i f f e r e n td e g r e e s t h e r ew e r eal o to fd i m p l e st h r o u g h o u tt h ef r a c t u r ea n di tw a st h ed u c t i l er u p t u r e 6 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r em o r e h o m o g e n e o u se x t r u s i o n t e x t u r i z a t i o ni na z 31m a g n e s i u ma l l o yw h i c h w a st r e a t e db yg r a i nr e f i n i n gt h a nt h a t w a sn o tp r e t r e a t e d t h ec r y s t a lg r a i n sw e r ef i n e r m e a n w h i l e ，h a r d n e s sa n dt e n s i l e s t r e n g t hw e r eh i g h e ra l o n gw i t ht h ee l o n g a t i o nd e c r e a s i n gs l i g h t l y k e y w o r d la z 3 1m a g n e s i u ma l l o y ；h o tc o m p r e s s i o n ；h o te x t r u s i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；d e f o r m v 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 镁及镁合金概述1 1 2 镁合金塑性变形的研究进展2 1 2 1 镁合金的塑性变形机理2 1 2 2 镁合金的塑性变形研究3 1 2 3 镁合金热挤压的研究现状5 1 3 镁合金热压缩研究7 1 4 镁合金数值模拟研究8 1 4 1 数值模拟技术的发展8 1 4 2 基于d e f o r m 数值模拟的研究现状8 1 5 存在的问题及展望9 。1 5 1 镁合金技术及应用存在的问题及展望9 ，。1 5 2 数值模拟存在的问题及展望一9 1 6 本课题本研究对象、目的及内容1 0 1 6 1 本课题研究对象：1 0 1 6 2 本课题研究依据及目的1 0 1 6 3 本课题研究内容1 1 1 6 4 本课题研究方案1 1 1 7 本章小结1 2 参考文献1 3 第2 章本构方程1 6 2 1 引言1 6 2 2 实验方法17 2 3 真应力应变关系曲线1 8 2 4 本构方程的建立1 9 2 5 本章小结2 2 v i 簟芋+ 一嘲，二 目录 参考文献2 3 第3 章a z 31 镁合金压缩实验研究及其数值模拟一2 4 3 1 引言2 4 3 2 实验方法2 4 3 2 1 模拟实验参数2 4 3 2 2 压缩实验2 5 3 3 模拟实验结果与分析2 6 3 3 1 压缩温度对应力场、应变场的影响2 6 3 3 2 应变速率对应力场、应变场及温度场的影响2 7 3 3 3 晶粒尺寸对应力场、应变场及温度场的影响3 0 3 4 压缩压实验结果与分析一3 3 3 4 1 压缩温度对a z 3 1 镁合金热压缩组织的影响3 3 3 4 2 应变速率对a z 3 1 镁合金热压缩组织的影响3 5 3 4 3 晶粒尺寸对a z 31 镁合金热压缩组织的影响3 6 3 5 本章小结3 8 参考文献3 9 第4 章a z 31 镁合金挤压实验研究及其数值模拟4 0 4 1 引言4 0 4 2 实验方法一4 l 4 2 1 模拟实验参数4 l 4 2 2 挤压实验4 2 4 3 模拟实验结果与分析4 4 4 3 1 低挤压比下挤压速度对应力场、应变场及温度场的影响一4 4 4 3 2 低挤压比下挤压温度对应力场、应变场及温度场的影响4 