AZ80镁合金旋转挤压成形中内部空洞型缺陷演化规律研究

摘要

镁合金作为最轻的金属结构材料，在国防军工、航天航空以及电子通讯等工业领域有着举足轻重的作用。然而，镁合金的铸造过程导致材料内部存在空洞型缺陷，这种缺陷直接破坏了金属的连续性，在后续塑性成形过程中容易形成应力集中或裂纹损伤，进而使镁合金产品的疲劳寿命缩短、力学性能下降。因此，制定合理的变形工艺，促使空洞型缺陷闭合，对生产服役性能良好的镁合金产品具有重要意义。旋转挤压作为一种新型的塑性成形工艺，具有提高变形体内部静水应力、获得剧烈塑性变形等优点，为修复空洞型缺陷创造了有利的力学条件。本文以AZ80镁合金为对象，研究该材料在旋转挤压成形中内部空洞型缺陷的演化规律，讨论影响空洞闭合的因素，建立在该变形方式下的空洞演化模型，并通过实验验证演化模型的正确性。 在阐述旋转挤压成形工艺和原理的基础上，对成形过程中各区域的应力、应变分布进行讨论;成形过程中，变形区处于强压剪应力状态，可大幅度提高金属的性能;由于凸模的旋转运动，变形体内部形成高应变累积的区域，形变强化效果更加显著。 针对AZ80镁合金旋转挤压成形中内部空洞型缺陷的有限元仿真问题，提出体胞法，并利用Deform-3D数值模拟软件构建有限元宏观模型和体胞模型。确定空洞初始位置、初始形状和初始大小为影响空洞演化的内在因素，采用控制变量法设计实验，分析内在因素对空洞演化的影响;确定挤压速度、旋转速度、变形温度和摩擦系数为影响空洞演化的外在因素，设计正交实验，剖析外在因素对空洞演化的影响。分析结果表明，空洞初始位置、空洞初始形状、挤压速度以及旋转速度对空洞演化具有显著影响;空洞初始大小、变形温度以及摩擦系数对空洞闭合几乎没有影响。同时分析空洞闭合过程发现，空洞初始形状不同，空洞形状在变形过程中呈现不同的演变规律。 基于损伤力学的研究方法，推导出基体材料为理想刚塑性体时的空洞体积与宏观力学量场的一般关系，发现宏观等效应变和宏观应力三轴度对空洞闭合具有积极作用。分析处理数值模拟结果，将空洞体积与宏观力学量场的关系明确化，回归得到AZ80镁合金旋转挤压成形的空洞演化模型。分析空洞演化模型，发现高的应力三轴度水平和大的等效应变有利于空洞闭合;随着等效应变的增大，应力三轴度对空洞演化的影响逐渐减小。同时发现，球形空洞在该变形方式下发生闭合的力学条件为等效应变至少达到0.75。 采用Gleeble3500热模拟实验机对设有空洞的AZ80镁合金进行旋转挤压实验，剖析实验结果发现，挤压速度、旋转速度和空洞初始位置对空洞演化的影响趋势与通过数值模拟得到的影响趋势一致，且由实验和演化模型得到的空洞相对体积误差较小，验证了数值模拟的可靠性和空洞演化模型的有效性。