镁合金挤压剪切复合变形工艺研究

论文摘要

等通道角挤压（ECAP）作为一种大变形方式,在变形前通常需要对合金进行预挤压变形。要获得细小晶粒,合金需要在等通道角挤压模具内进行多道次的挤压。本文将等通道挤压前的普通挤压与等通道角挤压结合来,开发出一种新型的挤压工艺。由于该工艺过程包括普通挤压与之后的两个道次的C路径等通道挤压,因而称该工艺为挤压-剪切工艺（简称ES）。本文就ES变形过程中合金的微观组织演变以及其力学性能进行研究。通过Deform-3D有限元软件对整个ES工艺进行研究。本文试验材料主要采用铸态AZ系合金。通过gleeble-1500D热模拟试验机对AZ31进行热压缩试验,从而获得AZ31的材料特性,为有限元模拟提供材料模型。在热模拟机上用ES一次剪切模具进行挤压,并建立有限元模型进行比较分析。依照实际挤压过程,建立有限元模型模拟,分析ES工艺参数对挤压力、等效应变、速度场和温度场的影响规律。用具有不同挤压比、模具转角的ES模具进行工业挤压实验,挤压时选取不同温度挤压。对挤出棒材进行金相实验和拉伸实验,以分析其微观组织和力学性能。最终得到如下结果:通过ES一次剪切热模拟实验获得挤压过程挤压力及模具温度变化情况,将热模拟结果与有限元模拟结果比较,发现结果一致,由此说明本文中所建模型能很好模拟ES挤压过程。一次剪切挤压后横截面的两个边部组织不均匀,外转角位置的组织更加细小。模拟结果表明,ES工艺的挤压力在挤压过程呈现独特变化,出现两次挤压力平台。挤压温度升高,挤压比减小,模具转角增大以及摩擦因数减小均使挤压力减小。增大挤压比,减小模具转角,增大摩擦因数均使等效应变增大。另外,摩擦因数是影响等效应变分布均匀性的主要因素。模拟发现金属在模具中流动速度不断增加。但由于二次转角对金属施加类似背压的作用,使金属在一次转角处流动速度降低。增大转角、降低摩擦使金属的流出速度增加,但对金属流动的均匀性影响不大。增大摩擦,增大挤压比,增加挤压速度均使模具温度升高。挤压温度越高,模具升温后温度越高。与普通挤压相比,ES挤压显著细化晶粒,并提高棒材的强度,但温度升高到一定程度后,ES挤出棒材的力学性能与普通挤压棒材力学性能无显著差异。随着挤压温度升高,ES挤出棒材的晶粒变大,再结晶分数增加,其均匀性和延伸率增加;增大转角,使棒材在等通道区累计的等效应变降低,挤出棒材的晶粒变大,动态再结晶的体积分数减小;挤压比增大,普通挤压区的晶粒减小,最终获得的棒材晶粒也减小。ES挤压不仅能细化棒材的边部组织,由于其等通道区的剪切作用,棒材的中部组织也得到细化。在ES挤压过程中,合金的组织在普通挤压区发生初步细化,经一次剪切后,其中部组织得到显著细化,经二次剪切作用,合金的整个组织都得到显著细化,整个横截面上的动态再结晶发生的非常完全,合金的中部与边部组织大小区域一致,最终获得具有均匀组织的棒材。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 镁合金的传统挤压
• 1.3 ECAP 工艺
• 1.4 挤压过程的有限元模拟
• 1.5 课题的目的及意义
• 1.6 课题内容
• 1.7 小结
• 2 实验内容
• 2.1 实验路线
• 2.2 ES 研究对象
• 2.3 热模拟实验
• 2.4 ES 挤压过程的有限元模拟
• 2.4.1 实验目的
• 2.4.2 实验步骤
• 2.5 ES 工业挤压实验
• 2.6 金相实验
• 2.7 晶粒尺寸测定
• 2.8 拉伸实验
• 2.9 显微硬度实验
• 2.10 XRD 试验
• 2.11 小结
• 3 热模拟实验结果
• 3.1 本构关系
• 3.2 ES 一次剪切
• 3.3 小结
• 4 有限元模拟
• 4.1 挤压力
• 4.1.1 ES 挤压力变化特点
• 4.1.2 不同温度条件下ES 载荷变化情况
• 4.1.3 不同挤压比挤压时ES 载荷变化情况
• 4.1.4 不同转角对ES 挤压力影响
• 4.1.5 不同摩擦条件下的ES 挤压力
• 4.2 等效应变
• 4.2.1 不同挤压比条件下的等效应变
• 4.2.2 不同转角的等效应变
• 4.2.3 不同摩擦条件下的等效应变
• 4.3 挤压速度场
• 4.3.1 模具内部不同区域坯料的流动速度
• 4.3.2 不同转角对速度影响
• 4.3.3 不同摩擦条件对金属流动的影响
• 4.4 挤压过程温度场的变化
• 4.4.1 不同摩擦条件下温度变化情况
• 4.4.2 不同挤压比条件下温度变化
• 4.4.3 不同挤压速度条件下温度变化
• 4.4.4 不同温度条件下的模具温度
• 4.5 小结
• 5 ES 挤压的微观组织与力学性能
• 5.1 ES 工艺初挤压
• 5.1.1 挤压结果
• 5.1.2 晶粒取向变化
• 5.1.3 显微硬度
• 5.2 挤压比12 的ES 挤压与普通挤压
• 5.2.1 挤压结果
• 5.2.2 挤压棒材的微观组织
• 5.2.3 棒材的力学性能
• 5.3 转角135°的ES 挤压
• 5.3.1 挤压结果
• 5.3.2 棒材的微观组织
• 5.3.3 棒材的力学性能
• 5.4 挤压比18 的ES 挤压
• 5.5 挤压比22 的ES 挤压
• 5.5.1 棒材的微观组织
• 5.5.2 棒材的力学性能
• 5.6 讨论
• 5.6.1 不同温度对ES 工艺的影响
• 5.6.2 不同挤压比对ES 工艺的影响
• 5.6.3 不同转角对ES 工艺的影响
• 5.6.4 ES 工艺过程的动态再结晶机制
• 5.7 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者攻读硕士期间发表的论文