7 4 3 3 低挤压比下晶粒尺寸对应力场、应变场及温度场的影响一5 0 4 3 4 高挤压比下挤压速度对应力场、应变场及温度场的影响5 3 4 3 5 高挤压比下挤压温度对应力场、应变场及温度场的影响5 6 4 3 6 高挤压比下晶粒尺寸对应力场、应变场及温度场的影响5 9 4 4 挤压实验结果与分析6 2 v 目录 4 4 1 低挤压比下挤压速度对a z 3 l 镁合金热挤压组织的影响6 2 4 4 2 低挤压比下挤压温度对a z 31 镁合金热挤压组织的影响6 3 4 4 3 低挤压比下坯料细化处理对a z 3 1 镁合金热挤压组织的影响6 5 4 4 4 高挤压比下挤压速度对a z 31 镁合金热挤压组织的影响6 7 4 4 5 高挤压比下挤压温度对a z 31 镁合金热挤压组织的影响6 9 4 4 6 高挤压比下坯料细化处理对a z 3 1 镁合金热挤压组织的影响7 l 4 5 热挤压a z 31 镁合金力学性能研究7 2 4 5 1 热挤压a z 3l 镁合金硬度测试7 2 4 5 2 热挤压a z 3l 镁合金拉伸及断口分析7 3 4 6 本章小结：7 4 参考文献：7 6 第5 章结论7 8 致谢8 0 攻读学位期间的研究成果8 l v m 第l 章引言 第1 章绪论 1 1 镁及镁合金概述 。 镁是目前工程应用中最轻的金属结构材料，其密度通常为1 7 5 - - 1 8 5 9 c 1 1 1 3 ， 约为铝的6 4 ，钢的2 3 ，而其比强度和比刚度均比铝合金和钢高；抗疲劳强度 也要高于铝合金【1 ，2 j ；比弹性模量与铝合金、合金钢大致相同。镁合金具有良好 的尺寸稳定性和切削加工性能，其切削速度大大高于其它金属，而且镁合金在 不抛光和磨削，不使用切削液的情况下就可以得到光洁的表面 3 1 。此外，镁及镁 合金还具有优良的导热性能、电磁屏蔽能力、无污染和可回收利用等优点1 4 1 。因 而在汽车【5 1 0 】、电子 14 1 、航天航空和国防军事3 2 , 1 【，1 1 5 - 1 刀等领域已获得应用， 而且应用前景广阔( 如图1 1 所示) ，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类 金属结构材料，被称之为2 1 世纪的绿色材料18 , 1 9 1 。镁不仅有许多优良性能，且资 源丰富，约占地壳质量的2 t 烈“。我国是镁资源大国，储量世界第一【2 l 】，目前我 国原镁产量居世界首位，且处在高速增长中( 如图1 2 所示) ，其中年产量8 0 以 上的镁被出口，国内镁的应用较少。因此，我国需要进一步加强镁产业的发展。 图1 1 镁合金在汽车、电子业中的应用 图1 2 2 0 0 5 一- 2 0 1 2 年我国镬合金行业产品产量走势预测 第l 章引言 1 2 镁合金塑性变形的研究进展 1 2 1 镁合金的塑性变形机理 关于镁合金的塑性变形机理不甚清楚，至今尚未有能完整解释所有温度区 间和应变速率下镁变形行为的理论，很多解释变形行为的理论模型也不尽相同。 从已公布的数据来看，试验结果与其解释亦不一致。综合现有文献，主要有以 下三种观点1 2 2 j ： 1 ) 位错攀移机理 早期的研究将位错攀移作为控制变形的机理。文献【2 3 】报道了相对较高的应 力指数和塑性变形激活能，并对试验数据提出一些原创性解释。但有人认为高 应力指数和激活能是由弥散氧化物粒子引起的。在高温下，e d e l i n 和p o i r i e r 得到了 比自扩散激活能高的激活能，认为这是非基面滑移激活能增加所导致的结果， 并得到了n = 2 7 的低应力指数。 2 ) f r i e d e l 交滑移模型 i 妇v a g a r a l i 和l a n g d o n 提出。该模型指出，在应力作用下，基面上分解的a 位错 可以在一个足够长的范围内重新结合，以便能够在棱面上滑移，即交滑移。具 有刃型分量的位错通过交滑移在棱面上滑移，直至穿过整个晶面，与正负相反 的位错结合或遇到阻滞。这种阻滞如果在螺型位错附近发生，则螺型位错自动 分解为基面上的分量，以降低能量。