Mg-Al-Ca-Sr镁合金热挤压组织演变及表面开裂仿真研究

摘要

Mg-Al-Ca-Sr镁合金因其加入的是廉价的碱土元素Ca和Sr，既能降低生产成本又能提高合金的性能，且能满足汽车轻量化及节能减排的要求。因Mg-Al-Ca-Sr镁合金在室温下成形性较差，对该合金开展热变形研究，可以帮助解决合金在工业上应用的成形性和组织控制的相关问题，为该合金热成形工艺的制订提供指导。
　　本文以Mg-Al-Ca-Sr镁合金为研究对象，采用物理模拟和数值模拟相结合的方法，开展对该合金热成形行为、组织演变及热挤压开裂预测的研究。采用热压缩实验，获得了该合金的流变应力曲线，建立了该合金的热加工图，并结合热加工图探讨了合金的热变形行为和显微组织演变；建立了Mg-Al-Ca-Sr镁合金基于动态再结晶的材料本构模型，并对该合金的热压缩和热挤压过程中组织演变进行了预测：结合有限元方法，采用经验公式和不同断裂判据对Mg-Al-Ca-Sr镁合金热挤压过程中的开裂现象进行了系统分析。通过与实验结果对比分析，对以上模拟预测结果的可靠性进行了验证。得到的主要结论如下：
　　对加工图分析表明，应变量对于功率耗散图中各区域影响程度不同，在高温低应变速率条件下，其功率耗散效率变化较小；在高温高应变速率条件下，其功率耗散效率明显减小。随变形温度的升高和应变速率的降低，材料功率耗散效率逐渐提高。Mg-Al-Ca-Sr合金变形失稳的主要原因是在变形过程中的局部流变以及在再结晶区域所引起的裂纹。Mg-Al-Ca-Sr合金经挤压后，其晶粒尺寸较铸态有明显的细化，合金力学性能有明显的提高，挤压速度和挤压温度对于合金组织及性能有较大的影响，如要获得较细小的晶粒及较高的合金强度，挤压加工需选择在较低的温度(<350℃)和较低的速度下(<2.7mm/s)进行挤压。
　　采用K-M位错密度模型对Mg-Al-Ca-Sr镁合金热压缩模拟实验得到的流变应力曲线数据进行处理，求出了改进的L-J位错密度模型中的应变硬化参数和应变软化参数，确立了该镁合金基于动态再结晶的本构模型。基于DEFORM3D有限元软件平台，采用元胞自动机法对Mg-Al-Ca-Sr镁合金热挤压过程中显微组织变化进行了有限元模拟与预测，其结果与实验吻合良好。
　　在有限元模拟软件对Mg-Al-Ca-Sr镁合金型材热挤压模拟中，采用Cockcroft& Latham判据、Normalized Cockroft and Latham判据、Brozzo判据和Freudenthal判据，以及Z参数(考虑变形初始温度和应变速率)法，对Mg-Al-Ca-Sr合金热挤压型材表面开裂现象进行预测分析，研究结果表明Z参数法能较好的预测挤压过程中的型材的表面质量情况，因为该方法较全面地考虑了变形温度和应变速率对开裂的影响。其余四种判据对Mg-Al-Ca-Sr镁合金型材热挤压开裂问题的预测有一定局限性。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 Mg-Al-Ca系镁合金研究现状

1.2.1 Mg-Al-系合金

1.2.2 Mg-Al-Ca(Sr)合金

1.3 镁合金热成形研究现状

1.3.1 本构模型

1.3.2 再结晶数学模型

1.3.3 镁合金在变形过程中微观组织演化

1.4 镁合金塑性成形技术

1.4.1 镁合金塑性成形

1.4.2 镁合金成形数值模拟技术

1.5 本文研究内容

第2章 材料及实验方法

2.1 实验材料

2.1.1 合金的成分

2.1.2 固溶处理

2.2 热压缩实验

2.3 热挤压实验

2.4 合金组织观察及性能测试

2.4.1 金相组织观察(OM)

2.4.2 常温拉伸实验

2.4.3 扫描电镜观察(SEM)

2.4.4 电子背散射衍射(EBSD)

第3章 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热加工图的创建及在热挤压加工中的应用

3.1 Mg-Al-Ca-Sr镁合金的热压缩行为

3.1.1 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热压缩变形流变应力曲线

3.1.2 变形温升对应力应变曲线的影响

3.2 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热加工图

3.2.1 加工图的理论基础

3.2.2 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热加工图的绘制

3.2.3 热加工图的分析与应用

3.3 热加工图在挤压中的应用

3.4 本章小结

第4章 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热挤压变形行为及组织模拟研究

4.1 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热挤压组织及力学性能

4.1.1 Mg-Al-Ca-Sr镁合金显微组织

4.1.2 挤压出口温度分析

4.1.3 Mg-Al-Ca-Sr镁合金力学性能

4.2 基于动态再结晶Mg-Al-Ca-Sr镁合金本构模型的建立

4.2.1 Mg-Al-Ca-Sr镁合金再结晶本构模型的建立

4.2.2 再结晶参数的求解

4.2.3 硬化参数和软化参数的求解

4.2.4 再结晶形核

4.2.5 晶粒长大

4.3 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热挤压组织模拟

4.3.1 镁合金微观组织模拟

4.3.2 Mg-Al-Ca-Sr合金热成形组织模拟条件

4.3.3 Mg-Al-Ca-Sr合金热挤压组织模拟结果与分析

4.4 本章小结

第5章 Mg-Al-Ca-Sr镁合金热挤压表面开裂分析及有限元预测研究

5.1 挤压过程断裂模拟模型的建立

5.1.1 断裂判据

5.1.2 塑性边界条件

5.1.3 热传导

5.1.4 有限元方程求解

5.2 热挤压开裂模拟与分析

5.2.1 热挤压模拟条件

5.2.2 挤压力分析

5.2.3 挤压出模口温度分析

5.2.4 基于经验公式的热挤压开裂分析

5.2.5 基于断裂判据的热挤压开裂分析与讨论

5.3 本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文与学术活动