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AZ31镁合金复合式双剪切挤压时组织性能与工艺的研究

作　者: 雷晓飞
导　师: 刘天模
学　校: 重庆大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: AZ31镁合金复合式双剪切挤压晶粒细化微观组织演变力学性能有限元模拟
分类号: TG379
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

当今,镁合金作为最轻的金属结构材料正逐渐广泛应用,尤其是变形镁合金已经取得了引人注目的成就,但是镁合金室温塑性变形能力差的特点以及传统镁合金挤压方法的局限性,大大限制了镁合金的推广应用,因此镁合金的变形已经成为了该领域的一个重要课题。本论文研究了由正挤压,等通道角挤压和变通道角挤压组合的复合式双剪切(DSE)热挤压来改善镁合金的组织和性能(此挤压模具的挤压比为16:1)。AZ31镁合金能够进行较大的塑性变形并且被广泛的应用,是本课题选用的材料。本次课题的主要实验内容为:①在不同的挤压温度下对AZ31镁合金进行复合式双剪切挤压,分析AZ31镁合金在复合式DSE变形过程中的显微组织和织构的演变规律,并分析了其热变形过程中的机理。②对不同挤压温度下挤压态的AZ31镁合金的进行室温力学性能测试,探讨了复合式DSE成型后AZ31镁合金的室温力学性能,并分析了其室温变形行为。③同时对不同状态的AZ31镁合金的断裂行为进行了相关分析,判断其失效行为。④对挤压态AZ31镁合金进行了退火处理,分析其微观组织和力学性能,得到该挤压工艺的最合理退火工艺参数。⑤最后采用有限元软件对复合式DSE变形工艺进行了模拟,对变形过程中各模拟参数进行分析,例如挤压力和应力应变分布进行了初步研究。实验的结果为:AZ31镁合金经复合式DSE变形后,镁合金晶粒表现出了显著的细化效果。AZ31镁合金的晶粒随变形温度的降低而减小,变形后镁合金的压缩屈服强度和硬度都随晶粒细化而提高,由于受织构和内应力影响,在不同挤压温度下镁合金的压缩率变化不大,但是总体上AZ31镁合金经DSE热变形后,合金的室温强韧性得到综合改善。本次实验的一个创新点为:由于各种镁合金挤压后微观组织表现特点是不均匀性,即挤压过后沿挤压方向存在明显的长条晶粒,对于复合式DSE变形的后的镁合金组织的均匀性得到了明显的提高,这归因于在变通道角挤压后的等通道角部分。对于350℃挤压态AZ31镁合金变形后试样进行不同的退火工艺,得到350℃保温2h为最佳退火工艺参数,残留的长条原始组织和混晶组织发生了充分的静态再结晶,呈等轴晶分布,同时也消除了挤压所带来的热应力和组织应力。因为镁合金的层错能比较低,所以热挤压镁合金一个动态再结晶的过程,并且随着挤压温度的升高晶粒的细化效果明显减弱。在挤压温度为350℃,挤压速度为2mm/s的条件下,挤压后的AZ31镁合金平均晶粒尺寸为5μm左右,显微硬度为76.3Kg/mm~2,压缩屈服强度为156MPa,抗压强度为390MPa,压缩率为18.1%,变性后的镁合金的强韧性得到了明显的提高。在室温变形过程中镁合金主要是孪生模式,{10—12}<101—1>拉伸孪晶{101—1}<10—12>压缩孪晶是镁合金中的主要孪生模式,虽然对于镁合金的孪生临界启动力还不是很明确,但是{101—2}拉伸孪生容易启动已经得到了共识,本论文中对于{101—2}孪生进行了初步的研究。此外,挤压过程中,基面织构也对镁合金的室温性能有较大的影响,最主要表现是{0002}基面织构影响变形镁合金拉压不对称性。利用有限元软件Deform-3D对该DSE变形过程中的挤压力和应力应变分布进行了有限元模拟。从模拟过程来看,挤压温度,挤压模具的参数等起着很重要的作用。我们的目的是:在既能保证实验模具和材料不受破坏,又能满足实验设备所提供的挤压力条件下,实验材料得到最后的细化晶粒效果。所以模拟分析为进一步实验提供了很好的指导方向,有一定的参考价值。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-30
  1.1 概述  10-11
  1.2 镁及镁合金的性质  11-14
    1.2.1 镁的性质  11-12
    1.2.2 镁的合金化的特点  12-13
    1.2.3 镁合金的成分与牌号  13-14
  1.3 变形镁合金  14-16