进一步的滑移需要基面上的刃型分量的不 断重新组合，以便在棱面上形成螺形位错1 2 3 。 3 ) f r i e d e l - e s c a i g 机理 根据f r i e d e l e s c a i g 机理，在4 2 3 - - - - 6 2 3 k 时，镁合金塑性变形由交滑移控制。 用原位试验数据所计算出的微观激活能数据与理论预测值相一致。与此同时， c o u r e t 和c a i l l a r d l 2 4 l 指出，高温下是由不同的机理来控制变形的。后来，c o u r e t 等采用改进的f r i e d e l 模型得出如下结论：即使在高温下，f r i e d e l 机理也几乎不可 能实现，热变形的惟一可能机理是f r i e d e l - e s c a i g 交滑移机理。 总之，低温时，镁合金的变形机制主要是基滑移和协调变形的孪晶；而中 高温时，系统启动了棱面滑移系和锥面滑移系，伴随有交滑移的产生。在高温 时，位错攀移也参与了变形。 j： ! t 2 第l 章引言 1 2 2 镁合金的塑性变形研究 1 ) 镁合金的轧制成形 轧制是镁合金板材的主要生产方法。铸造成平面形状且有圆形边缘的镁锭 可用来进行厚板和薄板( 见图i - 3 ) 车l n 。一般镁合金厚板厚度为1 1 0 - - 7 0m m ，薄 板厚度为o 8 l om m 。根据合金的加工性能、工艺和技术条件不同，生产镁合 金板材的坯料有挤压或锻造扁坯和直冷连续铸锭。 图i - 3 镁合金轧制薄板 由于镁合金板进行轧制加工，其变形模式属于两向延伸，单向压缩，限制了 镁合金塑性能力的发挥。因此镁合金在室温轧制比较困难，一般的镁合金轧制 都采用热轧和温轧。传统的镁合金板材的轧制工艺：采用半连续铸造扁锭热轧 开坯，或是挤压、锻造开坯，然后热轧或温轧成各种规格的板材【”l 。 2 ) 镁合金的锻造成形技术 镁合金可以锻造成不同的尺寸和形状( 见图1 4 ) ，其产品的尺寸主要决定予 锻造设备的规格。镁合金和铝合金的锻造成形技术基本相同，但存在以下几方 面的差异【2 2 1 ：高温下镁合金的表面摩擦因数较大，流动性差，粘附力大，充 填较深的垂直模孔较为困难；由于镁合金锻造温度范围较窄，镁合金导热系 数较大( - - - 8 0 wi m ) ，锻造时接触模具后降温很快，塑性降低、变形抗力增加、 充填性能下降。因此，镁合金锻造时应避免与温度较低的模具接触，要预热锻 模；镁合金对变形速率敏感，即变形速率增大时塑性显著下降，一些较复杂 的镁合金锻件需多次成形，同时为避免晶粒长大，应逐步降低各次的锻造温度。 图l - 4 锻造技术生产的镁合金自行车部件 7 3 第1 章引言 3 ) 镁合金的挤压技术 所谓挤压，就是对放在容器( 挤压筒) 中的锭坯一端施加压力，使其通过模孔 成形的一种压力加工方法。镁合金可以挤压成各种板材、棒材和型材( 见图1 - 5 ) 。 镁及镁合金为密集六方晶格，这就决定了这类金属不易进行压力加工与成型加 工，因为它们在室温下变形时，滑移仅产生于基面 o o o l 】且在原子最密排的 方向上。但当温度高于2 2 5 c 时会产生新的滑移系，即会增加棱锥面 1 0 1 1 】 与 方向组成的滑移系。所以，镁合金在2 2 5 以上还是有相当高的塑性。 孤蠢，x 刀 麓影镳了 图l 一5 镁合金挤压型材 目前，热挤压是变形镁合金最主要的塑性加工方法。与变形铝合金的挤压 加工一样，变形镁合金可采用正向挤压也可以采用反向挤压，可用单动挤压机 也可以用双动挤压机( 如图1 - 6 a 所示) ，可用卧式挤压机( 如图1 - 6 - b 所示) 也 可用立式挤压机挤压管、棒、型、线材。一般来说，凡是用于挤压铝合金制品 的挤压机和挤压方法基本适用于挤压镁合金制品，只不过工艺参数和配套设备 有所差异而已。 ( b ) l ，一：易j “ ， 7 7 幺溉i 磊么，蠢施：黪澎 图1 _ 6 双动挤压机( a ) 和卧式挤压机( b ) 同锻造、轧制工艺相比，通过挤压方法生产镁合金产品具有以下优势2 6 】： ( 1 ) 挤压具有比锻造、轧制更为强烈的三向压应力状态，金属可以发挥其最 大的塑性。