AZ31镁合金热变形行为与组织性能的研究

论文摘要

镁及镁合金是目前最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等优点,在航空航天、汽车、计算机、电子、通讯和家电等行业有着广泛的应用前景。镁合金具有较好的铸造性能,目前镁合金产品以压铸件居多,但与铸造镁合金相比,变形镁合金晶粒细小,成分偏析低,具有较好的强度和塑性,是性能优良的镁合金,因此,镁合金塑性成形工艺的研究已成为世界镁工业中重要的方向。由于镁合金密排六方的晶体结构,常温下塑性变形能力较差,加工成品率低,限制了其应用。随着温度升高,原子振动幅度增大,会激活潜在的滑移面和滑移方向,使变形镁合金塑性性能大大改善。AZ31镁合金具有良好的延展率和中等强度,是目前商业化应用最普遍的镁合金,适用于挤压、锻造、轧制等塑性成形工艺,本文采用实验和数值模拟技术,借助Gleeble-1500热模拟机和ANSYS有限元分析软件,并利用光学显微镜、扫描电子显微镜等实验手段对AZ31镁合金挤压棒材的热塑性变形行为进行了系统的研究。采用热模拟试验机得到真应力-真应变曲线,研究了变形温度、应变速率、变形量对材料流变应力的影响规律,建立流变应力本构方程。峰值流变应力随变形温度的升高而降低,随着应变速率的升高而升高。在此基础上,应用线形回归方法处理得到该材料的流变应力的数学模型,为计算机模拟提供理论依据。结果表明:等温条件下的流变应力和应变速率之间满足双曲正弦函数,可用温度补偿因子Zener-Hollomon参数来描述其高温塑性变形过程中的流变应力、应变速率和温度的相互关系。采用刚塑性有限元的数值模拟方法,对镁合金挤压棒材挤压过程进行模拟,得到等效应力、等效应变和挤压力分布曲线,该模拟结果表明:在挤压过程中,变径处是最大等效应力的集中区,在此处应力最大,同时应变也是最大。最后进行了镁合金热挤压实验,在挤压温度350℃,挤压速率10mm/s,挤压比9,挤压前、后的棒材室温拉伸性能、延伸率、室温拉伸断口及金相组织的变化,分析得出镁合金的晶粒尺寸和综合力学性能具有相关性,说明晶粒度细小,不但可以提高强度,也可以改善塑性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 镁及镁合金概述
• 1.1.1 镁及镁合金的特性
• 1.1.2 镁合金的应用及发展
• 1.1.2.1 镁合金的应用
• 1.1.2.2 镁合金的发展
• 1.1.3 镁合金的分类
• 1.2 镁合金的塑性变形
• 1.2.1 镁合金的塑性变形机制
• 1.2.2 镁合金挤压塑性加工技术
• 1.2.2.1 轧制
• 1.2.2.2 锻压
• 1.2.2.3 挤压
• 1.3 塑性有限元发展概况
• 1.4 本课题研究的目的和意义
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 AZ31 镁合金高温塑性变形流变应力的研究
• 2.1 实验方案的制定
• 2.2 实验结果及分析
• 2.2.1 AZ31 镁合金的应力应变曲线
• 2.2.2 实验结果分析
• 2.3 AZ31 镁合金数学模型的建立
• 2.3.1 变形速率对流变应力的影响
• 2.3.2 变形温度对流变应力的影响
• 2.3.3 激活能和Z 参数的计算
• 2.4 小结
• 第三章 镁合金正挤压过程的数值模拟
• 3.1 刚粘塑性有限元基本原理
• 3.1.1 刚塑性有限元概述
• 3.1.2 刚塑性有限元基本方程
• 3.2 有限元模拟
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 材料模型的建立
• 3.2.3 网格的划分和重划分
• 3.2.4 约束条件及加载方法
• 3.3 模拟结果分析
• 3.3.1 挤压过程的应力变化情况
• 3.3.2 挤压过程的应变情况
• 3.3.3 位移-载荷曲线
• 3.4 小结
• 第四章 AZ31 变形镁合金组织性能的研究
• 4.1 实验材料及方法
• 4.1.1 实验材料的制备
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 AZ31 镁合金室温拉伸实验
• 4.2.2 AZ31 镁合金的微观组织
• 4.2.3 室温拉伸断口形貌
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 热挤压对镁合金拉伸性能的影响
• 4.3.2 镁合金的拉伸变形和断裂机制
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位论文期间发表的论文