挤压—剪切细晶强化后镁合金AZ61组织和性能的研究

摘要

挤压-剪切(Extrusion-Shear)工艺(简称ES)是将传统挤压和等径角挤压(ECAE)工艺结合起来的新开发的大变形加工技术。本文主要研究了镁合金经ES变形后微观组织转变及变形后的室温力学性能及织构变化,分析了经过不同变形方式、不同变形温度、ES模具转角不同以及初始的材料状态不同时对材料组织和性能的影响规律,不同变形方式对AZ61镁合金织构变化的影响。同时采用有限元分析软件DEFORM-3D进行ES变形的模拟分析,分析了ES变形时应力场、应变场、温度场的分布规律,弥补了实际挤压变形时不可捕捉的微观因素的分析,为分析ES变形机理提供了极大方便。
　　整个实验过程均选用AZ61镁合金作为研究对象。采用金相显微分析(OM)方法,并借助Image-ProPlus5.0软件对挤压后的镁合金的显微组织及晶粒尺寸进行了观察、计算及分析,讨论不同变形方式和不同变形温度对挤压后的组织的影响规律;对试样进行室温力学性能测试及硬度测试,探讨ES成型后AZ61镁合金的力学性能变化情况;采用有限元软件对ES变形技术进行了有限元模拟分析,对ES变形过程中材料的畸变规律、应力应变分布及应变速率变化进行了初步探讨,并通过有限元分析深入了解温度因素对变形能力及材料性能的影响规律。我们分析讨论结果如下:
　　设定温度为250℃,300℃,350℃和400℃,应变速率分别为0.001s-1,0.01s-1,0.1s-1和1s-1,应变量设置为0.9进行Gleeble-1500D热模拟,得到镁合金AZ61塑性变形时本构方程:
　　AZ61镁合金经ES变形后,晶粒得到明显细化,经ES热挤压变形后,合金的室温强韧性同时得到明显改善。并且DEFORM-3D模拟显示,随着挤压的进行,等效应变增加,且应变分布趋于均匀化。
　　在380、400、440℃温度下经过相同ES模具相同挤压比条件下进行挤压_剪切变形后,发现在温度400℃时可获得细小均匀的组织及较好的综合力学性能,440℃下变形时,合金的晶粒明显长大。
　　对ES变形后位于模具不同部位的材料进行取样研究,发现材料从模具的挤压变形区至二次剪切区时,随着挤压的进行晶粒逐步得到细化,模具两次转角的剪切作用效果显著;当坯料进入二次剪切区后至挤出时,坯料组织出现稍微长大现象,性能下降,分析是由于挤压剪切变形引起的温度升高造成的。
　　铸态AZ61经过ES变形后,相比同条件下的普通挤压变形,普通挤压后由于材料在单方向的重复受力,材料的基面滑移产生了明显的基面织构。而挤压-剪切削弱了{0002}基面织构的主导地位,使得基面和非基面织构共存,多种类型织构共同作用,有利于提高材料的综合性能。
　　DEFORM-3D模拟显示,材料变形时边部畸变较心部畸变严重,这和材料与模具的摩擦及变形时金属流动方向有关,对ES变形时不同部位的应变进行点追踪进行具体分析,模拟结果和实验结果一致。模拟时温度对变形时挤压力的影响规律与实验情况一致,即三个温度条件下ES变形时随着温度的升高挤压力变小。

目录

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1绪 论

1.1 概述

1.2 变形镁合金

1.3 挤压成形技术

1.4 镁合金普通挤压工艺研究

1.5 镁合金等径角挤压研究

1.6 EX-ECAP复合工艺

1.7 镁合金的动态再结晶

1.8 有限元法

1.9 课题研究内容、目的及意义

1.10 本章小结

2 实验过程及内容

2.1 技术路线

2.2 ES挤压模拟

2.3 ES挤压实验

2.4 拉伸试验

2.5 金相实验

2.6 硬度试验

2.7 晶粒尺寸测量

2.8 X射线衍射分析实验（XRD）

2.9 扫描电镜及能谱分析实验（SEM/EDS）

2.10本章小结

3 热压缩实验

3.1 实验条件

3.2 实验结果

3.3 本构关系的建立

3.4 本章小结

4 420℃挤压变形微观组织与性能研究

4.1 ES变形微观组织

4.2 ES变形与普通挤压

4.3初始状态不同

4.4物相分析

4.5 织构变化

4.6 本章小结

5 ES变形微观组织与性能分析

5.1 不同变形温度

5.2 不同部位

5.3 不同初始状态

5.4 织构测试

5.5 本章小结

6 模拟挤压的有限元分析

6.1 AZ61模型的建立

6.2网格的变形行为

6.3应力分析

6.4应变分析

6.5应变速率分析

6.6本章小结

7 结 论

致谢

参考文献

附录