复合能场铸轧AZ31B镁合金流变成形及后续退火工艺研究

摘要

镁合金因其低密度、高比强度和高比刚度、优异的电磁屏蔽性等优点，已广泛应用于交通工具、电子电器工业、冶金、航空航天、国防军工等领域中，因此被称为“21世纪绿色结构材料”。镁合金的铸轧工艺具有快速凝固、节能、低成本等特点，在铸轧成形过程中引入电磁超声等外场可获得超细晶粒组织，改善合金塑性。本文借助于大型仿真软件ANSYS，建立有限元模型并施加边界条件，对AZ31B镁合金电磁超声铸轧过程的温度场和流场进行了模拟仿真。同时研究了退火对镁合金铸轧板后续加工性能的影响，主要研究内容及成果有:
　　 (1)简述了电磁场、超声波及电磁超声复合能场的基本理论，以及探讨了外场对镁合金铸轧实验过程的作用机理。
　　 (2)建立了镁合金铸轧过程的三维有限元模型，并对其铸嘴内腔施加分流块前后的流场进行模拟仿真，获得在铸嘴内腔施加分流块后，熔体的流场分布。
　　 (3)建立了电磁场三维有限元模型，施加电磁边界条件，模拟出磁感应强度及洛伦兹力在熔体中的大小及分布;并叠加超声波振动的边界条件，得到不同铸轧参数下电磁超声熔体的温度场和流场分布。对比分析知:电磁感应的洛伦兹力使熔体在流动过程中产生一个水平速度分量，增加了其与周围的换热强度，超声波的振动分流及声流搅拌促使熔体出口速度更均匀，进而使冷却区变窄，铸造区及轧制区变长，板材的力学性能提高，其出口温度相对降低。电磁超声作用下的前箱温度应合理控制在695℃～705℃，其速度为2.2m/min～2.6m/min。
　　 (4)对AZ31B镁合金普通铸轧板与电磁超声铸轧板进行了不同温度、不同时间的退火处理。通过金相组织、力学性能、能谱分析及硬度测试等一系列实验，得出普通铸轧板的开始再结晶温度为300℃，而电磁超声铸轧板的开始再结晶温度为250℃;在250℃×4h内，两种铸轧板均未完全再结晶;而在300℃×4h时，普通铸轧板与电磁超声铸轧板其晶粒度分别为14μm～19μm和8μm～13μm，电磁超声铸轧板的析出相较普通铸轧板更充分弥散到基体中，而且电磁超声铸轧板的硬度、抗拉强度、屈服强度和延伸率比普通铸轧板分别提高了4.7％，17.2％，34.1％，74.6％;在400℃时，铸轧板晶粒均异常长大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

引言

1．1 镁及镁合金

1．1．1 概述

1．1．2 镁的基本特性

1．1．3 镁的合金化

1．2 镁合金的热处理

1．2．1 镁合金热处理的主要类型

1．2．2 镁合金热处理缺陷

1．2．3 镁合金热处理质量的检测

1．3 镁及镁合金的主要应用领域及前景

1．3．1 工业纯镁的用途

1．3．2 镁合金在工业中的主要应用领域

1．4 镁合金的主要成形技术

1．4．1 常规铸造成形

1．4．2 压铸成形

1．4．3 触变成形

1．4．4 挤压成形

1．4．5 锻造成形

1．4．6 板材生产

1．5 镁合金的半固态铸轧技术

1．5．1 半固态加工技术

1．5．2 连续铸轧技术

1．5．3 镁合金的半固态铸轧技术

1．6 电磁/超声加工技术

1．6．1 电磁加工技术

1．6．2 超声波加工技术

1．7 本文的课题来源、研究背景及意义和主要内容

1．7．1 课题来源

1．7．2 研究背景及意义

1．7．3 主要内容

第二章 电磁场和超声波的基础理论

2．1 电磁场的基本理论

2．1．1 电磁学的实验规律

2．1．2 Maxwell场方程组

2．1．3 电磁场分析中常见的边界条件

2．2 超声波的理论基础

2．2．1 传播速度

2．2．2 声压、声强和声阻抗

2．3 电磁/超声在镁合金铸轧过程中的传播特性

2．3．1 电磁场在镁合金铸轧熔体中的作用机制

2．3．2 超声波能场在镁台金铸轧熔体中的作用机制

2．4 本章小结

第三章 镁合金电磁超声铸轧温度场和流场有限元模拟

3．1 有限元模拟的基本理论

3．1．1 有限元数值方法概述

3．1．2 ANSYS功能简介

3．1．3 FLOTRAN CFD分析的求解过程

3．2 传热学基本知识

3．2．1 对流换热

3．2．2 导热

3．2．3 热辐射

3．3 镁合金铸轧熔体流场的基础理论

3．3．1 基本微分方程组

3．3．2 铸嘴内镁合金熔体的流态判定

3．4 电磁场有限元仿真

3．4．1 ANSYS中的电磁场分析方法

3．4．2 电磁场仿真单元

3．4．3 电磁场有限元模型建立

3．4．4 电磁场仿真计算结果及分析

3．4．5 仿真结果的验证

3．5 镁合金电磁超声铸轧三维温度场和流场的有限元模拟

3．5．1 基本假设

3．5．2 物理模型及网格划分

3．5．3 关键问题的处理及边界条件的确定

3．6 镁合金铸轧流场及温度场的仿真结果

3．6．1 镁合金普通铸轧与电磁超声铸轧的流场仿真对比

3．6．2 镁合金普通铸轧与电磁超声铸轧的温度场仿真对比

3．6．3 不同工艺参数对镁台金电磁超声铸轧三维温度场的影响

3．6．4 仿真结果的验证

3．7 本章小结

第四章 AZ31B镁合金铸轧板材的后续退火实验研究

4．1 实验目的

4．2 实验方案

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验方法

4．2．3 实验设备

4．3 金相组织

4．3．1 金相试样的制备

4．3．2 铸轧板的细观金相组织

4．3．3 退火工艺对AZ31B镁合金铸轧板细观金相组织的影响

4．4 析出相扫描

1．4．1 扫描试样的制备

4．4．2 退火工艺对AZ31B镁合金铸轧板析出相的影响

4．5 拉伸性能

4．5．1 拉伸试样的制备

4．5．2 退火工艺对AZ31B镁合金铸轧板力学性能的影响

4．6 硬度测试

4．6．1 硬度试样的制备

4．6．2 退火工艺对AZ31B镁合金铸轧板硬度的影响

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果

参与课题

公开录用和发表的学术论文