这对于塑性变形能力较差的镁合金来说尤为重要。8 通过挤压工艺， 4 第1 章引言 可有效细化镁合金的晶粒组织，提高合金的强度和塑性； ( 2 ) 挤压法工艺具有极大的灵活性，操作方便，在一台设备上仅需更换模具 即可生成各种板、管、棒、型材，使各种形状产品可在一道工序成形。挤压产 品品种多，规格全，适合现代市场要求的多品种、小批量、短周期的生成方式； ( 3 ) 产品尺寸精度高，表面质量好。 4 ) 新型镁合金塑性变形工艺 。 通过强塑性变形( s p d ) s e 艺来细化合金的晶粒已经成为研究的热点鲫。相对 传统的塑性变形工艺而言，s p d 技术的设计目的是，在变形过程中保持坯料的外 形基本不变，在不改变材料外形尺寸的基础上对材料施加大的塑性变形，从而 可达到的应变不受材料外形的影响。材料经过强塑性变形可获得大的塑性变形， 细化晶粒组织，s p d 技术能制备的最小晶粒尺寸为亚微米的尺寸水平。大多数 s p d 过程实质上是一种循环的变形过程，但通常会有变形路径的变化。近2 0 年 来开发了几种s p d 技术来制备具有超细晶组织的块材和板材【2 引，如等通道挤压 ( e c a e p ) 、高压扭转( h p t ) 等技术用于制备块体材料的超细晶组织；反复弯曲和 矫直工艺( r c s ) 、等通道挤压轧制( e c a p r o l l i n g ) 、累积叠车l ( a r b ) 和连续剪切 变形( c o n s h e a r i n gp r o c e s s ) 等技术用于制备具有超细晶组织的板带材。各种s p d 技术2 7 3 0 】的原理见图1 7 。 鲁寓 硇 ( d ) r 8 e ) 腻 图l 一7 几种强塑性变形工艺原理示意图 1 2 3 镁合金热挤压的研究现状 一一挤压王萃参数对于镁合金挤压岳的组织和性能有很大影响。镁合金的挤压 s 狐 弗 一 蝣矿 篷 第1 章引言 工艺参数一般有挤压温度、挤压比以及挤压速度。目前对a z 3 1 镁合金进行等温 挤压的研究比较多。张治民【3 1 】等研究了挤压温度对a z 3 1 镁合金组织和力学性能 的影响。研究表明：随着变形温度的升高，在相同变形程度下晶粒有长大的趋 势，而抗拉强度增量下降。王强【3 2 1 研究了坯料温度对a z 3 1 镁合金反挤压成形的 影响。实验结果表明：a z 3l 镁合金在3 0 0 - - 4 0 0 范围内反挤压，随变形温度的 升高，挤压变形力呈现下降的趋势；而t ( 坯料温度的不均匀度) 的增大，使得挤 压件表面质量变差。外表面出现垂直于挤压方向的横向裂纹；随变形温度的降 低，挤压件晶粒逐步细化，硬度上升。 周海涛等【3 3 】研究了挤压比对a z 3 1 镁合金的影响。结果表明：在挤压比较大 时，屈服强度和抗拉强度分别为l1 7 m p a 牙 1 2 5 4 m p a ，伸长率为1 6 。翟秋亚等p 4 j 利用5 0 0 t 挤压机研究了挤压变形对a z 3 1 镁合金组织和性能的影响。结果表明： 挤压变形可以显著的细化镁合金晶粒并提高镁合金的力学性能。随着挤压比的 增大，晶粒细化程度增加，晶粒尺寸有铸态的4 0 0 u m 减小到挤压态的1 2 u m ，强 度和硬度随挤压比的增大而增大，伸长率在挤压比大于1 6 时呈单调减小的趋势。 m u r a i 等人【3 5 1 对a z 3 1 镁合金挤压棒材研究表明：铸态直接挤压的镁合金挤压棒表 层晶粒比中心晶粒的细小，再结晶晶粒的取向并未与挤压方向保持一定的方向 性。挤压前，其晶粒尺寸约7 0 9 m l 挤压后，挤压棒表层晶粒得到细化，而心部 部分晶粒仍然保持其初始形态，部分则沿挤压方向被拉长。当挤压比达到1 0 时， 挤压棒材心部也发生了动态再结晶，并且随着挤压比的增大，其表层晶粒进一 步得到细化。当挤压比达到l o o 时，心部晶粒也得到了细化。 挤压速度对变形抗力及塑性的影响决定于硬化于软化过程之间的相互关 系。增大变形速度，变形引起的热效应会使坯料的温度升高，从而使流变应力 明显降低；但变形速度增大到一定值后。虽然金属温度还会随之升高，但由于 加工硬化速度比再结晶软化速度快，金属的流变速率会明显增大。