AZ31镁合金铸造-挤压-剪切工艺的晶粒细化机制研究

摘要

本文研究的镁合金铸造-挤压-剪切工艺是将传统挤压工艺和等径角挤压CECAE)工艺结合起来的新开发的大变形加工技术。该工艺的特点是综合了铸造和塑性变形两种工艺的优势，同时达到成形和改性的双重目的，在参考大量前人研究结果并结合本课题组的研究经验基础后，设计并制作出了一套新型组合式的镁合金铸造-挤压-剪切工艺和模具。本文主要研究了 AZ31镁合金通过新型模具实现铸造-挤压-剪切变形后微观组织转变及变形后的室温力学性能，分析了经过不同变形温度、不同变形方式、不同剪切转角以及不同挤压比对材料组织和性能的影响规律。同时采用有限元分析软件进行整个变形的模拟分析，讨论了挤压过程中坯料的温度分布和应变分布对其变形的影响规律，辅助分析了铸造-挤压-剪切的变形机理。　　整个实验过程均选用AZ31镁合金作为研究对象。采用金相显微分析(0M)方法，对挤压后的镁合金的显微组织及晶粒尺寸进行了观察、计算及分析，讨论不同剪切角度和不同变形温度对挤压后的组织的影响规律；对试样进行室温力学性能测试及硬度测试，探讨挤压-剪切成型后铸态AZ31镁合金的力学性能变化情况;采用有限元软件对变形技术进行了有限元模拟分析，对变形过程中材料的温度分布及应力应变分布进行了初步探讨，综合考虑变形过程对材料性能的影响规律。　　分别研究挤压温度为315℃和415℃时，加入30°、45°和60°剪切转角后的组织与无转角普通挤压（0°)之间的区别发现。挤压所得试样没有发现裂纹，说明不经均匀化处理的铸态AZ31镁合金具有较好的塑性,可直接进行挤压变形。　　在315℃下进行挤压剪切实验后，铸态AZ31镁合金晶粒较普通挤压得到明显细化，合金的室温强韧性同时得到显著改善。在415℃下进行挤压剪切实验后，晶粒尺寸较无转角普通挤压（0°)明显长大，综合力学性能反而下降，性能较315℃时差。　　在挤压温度为315℃时，随着剪切转角的增大，变形量逐渐增大，晶粒细化程度越高，组织也更均匀，当剪切转角达到60°时，再结晶完全，晶粒开始长大；而挤压温度为415℃时，铸锭在450℃加热3.5h之后，树枝状晶已经完全消失，取而代之的是均匀粗大的等轴晶粒，浇铸产生的组织不均匀性得到很大程度的消除;此时无转角普通挤压的组织均匀，晶粒细小，尺寸在25 um左右；加入剪切转角后，因摩擦和变形量的增大，局部温度升髙，晶粒开始长大。　　挤压剪切过程中合金只受到单向的剪切作用力，因此挤压棒材横截面不同区域的显微组织存在着很大的差异，剪切角度越大，差异越明显。　　铸态AZ31镁合金经挤压剪切后，315℃和415℃下的宏观织构都大致上表现为典型的（10-10)丝织构，温度对织构的影响不大，剪切转角的加入使织构发生了一定程度的偏转。　　DEFORM-3D模拟显示，材料变形时边部畸变较心部畸变严重，这和材料与模具的摩擦及变形时金属流动方向有关；模拟时温度对变形时挤压力的影响规律与实验情况一致；并对变形时不同部位的应变进行点追踪进行分析，模拟结果和实验结果一致。

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