AZ31镁合金薄壁管材挤压-剪切成形技术应用基础研究

摘要

传统挤压是目前最成熟的加工工艺，但是晶粒细化有限；等通道转角挤压是一种大塑性变形方法，合金在变形前须在模具内预处理，之后进行多道次挤压，从而获得超细晶；其方法不但可以细化晶粒同时弱化基面织构,但工艺复杂不能连续生产、成形尺寸有限；而热挤会形成纤维状组织和强烈的基面织构、成形不均匀,从而使得薄管的强韧性和成形精度较差。基于此可以构想将传统挤压与等径角变形挤压(Equal Channel Angular Extrusion , ECAE)综合起来。于是项目提出一种镁合金薄壁管材(Tube)的挤压(Extrusion)剪切(Shear)复合短流程成形新技术（简称 TES）。本文采用试验和有限元分析对 TES 变形过程进行研究，重点研究 TES 变形过程中镁合金的微观组织和织构、力学性能的演变。同时利用上述工艺通过模具设计、挤压筒设计、挤压杆设计及挤压针设计等，加工出模具最终成功挤出镁合金薄壁管材。　　本论文采取Gleeble-1500D热模拟试验机对AZ31镁合金进行热压缩试验，从得到的数据中绘制AZ31镁合金流动应力-应变曲线，为DEFORM-3D有限元模拟软件提供材料支撑；通过不同挤压比 16.8、9.33、6.88 的等效应变模拟值与理论值进行比较，结果发现其值大小基本一致、变化趋势完全吻合，可以说明模拟的有效性；同时经过对TES挤压力、等效应力的分析及考虑到模具使用寿命，选择出了合理的内部结构（挤压比G=9.33、过渡角α=150°、过渡半径r=0.5mm），从而加工出整体模具；此外，为了便于拆卸及观察TES挤压过程中的挤压情况又加工出第二套模具即组合模具。　　通过分析TES挤压过程中的挤压力、等效应力、速度场、等效应变和破坏系数的变化规律，发现挤压力曲线呈现特殊的变化，出现多次挤压力平台；温度升高、速度减小、摩擦因数减小均能使挤压力减小；升高温度等效应力减小且均匀分布。金属流动速度在模具中每经过一个转角速度增加，但每道转角对前一道转角施加背压力，使金属在转角前流动速度有所降低。升高挤压温度、降低摩擦因子均使得金属的流出速度增加，而对金属流动的均匀性几乎没有影响；等效应变在每增加一段剪切有效应变增加0.5，最高可达3.37；另外，在最后两道转角处应变越来越大，变形也越来越严重、残余应力增加、破坏系数增大。　　通过分析普通挤压与TES挤压情况可知，经TES挤压平均晶粒尺寸明显细化，硬度值增加；同时由EBSD实验分析可知经TES挤压后产生大量的压缩孪晶{10-11}和拉伸孪晶{10-12}；施密特因子明显增大，镁合金的初始织构得到改善。　　采用CA元胞自动机法分析组合模具TES挤压过程中晶粒演变过程，发现随着挤压-剪切的进行平均晶粒依次减小，但在调整阶段平均晶粒有所增加，原因在于摩擦作用使得温度升高晶粒长大，金相实验及硬度测试也验证这一点；当挤压温度400℃时，随着变形温度的增加原子热激活效应增强，再结晶百分数增加、晶粒尺寸分布均匀、平均晶粒尺寸增大，而硬度变化趋势与 370℃时的一致，但硬度值有所降低。

目录

声明

1 绪论

1.1 概述

1.2 国内外镁合金塑性成形技术研究现状

1.3 镁合金挤压工艺

1.4 镁合金管材成形技术研究现状

1.5 镁合金薄壁管材挤压剪切成形技术的提出

1.6 有限元法简介

1.7 刚、粘塑性流动理论

1.8 课题研究的目的、意义及内容

1.9 小结

2 实验过程及方法

2.1 TES挤压数值模拟

2.2 TES挤压-剪切实验

2.3 金相实验

2.4 晶粒尺寸测量

2.5 硬度试验

2.6 EBSD实验

2.7 小结

3 AZ31镁合金薄壁管材模具设计及数值模拟

3.1 管材挤压剪切（TES）成形方法

3.2 模具的设计

3.3 挤压工艺

3.4 Deform-3D数值分析

3.5 数值模拟TES挤压成形过程

3.6 小结

4 基于整体模具TES挤压数值模拟及宏微观组织演化

4.1 有限元数值模拟

4.2 挤压力

4.3 不同温度对等效应力的影响

4.4 TES速度场变化情况

4.5 TES挤压过程中等效应变情况

4.6 破坏分析

4.7 普通挤压与TES挤压实验及数值模拟

4.8 小结

5 基于组合模具TES微观组织演化及宏微观数值模拟

5.1 CA法微观模型

5.2 基于挤压剪切组合模具的TES实验及数值模拟

5.3 TES挤压过程中动态再结晶

5.4 CA元胞自动机模拟分析

5.5 400℃微观组织演变及宏微观数值分析

5.6 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