因此，挤压 过程中必须严格控制挤压速度。挤压速度过快，制品表面会出现麻点、裂纹等 倾向，同时还会增加金属变形的不均匀性。汪凌云等p 6 j 研究了挤压速度对a z 3 1 镁合金晶粒大小的影响。结果表明a z 3 1 镁合金对挤压速度特别敏感。 澳大利亚b a m e t t 等人1 3 7 1 研究了铝含量对镁合金挤压成形极限的影响。大大 加快了变形镁合金的应用，拓宽了镁合金的应用范围。北京科技大学的李鹏喜 等人【3 8 1 研究了变形工艺对a z 3 1 镁合金薄板组织及力学性能的影响。将不同厚度 的a z 3 1 b 镁合金薪压坯经多道次和单道次两种轧制工艺制备成厚度约为l m m 的 6 第1 章引言 薄板、x r d 结果表明，轧板出现了明显( o 0 0 1 ) 面织构。挤压和轧制过程中的大 变形促使了再结晶的发生，进而形成了细小且均匀的显微组织。 华南理工大学的刘英等人【3 9 】采用模角为1 2 0 0 的模具，研究了等通道转角挤 压后a z 3 1 镁合金的微观结构与性能，并对挤压过程中各道次试样的微观结构及 性能进行了分析测试。结果表明：随着挤压道次的增加，晶粒得到不断细化， 力学性能也发生显著的变化：当挤压1 2 道次时，总的等效应变量约为8 ，晶粒得 到显著细化，晶粒尺寸为1 - 5 b i n ，但合金的抗拉强度变化不大，屈服强度则有所 下降，约为1 0 0 m p a ，延伸率则提高了4 5 以上。 另外，晶粒尺寸对镁合金的变形机制和力学性能有一定的影响。有研究表 明，变形后的晶粒尺寸可以影响镁合金的变形机制，晶粒细化不仅能提高镁合 金的的强度和塑形，而且可以导致高应变速率超塑性和低温超塑形h 。b a r n e t t 等人【4 1 发现变形后的晶粒尺寸对镁合金中变形机制重要影响，随着晶粒尺寸的 减小，镁合金的变形机制由孪生向滑移转变，在转变过程中，加工硬化程度下 降。变形时以孪生机制为主的镁合金峰值应力比滑移为主时要高1 0 0m p a 。因此， 研究原始坯料的晶粒尺寸对a z 3 1 镁合金热变形组织的演变具有一定的意义。 1 3 镁合金热压缩研究 i、，。： ： 。 。 描述金属流动过程的通式可以用以下方程： = f ( o - , t ，s i ，p f ) 来描述【4 2 1 。该式反应了流变应力a ，温度t ，状态参数s ，和材料特性参数p ，对 应应变速率g 的影响。 对镁合金进行热压缩实验能够获得材料的应力和应变特性，通过对应力、应 变以及温度的研究，有助于更好的了解镁合金的塑性流变行为。h t a k u d a 、 m r b a r n e t t 、郭强、黄光胜等人【4 3 - 4 6 1 对镁合金热压缩进行了研究，结果表明： 动态回复与动态再结晶仍然是a z 3 1 镁合金热压缩变形时的主要软化机制，材料 的热变形激活能在9 2 - - 1 3 5 k j m o l 范围内，应力指数n 在6 7 的范围内，通过应 力应变数据求的了材料的本构方程。 7 艨一 第1 章引言 1 4 镁合金数值模拟研究 1 4 1 数值模拟技术的发展 本世纪七十年代以来，随着计算机及计算技术的迅猛发展，以有限元为代表 的数值模拟方法在塑性加工领域中得到了广泛的应用。有限元数值模拟中关键 技术的成功处理和试验条件同模拟技术的有效结构，使塑性加工领域中的有限 元分析技术从理论研究走向了实际生产应用。随之产生了相应的商品化分析软 件，d e f o r m 即为其中之一【4 川。 d e f o r m 是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关 工业的各种成形工艺和热处理工艺。二十多年来的工业实践清楚地证明了基于 有限元法d e f o r m 有着卓越的准确性和稳定性，模拟引擎在大金属流动，行程 载荷和产品缺陷预测等方面同实际生产相符保持着令人叹为观止的精度。 