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镁合金板材轧制及数值模拟研究

作　者: 方霖
导　师: 张丁非
学　校: 重庆大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: AZ31镁合金热压缩变形轧制边裂数值模拟
分类号: TG339
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

变形镁合金板材在交通工具、电子、汽车等领域的应用越来越广泛。轧制是镁合金板材生产的主要方式,但是由于镁合金的晶体结构为密排六方,滑移系较少,室温下塑性变形能力差,轧制过程中加工成品率较低,在生产过程中容易产生边裂,导致镁合金板材价格偏高,从而限制了镁合金板材的扩大应用。为此,开展镁合金板材轧制工艺及塑性变形模拟研究对提高镁合金板材的加工效率、改善力学性能以及降低制造成本具有非常重要的工程价值和学术意义。本文以AZ31镁合金为研究对象,结合实际试验和数值模拟的方法,运用Gleeble-1500热模拟机和Marc有限元模拟软件,并采用金相、扫面电镜、X射线衍射分析等手段对AZ31镁合金的热变形行为以及热轧过程进行了研究。采用圆柱试样在Gleeble-1500热模拟试验机上对AZ31镁合金进行热压缩变形试验,研究了该合金在变形温度为200~400℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的热变形行为。结果表明:AZ31镁合金高温压缩时流变应力随流变速率的降低和变形温度的升高而减小,其热压缩变形过程分为加工硬化、过渡、软化和稳态流变四个阶段;AZ31镁合金的高温流变行为可用包含Arrhenius项的Z参数来描述,建立了合金的流变应力本构方程;采用金相显微镜对其热变形过程中的组织演变规律进行分析,同时结合热拉伸实验结果得到在本试验条件下,AZ31镁合金的较优加工工艺条件是:变形温度为350~400℃,变形速率为0.01~0.1s-1。采用有限元数值模拟的方法,对镁合金板材轧制过程进行了数值模拟,分析了等效应力、温度和宽展的变化,AZ31镁合金板材轧制的极限温度为210℃,轧制过程中板材的左右两侧应力集中,同时轧件的头、尾部分宽展量比较大,也得到了温度场和应力场随着轧制工艺参数的变化,为镁合金板材轧制成型技术的发展提供理论依据。进行了AZ31镁合金热轧试验,采用楔形样和梯形样轧板研究了压下量与板材宽度对AZ31镁合金组织和性能的影响;通过长方形轧板研究了轧制温度以及单道次压下量对组织和性能的影响,并且得到了各个轧制条件下板材产生边裂的边界条件,在400℃条件下轧制,每道次压下量为1mm轧制时,可以得到AZ31镁合金板材热轧道次最高极限加工率,为62.5%;再结合显微硬度测试、SEM、XRD实验,分析了边裂产生的原因,最后通过抗压试验模拟了边裂的产生过程。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-23
  1.1 引言  9
  1.2 镁合金的塑性变形  9-12
    1.2.1 镁合金的塑性变形机制  9-10
    1.2.2 变形镁合金轧制的研究现状  10-12
  1.3 镁合金轧制过程的研究方法  12
  1.4 有限元分析的基本理论  12-18
    1.4.1 有限元模型的研究背景  12-13
    1.4.2 有限元法的基本原理  13-14
    1.4.3 有限元法的一般分析步骤  14-15
    1.4.4 有限元模拟软件MSC.MARC  15-16
    1.4.5 轧制过程中热力耦合有限元分析基本理论  16-18
  1.5 材料变形行为研究和动态再结晶研究概况  18-21
    1.5.1 材料热变形性能的研究  18-19
    1.5.2 镁合金热变形过程中的动态再结晶  19-21
  1.6 课题研究的目的及意义  21
  1.7 课题的研究内容  21-23
2 实验过程及方法  23-31
   2.1 热变形行为研究  23-24
    2.1.1 实验材料  23
    2.1.2 实验方法  23-24
  2.2 轧制过程的数值模拟  24-26
    2.2.1 实验设备  24-25
    2.2.2 实验方法  25-26
  2.3 轧制实验  26-28
    2.3.1 实验材料  26
    2.3.2 实验设备  26
    2.3.3 实验方法  26-28
  2.4 金相实验  28
  2.5 显微硬度试验  28-29
    2.5.1 实验目的  28
    2.5.2 实验方法  28-29
  2.6 晶粒度的测量  29
  2.7 X-Ray 分析实验  29
    2.7.1 实验目的  29
    2.7.2 实验设备  29
  2.8 扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析(EDS)  29-30
  2.9 抗压试验模拟裂纹产生过程  30
  2.10 小结  30-31
3 AZ31 镁合金热压缩过程中流变应力与组织性能的研究  31-51
  3.1 引言  31
  3.2 AZ31 镁合金的热变形行为研究  31-41
    3.2.1 应力应变曲线分析  31-34
    3.2.2 流变应力本构方程的建立  34-41
   3.3 AZ31 镁合金变形组织性能分析  41-47
    3.3.1 不同变形条件下AZ31 镁合金显微组织  41-46
    3.3.2 温度与应变速率对显微硬度的影响  46-47
  3.4 热拉伸实验结果分析  47-50
    3.4.1 不同变形条件对断面收缩率的影响  47-48
    3.4.2 SEM 断口形貌分析  48-50
  3.5 小结  50-51
4 镁合金轧制过程的数值模拟  51-73
  4.1 引言  51
  4.2 镁合金板材轧制过程中有限元模型的建立  51-58
    4.2.1 有限元几何模型的建立  51-54
    4.2.2 材料特性定义  54-55
    4.2.3 边界条件定义  55-56
    4.2.4 初始条件定义  56
    4.2.5 接触定义  56-57
    4.2.6 单元的选取  57
    4.2.7 工况加载  57
    4.2.8 设置作业参数并提交运行  57-58
  4.3 轧制过程模拟结果分析  58-71
    4.3.1 带有温度梯度的镁合金板材轧制模拟结果分析  58-61
    4.3.2 楔形镁合金板材轧制模拟结果分析  61-64
    4.3.3 梯形镁合金板材轧制模拟结果分析  64-68
    4.3.4 长方形镁合金板材轧制模拟结果分析  68-71
  4.4 小结  71-73
5 AZ31 镁合金板材轧制工艺与组织性能  73-113
  5.1 引言  73
  5.2 AZ31 镁合金单道次轧制结果分析  73-79
    5.2.1 楔形样轧制  73-75
    5.2.2 梯形样轧制  75-79
  5.3 AZ31 镁合金多道次轧制结果分析  79-111
    5.3.1 轧制结果  79-85
    5.3.2 组织观察  85-103
    5.3.3 显微硬度分析  103-106
    5.3.4 X-射线衍射实验结果分析  106-108
    5.3.5 裂纹处SEM 观察结果分析  108-110
    5.3.6 抗压试验模拟裂纹产生过程  110-111
  5.4 小结  111-113
结论  113-114
致谢  114-116
参考文献  116-122
附录作者攻读硕士期间发表的论文及专利目录  122

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