轧制-剪切-弯曲AZ31镁合金组织与成形性能研究

摘要

作为最轻的金属结构材料，镁合金被誉为“二十一世纪最具发展前景的绿色工程材料”。特别是变形镁合金板材由于具有优异的综合性能，可用作笔记本电脑、手机、家用电器等产品的壳体以及汽车蒙皮等零部件，更加具有巨大的市场需求和应用前景。但受到镁合金自身晶体结构的限制，其较差的室温塑性和成形性能至今仍是限制其应用的瓶颈问题。　　针对以上问题，本文率先提出一种将轧制与剪切、连续多道次弯曲变形相结合的新工艺，即轧制-剪切-弯曲复合变形工艺（简称RSCB工艺）。以AZ31变形镁合金板材为研究对象，以提高板材室温塑性和成形性能为目标，以晶粒细化和织构控制为学术思想，基于有限元模拟和实验，系统研究不同模具结构条件下RSCB变形过程中镁合金板材的变形行为；终轧工艺（终轧温度和终轧速度）分别对普通轧制和RSCB板材的微观组织、晶粒取向及室温成形性能的影响；高温、高速RSCB过程中板材微观组织、织构的演变。旨在根据模拟和实验进一步优化模具结构并成功制备RSCB板材；揭示普通轧制、剪切-连续多道次弯曲作用分别对板材晶粒细化、织构控制的影响规律和机理；阐明RSCB板材微观组织、织构特征与力学性能和成形性能之间的内在联系。主要实验结论如下：　　（1）RSCB过程中镁合金板材的变形行为研究　　随着剪切角内侧倒角半径、通道间隙增加，板材剪切角处剪切作用减弱，板材厚度方向变形不均匀程度增加；随着剪切角，弯曲半径减小，板材应变作用过大，在实验过程中板材出现不同程度裂纹。最终优化后的模具结构参数如下：剪切角120°，剪切角内侧倒角半径3mm，通道间隙1.46mm，弯曲半径10mm。　　（2）终轧工艺对普通轧制板材组织与性能的影响　　小应变终轧条件下（5％），随着终轧温度、终轧速度增加，镁合金板材晶粒尺寸显著长大，局部大晶粒出现少量孪晶，动态再结晶较少，同时，板材的基面晶粒取向略有减弱，从而导致其室温成形性能有所提高（平均IE值最高约为4.6mm），提升幅度不大。其主要原因是小应变条件下，高温、高速轧制对板材非基面位错和孪生的激活有限。　　（3）终轧工艺对RSCB板材组织与性能的影响　　随着终轧温度、速度增加RSCB AZ31镁合金板材的孪晶数量及孪晶交互大幅度增加，并伴有动态再结晶（尤其是板材表层）。退火后，低温和高温、低速和高速条件下晶粒尺寸相差不大。　　随着终轧温度、终轧速度的增加，晶粒沿RD方向偏转一定角度，基面织构弱化，柱面织构特征显著增强。退火后的织构更加弱化，由低温、低速条件下的基面与非基面共存演变为完全的非基面织构。　　随着终轧温度、终轧速度增加，RSCB后镁合金板材退火后 YS、YS/UTS、r值降低，其中RD方向最低；当在温度为550℃、高速0.4m/s时，RSCB镁合金板材RD方向YS降为74MPa，YS/UTS降为0.337，r值降为0.43；此外，随着终轧温度、终轧速度增加，RSCB板材的室温平均IE值逐渐增大，即分别由低温（350℃）下的6.3mm以及低速（0.1m/s）下的6mm增大到高温（550℃）、高速（0.4m/s）下的7.4mm。　　通过普通轧制和RSCB板材对比发现，无论是低温、高温、低速、高速条件下，RSCB后镁合金板材的室温成形性能都比普通轧制板材显著提升。在高温、高速条件下，RSCB镁合金板材平均IE值最高可达7.4mm，与普通轧制板材相比增幅可达61%。室温成形性能提高的主要原因是剪切+弯曲变形过程中引起的基面织构显著弱化及晶粒细化。　　（4）高温、高速RSCB过程镁合金板材微观组织与织构演变　　高温、高速条件下，普通轧制镁合金板材组织粗大；经过一次剪切后晶粒略有减小；而经过连续弯曲后，晶粒尺寸显著减小并且孪生体积分数大量增加，晶粒被分割，并且出现动态再结晶（尤其在表层），表层和心部组织差异较大；经退火后，普通轧制、一次剪切、连续弯曲后微观组织表层和心部较为均匀，相比普通轧制而言，连续弯曲后晶粒尺寸显著减小。　　高温、高速条件下，普通轧制板材出现双峰基面织构；经过一次剪切后，在形成传统双峰基面织构的同时，部分晶粒分别转动90°和45°，板材的基面织构强度减弱；连续3次弯曲变形后（RSCB），基面织构强度进一步减弱，且大量晶粒的基轴向RD方向旋转90°，柱面织构特征进一步增强。　　退火后，基面织构强度进一步弱化。普通轧制板材为传统双峰基面织构；经过一次剪切后，织构为基面与非基面织构（锥面）共存的特征；连续三次弯曲后（RSCB），板材表现为完全的非基面织构特征。其主要原因可能是 RSCB变形过程中c+a非基面位错的增加和高密度孪晶的产生，有助于促进退火过程中再结晶晶核的转动，从而显著改善板材的织构特征。

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1绪论

1.1 引言

1.2 变形镁合金概述

1.3 变形镁合金特种变形工艺

1.4 RSCB工艺的提出及设计思想

1.5项目研究的主要内容及目的

2 实验过程及方法

2.1 技术路线

2.2 实验材料

2.3 板材制备

2.4 RSCB工艺装置

2.5 退火处理

2.6 微观组织分析

2.7 力学性能实验

3 AZ31镁合金板材轧制-剪切-弯曲过程的变形行为研究

3.1 引言

3.2 RSCB工艺有限元模拟

3.3 结果与分析

3.4RSCB工艺模具结构优化及板材制备

3.5 本章小结

4 终轧工艺对普通轧制AZ31镁合金板材组织与性能的影响

4.1 引言

4.2 终轧温度对普通轧制AZ31镁合金板材组织与性能的影响

4.3 终轧速度对普通轧制AZ31镁合金板材组织与性能的影响

4.4 本章小结

5 终轧工艺对RSCB AZ31镁合金板材组织与性能的影响

5.1 引言

5.2 终轧温度对RSCB工艺组织与性能的影响

5.3 终轧速度对RSCB工艺组织与性能的影响

5.4 高温、高速RSCB过程镁合金板材微观组织与织构演变

5.5本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果