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镁合金轧制变形及边裂机制研究

作　者: 戴庆伟
导　师: 张丁非
学　校: 重庆大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 镁合金轧制边裂各向异性损伤
分类号: TG339
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

镁合金作为最轻的金属之一,被广泛的应用到各种交通工具和移动产品上。轧制是镁板生产最主要的方式。但是由于金属镁固有的晶体结构和物理性质,在镁合金的塑性变形及镁板轧制的过程中很容易出现裂纹等缺陷。为了研究镁板轧制裂纹产生的原因,本文运用有限元技术,结合损伤理论,以及Gleeble热塑性物理模拟、实验室轧制、XRD等织构分析手段、SEM、金相分析等实验手段,系统的研究了镁合金塑性变形的特点,尤其是各向异性对镁合金弹塑性变形的影响;镁合金塑性变形中的损伤行为,以及影响镁板轧制边裂和轧板组织的诸多因素;并制定了镁板轧制边裂预测和改进的方案。镁合金塑性变形及损伤行为的研究表明:（1）塑性变形过程中,镁合金的各向异性行为非常显著。初始织构将严重影响镁合金变形后的形状,及变形过程中的应力-应变特征。当加载方向垂直于密排六方晶格的c轴,将出现明显的屈服现象;且变形将优先发生在沿着c轴的方向,使圆柱形试样的截面形状呈椭圆形。（2）镁合金塑性变形的各向异性具有强烈的温度和应变速率依赖性。温度越低,应变速率越高,各向异性越明显。且即使在400℃的较高温度,如果应变速率很大,则依然有很强烈的各向异性。（3）建立了考虑各向异性因素的镁合金弹塑性变形的本构方程:σ= C_ijε_e+σlcosxcosλ。（4）镁合金的初始晶体取向、变形温度、应变速率等对塑性损伤有很大的影响,尤其初始织构将决定裂纹的扩展方向,使标准拉伸断口呈现取向性的椭圆形。（5）建立了综合考虑温度、应变速率,及晶体取向的损伤本构方程: 0 maxd C1uexp（RQT）。基于镁合金塑性变形本构和塑性损伤理论,用实验和有限元方法研究镁合金轧板边裂的结果表明:（1）初始织构对镁板轧制成形性有重大影响。当初始晶体结构的c轴垂直于镁板ND方向的时候,道次压下量62%未见边裂;而具有基面织构的镁板容易发生边裂。（2）镁板的形状对轧制边裂的影响可以用下面的方程预测,D=-0.124+0.09X-0.008X²,X=宽/厚, 0<X<6,当D≥0边裂发生。（3）建立的基于镁合金弹塑性变形本构关系和损伤理论的有限元模型,能够成功地预测压下量、温度、形状等因素对轧制边裂的影响以及多道次轧制过程,与实验结果吻合。（4）镁板的组织和边裂相互影响。微裂纹先在晶粒粗大的边部形成,然后穿晶扩展,在裂纹尖端的塑性区使晶粒细化,最后形成沿着裂纹的细小晶粒带。通过镁合金弹塑性变形和损伤的研究、轧制实验和有限元模拟,建立了基于温度、压下量和道次的轧制成型图、诸多经验方程、有限元模型,以指导镁合金的轧制,避免边裂。制订了能够实现少道次大压下量无边裂轧制的ND-TD-ND-TD镁板轧制工艺。本研究发展的理论和制订的新工艺将很好的指导镁板的轧制,很大程度提高轧制成形性和生产效率,具有重大生产和学术的意义。由于镁合金的密排六方结构和塑性变形的各向异性,其塑性损伤的机制跟以往研究损伤的材料不同,所以对镁合金的损伤的研究还有很漫长的道路。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-11
1 绪论  11-21
  1.1 镁合金轧制成型的特点  11-12
  1.2 镁板轧制工艺和轧制方式  12-18
    1.2.1 镁板轧制工艺  12-15
    1.2.2 轧制方式  15-18
  1.3 轧制边裂的研究现状及研究的意义  18
  1.4 研究方案  18-21
2 镁合金的热变形行为  21-29
  2.1 实验方案  21
  2.2 不同温度，应变速率下的应力-应变关系  21-23
  2.3 不同温度，应变速率下变形后材料的组织  23-25
  2.4 镁合金的塑性变形本构关系  25-29
3 镁合金塑性变形的各向异性  29-43
  3.1 初始取向对塑性变形的影响  29-35
    3.1.1 实验方法  29-31
    3.1.2 织构表征  31-32
    3.1.3 各向异性变形分析  32-33
    3.1.4 各向异性应力-应变关系和组织演化  33-35
    3.1.5 小结  35
  3.2 镁合金拉-压不对称性  35-37
  3.3 温度，应变速率对镁合金各向异性的影响  37-39
  3.4 各向异性弹塑性变形综合本构关系的实现  39-43
    3.4.1 取向因子  40
    3.4.2 各向异性屈服准则  40-43
4 镁合金（HCP 结构）的塑性损伤  43-63
  4.1 引言  43-47
    4.1.1 塑性损伤机制  43
    4.1.2 塑性损伤的影响因素  43-45
    4.1.3 塑性损伤的研究方法  45-47
    4.1.4 镁合金的塑性损伤  47
