基于挤压-连续剪切成形的镁合金薄壁管材组织织构调控机理研究

摘要

镁合金是21世纪最具发展潜力的轻合金结构材料，同时具有质轻、性佳、环保等优势，是轻量化进程中不可或缺的金属材料。但密排六方的晶格结构导致其室温时的塑性变形能力差、强度低，严重限制了镁合金的应用和推广。近年来，各国研究人员纷纷展开了对镁合金的研究，掀起了对镁合金的探索热潮。　　本文以商用AZ31镁合金为研究对象，在镁合金棒材挤压-剪切技术的基础上提出AZ31镁合金薄壁管材挤压-连续剪切弯曲成形工艺（Tube Extrusion Shearing and Bending，TESB）和连续变通道挤压-剪切工艺（Continous Variable Cross-section Extrusion and Shear，CVCES），以期弱化成形管材基面织构，细化晶粒，提高管材的综合力学性能。本文通过有限元数值模拟、工艺试验、电子背散射衍射分析、金相分析、显微硬度分析相结合的研究方法进行系统研究，主要得出如下结论：　　1、管坯在成形过程中温度分布梯度较大，挤压速度对温度场分布影响明显；变形热对管材成形过程影响明显，在剪切成形区存在明显的温度梯度；摩擦因子增大时，剪切变形区内温度分布梯度增大，但可使得等效应力分布更加均匀；适当地提高挤压温度有利于降低变形抗力；在AZ31镁合金管坯挤压-连续剪切弯曲成形和连续变通道挤压-剪切成形过程中，等效应变分布均匀，验证了模具结构和工艺的合理性。与普通挤压工艺成形的管材相比，两种工艺成形管材等效应变累积值分别比普通挤压成形的管材累积应变高出1.5、0.6左右；晶粒细化效果明显，最终成形的管材组织中多为10μm左右的晶粒；显微硬度测试结果表明：两种挤压工艺均可使得硬度值明显提高，且温度越高，成形过程中各个位置的硬度值越低。　　2、通过电子背散射衍射分析发现，在AZ31镁合金管坯在挤压成形过程中，织构强度和类型发生明显改变，AZ31镁合金管坯在挤压-连续剪切弯曲成形过程中，和传统管材正挤压工艺相比织构强度由30.30降低为11.33，且最终成形管材组织中大部分晶粒c轴与挤压方向成45°角，这样的晶粒取向有利于提高管材的塑性变形能力；AZ31镁合金管坯在连续变通道挤压-剪切成形过程中，织构强度先升高后降低，这与管坯的成形路径有关，且最终成形管材组织中大部分晶粒c轴发生了大约86°的偏转，这样的晶粒取向有利于提高管材强度。　　3、AZ31镁合金薄壁管材挤压-连续剪切弯曲成形工艺（TESB）成形的管材，（0001）<11-20>基面滑移的Schmid因子值更高，沿管材挤压方向拉伸时，滑移系更容易启动；{10-12}拉伸孪晶在协调塑性变形和促进动态再结晶进行等方面发挥着重要作用，再结晶组织比例由14.03％提高至64.8％，小角晶界比例由47％降低至17％。由此可判断，AZ31镁合金管材挤压-连续剪切弯曲成形的晶粒细化机制主要为模具的机械剪切和挤压变形过程中的动态再结晶，其中，动态再结晶贡献较大。　　4、和普通挤压成形的管材相比，连续变通道挤压-剪切工艺（CVCES），（0001）<11-20>基面滑移的Schmid因子值逐渐降低，沿管材挤压方向拉伸时，滑移系难启动，这使得该工艺挤出的管材具有更高的屈服强度；再结晶组织比例由20.6％降低为7％，变形组织比例由17％增大到75％，小角晶界比例由41％增加至58％。由此可判断，AZ31镁合金管材挤压-连续剪切弯曲成形的晶粒细化机制主要为模具的机械剪切作用。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 镁及镁合金的特点和应用

1.2.1 镁合金的特点

1.2.2 镁合金的应用

1.3 镁合金大塑性变形技术研究现状

1.3.1 等通道转角挤压（ECAP）

1.3.2 往复挤压工艺（CEC）

1.3.3 高压扭转工艺（HPT）

1.4 镁合金管材挤压工艺

1.4.1 镁合金管材普通挤压工艺

1.4.1 新型管材成形工艺

1. 5研究目的、意义及内容

1.5.1 研究目的及意义

1.5.2 研究内容

1. 6 本章小结

2 实验过程及方法

2.1 数值模拟

2.1.1 实验目的

2.1.2 材料模型

2.2 TESB工艺挤压实验

2.2.1 实验目的

2.2.2 实验方法

2.3 金相实验

2.3.1 实验目的

2.3.2 实验步骤

2.3.3 腐蚀液的配制

2.4 硬度试验

2.4.1 实验目的

2.4.2 实验原理及方法

2.5 EBSD实验

2.5.1 实验目的

2.5.2 实验步骤

2.6 本章小结

3 AZ31镁合金薄壁管材成形工艺及模具设计

3.1 管材挤压成形工艺

3.1.1 TESB挤压镁合金成形工艺

3.1.2 CVCES挤压镁合金成形工艺

3.2 模具设计

3.2.1 挤压筒的设计

3.2.2 凹模的设计

3.2.3 挤压杆的设计

3.2.4 挤压针的设计

3.3 管材挤压工艺流程

3.4 坯料尺寸的选择

3.5 挤压比的选择

3.6 本章小结

4 TESB工艺数值模拟及管材组织演变机理研究

4.1 引言

4.2 有限元模型的建立

4.3 TESB挤压工艺有限元模拟结果分析

4.3.1 TESB变形过程中的温度场变化

4.3.2 TESB变形过程中温度对载荷的影响

4.3.3 温度对等效应力的影响

4.3.4 挤压速度对温度场的影响

4.3.5 摩擦因子对温度场的影响

4.3.6 摩擦因子对等效应力的影响

4.3.7 TESB挤压变形过程等效应变分布

4.4 微观组织演变

4.5 EBSD分析

4.5.1 极图

4.5.2 Schmid因子

4.5.3 孪晶分布

4.5.4 再结晶现象

4.6 显微硬度测试

4.7 本章小结

5 CVCES工艺数值模拟及管材组织演变机理研究

5.1 引言

5.2 有限元模型的建立

5.3 CVCES挤压工艺有限元模拟结果分析

5.3.1 等效应力分布特点

5.3.2 CVCES变形过程中温度对载荷的影响

5.3.3 CVCES挤压变形过程等效应变分布

5.4 微观组织演变

5.5 EBSD分析

5.5.1 极图

5.5.2 Schmid因子

5.5.3 孪晶分布

5.5.4 再结晶现象

5.6 显微硬度测试

5.7 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