镁合金挤压剪切复合变形的组织与性能研究

论文摘要

传统挤压是比较成熟的工艺,但是晶粒细化效果不明显。等径角挤压（ECAE）技术是一种很好的晶粒细化变形方式,并能有效的提高力学性能。本课题将传统挤压和ECAE变形结合起来开发出了新的大变形挤压技术挤压-剪切（Extrusion-Shear）工艺（简称ES）。本文主要研究ES变形过程中微观组织演变和变形后的力学性能以及ES变形工艺。重点讨论了ES变形过程中的晶粒细化机制,变形后的室温力学性能和ES变形过程中的挤压力和应力应变分布等。文章选取应用较广泛的AZ31镁合金作为研究对象。首先采用物理模拟挤压技术,通过对一套热模拟挤压实验装置进行改进,使之能模拟实际工业挤压过程。采用金相显微分析（OM）、X射线衍射分析和EBSD等手段,对挤压前后的AZ31镁合金的显微组织及晶粒尺寸进行了对比,还对不同挤压温度下AZ31镁合金在ES变形过程中的显微组织的演变规律进行了分析;进行室温力学性能测试,探讨ES成型后AZ31镁合金的室温力学性能;采用有限元软件对ES变形工艺进行了模拟分析,对ES变形过程中应力应变分布进行了初步探讨。结果如下:物理模拟发现挤压两边的组织不均匀的问题,原因是转角会引起内侧和外侧应变速率的差异,必须增加相反方向的转角来平衡此差异,最终设计了可以应用于工业生产的大型ES模具。AZ31镁合金经ES变形后,晶粒明显细化。在420℃下ES变形的镁合金晶粒远小于450℃下的晶粒,AZ31镁合金经ES热变形后,合金的室温强韧性得到改善。在420℃下,ES挤压后{0002}基面织构强度下降。并在X和Y轴方向均有偏转,这有利于力学性能的提高。但是在450℃下,{0002}基面衍射峰强比普通挤压区的峰强大很多,说明在高温下,晶粒更容易向基面方向偏转。ES变形挤压条纹的形成是由于挤压变形热引起的局部滑移能力增强,通过自适应转动并调整滑移方向,最终被挤成纤维状。利用有限元软件DEFORM-3D对ES变形过程中的应力应变分布等进行了有限元模拟,发现模拟结果和实验结果基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 变形镁合金的研究现状
• 1.3 镁合金的普通挤压研究
• 1.3.1 普通挤压工艺
• 1.3.2 普通挤压工艺对组织和性能的影响
• 1.4 镁合金的等径角挤压研究
• 1.4.1 等径角挤压工艺
• 1.4.2 等径角挤压工艺对组织和性能的影响
• 1.5 EX-ECAP 复合工艺
• 1.6 金属热挤压变形的物理模拟
• 1.7 镁合金的动态再结晶
• 1.8 有限元法简介
• 1.9 课题研究目的和意义
• 1.10 课题的主要内容
• 1.11 小结
• 2 实验过程及方法
• 2.1 ES 挤压的数值模拟
• 2.1.1 实验目的
• 2.1.2 实验步骤
• 2.2 ES 挤压的物理模拟
• 2.2.1 实验目的
• 2.2.2 实验材料
• 2.2.3 实验原理及方法
• 2.3 ES 工业挤压实验
• 2.3.1 实验目的
• 2.3.2 实验方法
• 2.4 金相实验
• 2.4.1 实验目的
• 2.4.2 实验步骤
• 2.4.3 腐蚀剂的配制
• 2.5 硬度试验
• 2.5.1 实验目的
• 2.5.2 实验原理及方法
• 2.6 晶粒尺寸测量
• 2.7 X-射线衍射分析
• 2.7.1 实验目的
• 2.7.2 实验设备及方法
• 2.8 力学性能实验
• 2.9 EBSD 实验
• 2.9.1 实验目的
• 2.9.2 实验步骤
• 2.10 小结
• 3 ES 工艺物理模拟结果与分析
• 3.1 ES 工艺物理模拟可行性研究
• 3.2 ES 挤压的物理模拟
• 3.2.1 金相观察
• 3.2.2 组织不均匀的原因
• 3.3 改进的ES 模具及其可行性分析
• 3.4 小结
• 4 ES 工艺工业挤压实验研究
• 4.1 ES 工艺工业挤压的可行性分析
• 4.1.1 温度对ES 变形挤压力的影响
• 4.1.2 速度对ES 变形挤压力的影响
• 4.1.3 摩擦对ES 变形挤压力的影响
• 4.1.4 挤压参数的确定
• 4.1.5 ES 挤压后的模具状况
• 4.2 ES 变形AZ31 镁合金的组织分析
• 4.2.1 挤压后纵截面的组织演变
• 4.2.2 挤压后横截面组织演变
• 4.2.3 X-射线衍射实验结果分析
• 4.2.4 EBSD 实验结果分析
• 4.3 ES 变形AZ31 镁合金的力学性能
• 4.3.1 显微硬度测试
• 4.3.2 压缩性能分析
• 4.3.3 拉伸性能分析
• 4.3.4 拉压不对称性
• 4.3.5 断口失效分析
• 4.4 影响ES 成型组织和性能的主要因素
• 4.4.1 内角Ф
• 4.4.2 挤压比
• 4.4.3 挤压温度
• 4.4.4 挤压速度
• 4.4.5 润滑
• 4.5 小结
• 5 AZ31 镁合金ES 工艺的形核机制和细化机理
• 5.1 ES 变形对组织的影响及形核机制
• 5.2 ES 变形过程中的动态再结晶机制
• 5.3 小结
• 6 ES 挤压过程的有限元分析
• 6.1 网格的变形行为
• 6.2 应力分析
• 6.3 应变分析
• 6.4 应变速率分析
• 6.5 小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者攻读硕士期间发表的论文及申请的专利