镁合金挤压成形晶体塑性-动态再结晶集成计算模型

摘要

镁合金是最轻的金属工程结构材料，在航空航天、汽车、电子工业界中有广泛的应用前景。热挤压成形是变形镁合金的重要加工技术，而动态再结晶是挤压成形中的重要物理过程和变形机制。动态再结晶可以软化材料、提高塑性，同时也会引起材料微观组织和织构特性的变化，进而影响挤压零件的机械性能。将宏微观研究方法相结合，建立热变形与动态再结晶过程的理论计算模型，研究热成形中的动态再结晶机制及其与变形条件、合金成分、织构演化之间的关系，对于镁合金变形理论与热成形工艺的发展而言具有重要意义。
　　本文以Mg-Al、Mg-Y合金为对比研究对象，采用实验测试和数值模拟相结合的方法，围绕镁合金在挤压过程中的微观组织、织构演化及其与合金成分、变形条件等因素的关系、多晶体塑性与动态再结晶耦合计算模型构建、挤压成形过程变形过程中织构演化与动态再结晶模拟等方面内容开展了较深入的研究。
　　(1)镁合金挤压变形微观组织和织构演变的实验研究。
　　制备了Mg-1Al、Mg-1Y、Mg-4Y以及Mg-6Y合金，并开展了合金的热压缩与圆棒挤压实验。采用XRD和EBSD等测试方法对Mg-Al及Mg-Y合金的微观组织、界面取向差轴的分布、以及再结晶晶粒织构成分进行了系统的分析。相同的挤压变形条件下，Mg-Y合金的动态再结晶百分数均低于Mg-1Al合金，且动态再结晶晶粒尺寸小于Mg-1Al合金；单压变形中，Mg-Y合金的再结晶晶粒的取向比Mg-1Al合金更随机；在挤压变形中，Mg-Y合金形成不同于Mg-Al合金的再结晶织构成分。以上结果表明：稀土元素Y一方面抑制了非连续再结晶的进行，另一方面，改变了连续动态再结晶的位错重组机制，影响了再结晶晶粒的初始取向和挤压织构分布。
　　(2)耦合动态再结晶现象学模型的多晶体塑性建模研究。
　　基于粘塑性自洽多晶体框架，建立了一种耦合再结晶现象学模型的挤压成形多晶体塑性模拟方法。利用Avrami形式的再结晶动力学方程描述镁合金再结晶体积分数增长，通过晶体塑性计算变形过程及织构演化。基于不同的再结晶初始取向和滑移模式假设，模拟了Mg-1Al、Mg-6Y合金的挤压织构，将织构的计算结果与实验结果进行对比分析，初步解释了Mg-1Al、Mg-6Y合金在热挤压过程中动态再结晶织构的形成机制和影响因素。
　　(3)耦合连续动态再结晶和多滑移物理模型的多晶体塑性建模研究。
　　在粘塑性自洽框架中引入了位错密度、小角度界面分布函数、位错胞尺寸等物理变量，实现了单个晶粒在变形条件下的位错硬化和多晶体小角度界面向大角度界面转变的连续动态再结晶物理过程建模。在该多晶体框架中进一步引入多滑移模型，以更合理的描述动态再结晶过程中不同滑移面位错之间相互作用引起的界面取向差演变。该模型提高了现有多晶体塑性力学模型对镁稀土合金挤压织构的预测能力。通过对挤压织构的模拟及实验对比，揭示了稀土元素Y对镁合金多滑移机制的影响规律：挤压Mg-1Al合金的动态再结晶织构是不同的柱面位错的多滑移作用的结果，而挤压Mg-Y合金的动态再结晶织构是柱面位错多滑移与基面位错-锥面位错多滑移的复合作用的结果。
　　(4)镁合金型材挤压的变形及织构的仿真模拟。
　　基于本文所建立的考虑动态再结晶的多晶体塑性模型，采用欧拉有限元方法实现了镁合金型材挤压过程变形、织构演化和动态再结晶的模拟计算。模拟结果能够与实验结果较好地吻合，验证了多晶体塑性-连续动态再结晶模型的合理性。该晶体塑性有限元模拟方法为镁稀土合金型材挤压成形与微观组织的模拟提供了有效的方案。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪论

1.1 选题的背景和意义

1.2 镁合金的基本性质

1.3 镁合金的挤压成形

1.4 镁合金的动态再结晶及其对挤压变形微观组织的影响

1.5 镁合金挤压织构的实验研究

1.6 镁合金织构和微观组织的建模研究现状

1.7 目前研究存在的主要问题

1.8 本文的主要研究内容

第二章 镁合金高温变形织构及微观组织的实验研究

2.1 引言

2.2 材料与实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 耦合现象学再结晶模型的多晶体塑性建模

3.1 引言

3.2 耦合现象学DRX模型的晶体塑性建模

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 连续动态再结晶与晶体塑性的集成计算模型

4.1 引言

4.2 连续动态再结晶的多晶体塑性建模

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 镁合金型材挤压成形的宏微观集成计算

5.1 引言

5.2 镁合金挤压宏微观集成计算模型的建立

5.3 镁合金挤压的宏微观集成计算模型的验证

5.4 不同挤压比条件下圆棒挤压织构的预测

5.5 Mg-6Y合金型材挤压织构的预测

5.6 Mg-6Y合金型材微观组织预测

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 本研究创新点

6.3 研究展望

附录A CDRX多晶体模型的温度相关性

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文