  4.2 温度和应变速率对损伤（断裂）的影响  47-52
    4.2.1 温度和应变速率对单轴拉伸性能的影响  47-49
    4.2.2 温度和应变速率对断口微观形貌和空洞的影响  49-51
    4.2.3 温度和应变速率对硬度的影响  51-52
  4.3 晶体取向对断裂的影响  52-56
    4.3.1 压缩裂纹取向性  52
    4.3.2 单轴压缩各向异性数值模拟  52-53
    4.3.3 拉伸断口特殊取向性  53-55
    4.3.4 断面收缩率和断口取向  55-56
  4.4 镁合金塑性变形裂纹的动态响应  56-59
  4.5 镁合金塑性损伤本构关系  59-63
    4.5.1 弹性模量法  59-61
    4.5.2 镁合金（HCP 结构）损伤机理  61-62
    4.5.3 基于多种因子的塑性损伤方程  62-63
5 镁合金多道次轧制物理模型及数值模拟  63-77
  5.1 多道次轧制物理模拟  63-67
    5.1.1 多道次压缩应力-应变关系  63-65
    5.1.2 多道次压缩过程中的组织演化  65-67
  5.2 有限元模拟多道次轧制  67-77
    5.2.1 引言  67-69
    5.2.2 多道次轧制过程有限元实现  69-74
    5.2.3 轧制力的变化  74-77
6 轧制镁板边裂的影响因素  77-111
  6.1 温度对边裂的影响  77-87
    6.1.1 数学模型  77-79
    6.1.2 实验方法和有限元模拟  79-81
    6.1.3 轧制引起的板料温度变化  81-83
    6.1.4 温度对轧制力的影响  83-84
    6.1.5 温度对应力及边裂的影响  84-86
    6.1.6 不同温度对应的裂纹状态  86
    6.1.7 小结  86-87
  6.2 压下量对边裂的影响  87-92
    6.2.1 数值模拟和实验  87-88
    6.2.2 损伤分析  88
    6.2.3 热传导及温度变化分析  88-90
    6.2.4 塑性损伤理论在边裂研究中的实现  90-92
    6.2.5 小结  92
  6.3 形状（宽高比）对边裂的影响  92-98
    6.3.1 模拟和实验  93-94
    6.3.2 分析方法  94
    6.3.3 用损伤理论预测边裂  94-96
    6.3.4 应力分布  96-97
    6.3.5 宽度对极限应变速率的影响  97-98
    6.3.6 小结  98
  6.4 初始织构对轧制成型性的影响  98-105
    6.4.1 实验材料和研究方法  99-100
    6.4.2 轧制成形性  100
    6.4.3 织构演变  100-102
    6.4.4 组织演化  102-103
    6.4.5 板形和边裂数值模拟  103-104
    6.4.6 边裂量化分析  104-105
    6.4.7 小结  105
  6.5 微观组织与边裂的相互关系  105-111
    6.5.1 实验方案  106
    6.5.2 晶体取向差异  106-107
    6.5.3 试样边部和中间的组织分析  107-109
    6.5.4 损伤分析  109-110
    6.5.5 微观组织和裂纹增生的相互影响  110
    6.5.6 小结  110-111
7 边裂的预测及提高轧制成形性避免边裂的措施  111-117
  7.1 轧制成型图  111-113
  7.2 数据回归，经验方程  113
  7.3 有限元模拟轧制过程，预测裂纹  113-114
  7.4 少道次大压下量高成形性的ND-TD-ND-TD 轧制  114-117
8 影响板材组织性能的几个因素  117-129
  8.1 初始宽度对轧制板材组织和性能的影响  117-120
    8.1.1 材料准备和实验方法  117-118
    8.1.2 硬度分析  118
    8.1.3 显微组织分析  118-119
    8.1.4 XRD 分析  119-120
    8.1.5 结论  120
  8.2 温度对板材组织的影响  120-122
  8.3 不同道次压下量轧制镁板的组织  122-127
  8.4 边裂镁板中间和边部的组织比较  127-129
9 结论与展望  129-133
  9.1 主要结论  129-130
  9.2 创新之处  130-131
  9.3 对今后研究的展望  131-133
致谢  133-135
参考文献  135-147
附录  147-148
  A 作者在攻读学位期间发表的论文目录  147-148
  B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录  148

镁合金轧制变形及边裂机制研究

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