    1.3.1 变形镁合金的发展现状  14
    1.3.2 镁合金的挤压方法  14-16
  1.4 变形镁合金织构  16-19
    1.4.1 镁合金的纤维织构  17
    1.4.2 镁合金的板织构  17-18
    1.4.3 镁合金的再结晶织构  18-19
    1.4.4 镁合金的织构形成机理  19
  1.5 镁合金的再结晶行为  19-26
    1.5.1 镁合金动态再结晶概述  19-20
    1.5.2 镁合金动态再结晶的特点  20
    1.5.3 影响镁合金动态再结晶的基本因素  20-21
    1.5.4 镁合金的动态再结晶机制  21-24
    1.5.5 镁合金动态再结晶动力学  24-25
    1.5.6 镁合金静态再结晶概述  25-26
  1.6 镁合金的室温变形行为  26-27
    1.6.1 镁合金的室温变形特征  26
    1.6.2 镁合金的室温变形机理  26-27
    1.6.3 镁合金的拉压不对称性  27
  1.7 课题目的及意义  27-28
    1.7.1 课题的目的  27-28
    1.7.2 课题的意义  28
  1.8 课题主要研究内容  28-30
2 实验内容  30-38
  2.1 实验方案  30
  2.2 模具设计  30-32
  2.3 实验材料  32-33
  2.4 挤压变形实验  33-34
  2.5 再结晶退火处理  34
  2.6 金相显微组织观察  34-35
  2.7 晶粒度测定  35
  2.8 X-射线衍射实验  35-36
  2.9 力学性能试验  36
    2.9.1 显微硬度测定  36
    2.9.2 拉伸和压缩实验  36
  2.10 扫描电镜观察  36-38
3 显微组织观察  38-56
  3.1 金相试样的取样  38
  3.2 金相组织观察  38-45
    3.2.1 挤压过程的金相组织  38-40
    3.2.2 不同温度挤压后试样的金相组织  40-42
    3.2.3 挤压后试样的退火金相组织  42-45
  3.3 晶粒尺寸的测量  45-47
  3.4 X-射线衍射实验  47-56
4 AZ31 镁合金的力学性能分析  56-70
  4.1 显微硬度测试  56-57
  4.2 压缩实验及分析  57-61
  4.3 拉伸实验及分析  61-68
  4.4 孪生对塑形变形的贡献  68-70
5 经复合式 DSE 变形的 AZ31 镁合金细化模式及室温断裂行为  70-78
  5.1 动态再结晶的模式  70-71
  5.2 影响复合式DSE 挤压的因素  71-73
  5.3 AZ31 镁合金的室温断裂行为  73-78
    5.3.1 经过复合式DSE 后镁合金的宏观断口  73-74
    5.3.2 经过复合式DSE 后镁合金的微观断口  74-78
6 复合式双剪切挤压工艺的有限元模拟  78-94
  6.1 有限元概论  78-79
    6.1.1 有限元模型基本介绍  78
    6.1.2 有限元模拟的原理  78-79
  6.2 DSE 有限元模拟的步骤  79-84
    6.2.1 有限元模型的建立  79-80
    6.2.2 材料添加  80-82
    6.2.3 模拟控制设置  82-84
  6.3 模拟结果分析  84-94
    6.3.1 复合式DSE 镁合金挤压的网格变化  84-86
    6.3.2 应力分析  86-88
    6.3.3 应变分析  88-89
    6.3.4 不同点追踪分析  89-91
    6.3.5 模拟复合式DSE 中温度对挤压力的影响  91-94
7 结论  94-96
致谢  96-98
参考文献  98-104
附录  104
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  104
  B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录  104

AZ31镁合金复合式双剪切挤压时组织性能与工艺的研究

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