连铸AZ31镁合金成形性能及内齿轮精密成形研究

论文摘要

由于镁合金具有较高的比刚度、比强度和良好的电磁屏蔽性、减振性能及散热性能,因此在航空航天、汽车工业和3C产品领域有着广阔的应用前景。镁合金常温下的塑性变形能力较差,难以通过传统的挤压、冲压成形技术进行大批量生产,这就大大限制了镁合金在结构领域内的应用。但镁合金的塑性随温度的升高而显著改善,这就使镁合金在高温下通过锻压成形和超塑成形来生产所需的零件成为可能。本文的目的是通过对连铸AZ31镁合金在不同变形条件下的单向拉伸和压缩行为、微观组织演变及成形性能的研究,在建立的组织演变模型和应力-应变模型的基础上,对镁合金在典型传动零件-直齿内齿轮精锻成形的过程和内部组织变化进行数值模拟。同时利用自己设计的模具进行实际成形研究,探索在复杂成形过程中镁合金的流动和组织演变规律,确定使镁合金获得良好变形性能的工艺条件,从而为镁合金精密塑性成形技术的发展和应用提供可靠的依据。为此,本文着重进行了以下几个方面的研究:采用某镁合金厂生产的连铸AZ31镁合金,在300450℃的温度范围和4.25×10-4s-11.0×10-2s-1的应变速率范围内,通过单向拉伸试验研究了连铸AZ31镁合金在高温下的塑性及超塑变形行为,计算了不同变形温度下表征晶界滑移难易程度的阀应力值和不同温度下的变形激活能。通过金相显微镜和扫描电镜观察、分析了超塑变形后试样金相组织和断口特征。结果表明:在300450℃,应变速率ε低于1.0×10-3s-1的情况下,连铸ZA31镁合金开始表现出超塑性;在400℃,应变速率ε为4.25×10-4s-1时,延伸率达到了200%,应变速率敏感性指数m为0.41。用光学显微镜观察变形前后的拉伸试样的金相组织发现:试样的初始晶粒尺寸约为25μm,在变形之后颈缩区域的晶粒长大现象不是很明显,晶粒沿着变形方向有所伸长,但晶粒形状基本保持为等轴状。动态连续再结晶是实现该合金超塑变形的重要软化机制和晶粒稳定机制。在200～450℃温度范围内,多种应变速率下对标准试样进行了压缩实验,得到了连铸AZ31镁合金压缩的流变应力曲线;并综合考虑应变软化和应变速率硬化因素,提出了适合连铸AZ31镁合金的流变数学模型。与实验结果的对比表明:该模型能较准确地反映合金变形过程中的应力变化趋势,为以后的成形和组织演变数值模

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁合金的特性及其应用
• 1.3 镁合金的应用发展
• 1.4 镁合金加工技术概况
• 1.4.1 镁合金铸造成形技术
• 1.4.2 镁合金塑性成形技术
• 1.5 镁合金变形行为研究进展
• 1.5.1 单向拉伸行为的研究
• 1.5.2 压缩变形行为的研究
• 1.5.3 微观组织演变的研究
• 1.5.4 断裂行为研究
• 1.5.5 空洞行为的研究
• 1.5.6 变形过程中的晶粒演变过程模拟
• 1.6 镁合金成形性能研究
• 1.7 直齿内齿轮精密塑性成形技术概况
• 1.8 选题的目的及意义
• 1.9 主要研究内容
• 第2章 连铸AZ31 镁合金的单向拉伸、压缩性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料
• 2.3 连铸AZ31 镁合金高温下的单向拉伸性能
• 2.3.1 实验设备及实验方法
• 2.3.2 热态下的单向拉伸行为
• 2.3.3 热态单向拉伸实验中的微观组织变化
• 2.3.4 连铸态ZA31 镁合金的断裂行为
• 2.4 连铸AZ31 镁合金高温下的压缩性能
• 2.4.1 实验设备及实验方法
• 2.4.2 连铸AZ31 镁合金的高温压缩变形行为
• 2.4.3 镁合金高温压缩时的流变应力模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 镁合金内直齿轮等温精锻成形的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 数值模拟分析平台的建立
• 3.3 模拟计算中的关键性技术因素
• 3.4 内直齿轮等温精锻成形数值模拟的精确建模
• 3.4.1 毛坯尺寸选取
• 3.4.2 几何模型
• 3.4.3 材料模型
• 3.4.4 边界模型
• 3.5 镁合金内齿轮精锻成形过程的数值模拟分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 连铸AZ31 镁合金体积成形中的微观组织演变模拟
• 4.1 引言
• 4.2 热成形过程的微观组织演变模拟方法
• 4.3 微观组织的演变形式
• 4.4 金属变形过程中微观组织演变数学模型的比较
• 4.5 数值模拟分析平台的建立
• 4.6 微观组织演变模拟中的建模
• 4.6.1 组织演变模型
• 4.6.2 几何模型
• 4.6.3 材料模型
• 4.7 微观组织的演变模拟
• 4.7.1 Yada 模型系数的确定
• 4.7.2 微观组织的演变模拟及结果
• 4.8 本章小结
• 第5章 镁合金齿轮的等温精密塑性成形研究
• 5.1 引言
• 5.2 镁合金内直齿轮精锻成形实验模具设计
• 5.2.1 分流原理和两段成形法的提出
• 5.2.2 直齿内齿轮精锻成形模具结构设计
• 5.2.3 坯料体积计算及尺寸选取
• 5.3 模具齿形参数的修正
• 5.3.1 渐开线齿形热变形分析
• 5.3.2 修模系数与修角系数的提出
• 5.3.3 修角量与修模量公式推导
• 5.3.4 温度修正系数的确定
• 5.3.5 弹性修正系数公式的推导
• 5.3.6 弹性修正系数的确定
• 5.4 镁合金内直齿轮等温精锻成形实验
• 5.4.1 实验装置与设备的选取
• 5.4.2 实验方案的制定
• 5.4.3 实验数据的采集
• 5.5 实验结果分析
• 5.5.1 铅试样模拟实验结果分析
• 5.5.2 AZ31 镁合金试样实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介