d e f o r m 功能非常强大，主要可以进行两方面的分析【4 研： 1 ) 成形分析：冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析，提供材料流动、模 具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息；丰 富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钛合金等，用户还可自行输入材料数 据；刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析，弹塑性 材料模型适用于分析残余应力和回弹问题，烧结体材料模型适用于分析粉末冶 金成形；完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤一l 成形、螺旋压力成形 和机械压力成形；温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后 处理简单明了。 2 ) 热处理：模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程；预测硬 度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量；可以输入顶端淬火数据来预测最终产品 的硬度分布。 1 4 2 基于d e f o r m 数值模拟的研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，数值模拟技术己日趋成熟，大大提高了模拟分析的精 度。目前，许多研究者利用d e f o r m 对材料的塑性变形进行了研究。林高用等 【4 9 l 采用d e f o r m2 d 对纯铜管热挤压过程进行了模拟，研究发现随着挤压速度 的提高，变形材料内部的温升和等效应变速率明显提高；等效应力是先提高， 丽在京遮挤压对又下降；等效应变则无明显变化。运新兵等【5 0 】j i l 异型铜带连续 8 第l 章引言 挤压过程进行了数值模拟研究，结果表明：采用常规连续挤压工装模具结构会 在产品横截面上产生很大的速度差，中间流速快，两边流速慢。通过对模腔结 构的优化设计，使金属流动趋于均匀。试验结果与数值模拟结果吻合良好。林 高用等【5 1 1 对铝合金的挤压过程进行了数值模拟，通过对挤压过程的材料流动速 度场、应力场和温度场分布图，以及金属的流动过程进行分析，结果表明：通 过模拟可以优化模拟设计，使挤压过程中金属流动趋于均匀。谭敦强等【5 2 】模拟 了喷射沉积耐热铝合金管材挤压过程中的应力场、应变场、致密度以及挤压力 的变化情况。结果发现，挤压初期为压实阶段，挤压力增加缓慢；随着挤压过 程的不断进行，从挤压尾部到挤压头部，管坯的致密度呈阶梯式增加，等效应 变、应力和应变速率的变化规律与致密度相类似；在挤压变形区应变、应力和 应变速率变化剧烈；挤压后的管材为致密材料，计算机模拟结果与实验结果基 本相符。l i a n gs j 等1 5 3 j 对a z 3 1 镁合金的挤压力、温度场进行了模拟。结果发现， 模拟结果和试验结果吻合良好。r e nl m 等【5 4 l 对a z 3 1 镁合金的冲压进行了模拟， 发现模拟与试验结果基本吻合。 一 一 1 5 存在的问题及展望 ： + ：二 1 5 1 镁合金技术及应用存在的问题及展望 、- ，、 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，高性能镁合金材料仍 依靠进口。研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料显得十分重要。 要扩大变形镁合金的应用水平，有必要在如下方面进一步进行深入的研刭5 5 】： ( 1 ) 研究镁合金铸造技术。镁合金铸锭的质量好坏是改善镁合金塑性变形性 能的必要基础，是开发变形镁合金的关键。 一4 - j ：一 t ： ( 2 ) 深入研究镁合金塑性变形工程中的变形机制，合理控制变形工艺。 ( 3 ) 研究变形镁合金新型塑性加工技术，如强塑性变形技术的研究。 。 1 5 2 数值模拟存在的问题及展望 ， 数值模拟技术虽然已经日趋成熟，但仍然存在以下问题： 1 ) 模