AZ31鎂合金ECAP擠壓過程塑性變形與組織演變規(guī)律的研究.pdf

1、鎂及鎂合金是迄今在工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、交通運(yùn)輸以及3C產(chǎn)品制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但密排六方的品格結(jié)構(gòu)決定了其塑性變形能力差，因此提高鎂合金塑性變形能力已成為鎂合金研究的熱點(diǎn)之一。細(xì)化晶粒是提高材料性能的有效手段，當(dāng)材料的微觀結(jié)構(gòu)達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，便有可能使該材料的強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加。等通道轉(zhuǎn)角擠壓(EqualChannelAngularPressing,ECAP)是一種有效制備超細(xì)晶乃至納米晶結(jié)構(gòu)材料的大塑性交

2、形方法，已廣泛應(yīng)用于各種塊狀金屬超細(xì)晶材料的制備。采用該工藝細(xì)化鎂合金晶粒的效果同變形過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等場量的大小及分布密切相關(guān)，而這些場量分布又取決于ECAP模具結(jié)構(gòu)及變形工藝參數(shù)設(shè)置，因此全面研究不同參數(shù)對(duì)擠壓過程的影響規(guī)律對(duì)于采用ECAP方法制備鎂合金超細(xì)晶材料具有重要意義。
　　 本文采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法對(duì)鎂合金的ECAP變形工藝進(jìn)行研究，首先采用塑性成形有限元軟件DEFORM-3D對(duì)不同條件下的EC

3、AP工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模具幾何形狀，變形工藝參數(shù)對(duì)擠壓過程的影響規(guī)律，研究鎂合金ECAP擠壓過程的變形機(jī)理，優(yōu)化變形工藝參數(shù)。采用空間轉(zhuǎn)換法實(shí)現(xiàn)了ECAP工藝多道次擠壓有限元分析中的數(shù)據(jù)繼承，得到了不同變形路徑下的應(yīng)變累積規(guī)律。在分析數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鎂合金ECAP擠壓實(shí)驗(yàn)?zāi)＞卟⒋_定了擠壓工藝方案，實(shí)現(xiàn)了AZ31鎂合金的多道次擠壓變形，并采用室溫拉伸實(shí)驗(yàn)、微觀硬度測試、金相光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射等分析手段，

4、獲得了不同變形條件下鎂合金ECAP擠壓件微觀組織、變形織構(gòu)以及宏觀力學(xué)性能的演化規(guī)律。
　　 工件變形均勻性一直是等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程中影響材料性能的主要原因之一，模具結(jié)構(gòu)是影響試樣變形均勻的重要因素。本文通過對(duì)不同模具外角ψ，內(nèi)角半徑r值以及背壓條件下ECAP變形過程的有限元模擬，研究獲得了不同模具結(jié)構(gòu)AZ31鎂合金ECAP變形時(shí)的等效應(yīng)變分布。結(jié)果表明當(dāng)模具外角ψ等于20°，內(nèi)角半徑r為2mm時(shí)工件可以獲得均勻變形。微觀組織觀

5、察以及硬度測試表明，AZ31鎂合金經(jīng)過一道次ECAP擠壓后，微觀組織顯著細(xì)化，力學(xué)性能明顯改善，但是平均晶粒尺寸及微觀維氏硬度在工件橫截面上分布不均勻，且實(shí)驗(yàn)所得變化趨勢(shì)與有限元分析所得等效應(yīng)變分布的變化趨勢(shì)基本一致，等效應(yīng)變分布的不均勻性是導(dǎo)致材料微觀組織和力學(xué)性能不均勻的主要因素之一。
　　 變形溫度是影響鎂合金變形行為的重要因素。本文通過建立鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程的熱力耦合有限元分析模型，對(duì)不同擠壓速度及摩擦條件下ECA

6、P變形過程中的溫度場及應(yīng)變場分布進(jìn)行了分析，獲取了變形工藝條件對(duì)鎂合金變形行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，等通道擠壓過程中試件溫度分布不均勻，在模具轉(zhuǎn)角剪切部位溫度顯著升高，且存在明顯的溫度梯度。XRD分析和微觀組織觀察顯示，AZ31鎂合金變形后錐面衍射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，并且鎂合金的再結(jié)晶速度隨著變形溫度的升高而顯著加快。結(jié)合變形過程中溫度場的分布狀況，建議AZ31鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓的合理變形溫度為250℃。
　　 變形路徑對(duì)多道次

7、ECAP載荷及平均等效應(yīng)變影響較小，但對(duì)變形后的應(yīng)變分布有一定影響。工件經(jīng)過不同路線ECAP變形后橫截面上等效應(yīng)變分布相似，縱截面存在較大差異，不同路徑工件縱截面上的等效應(yīng)變分布基本繼承了首道次ECAP變形特點(diǎn)，而橫截面上的等效應(yīng)變分布隨變形路徑及變形道次的不同而不同。在經(jīng)過四道次ECAP工藝處理后，A路徑（相鄰道次工件相對(duì)位置不變）和Ba路徑（相鄰道次工件沿軸向交替旋轉(zhuǎn)90°）擠壓工件的主變形區(qū)內(nèi)存在較為明顯的梯度，而Bc路徑（相鄰道

8、次工件沿軸向依次旋轉(zhuǎn)90°）和C路徑(鄰道次工件沿軸向依次旋轉(zhuǎn)180°)處理的工件可以獲得良好的等效應(yīng)變分布。從工件主變形區(qū)橫截面上不均勻變形系數(shù)來看，Bc路徑擠壓所獲得的應(yīng)變累積最為均勻。
　　 經(jīng)過不同路徑四道次ECAP工藝處理后，AZ31鎂合金的室溫抗拉強(qiáng)度、伸長率較原工件均有明顯的提高，采用A路徑和Ba路徑擠壓時(shí)，可以獲得較高的抗拉強(qiáng)度，而采用Bc路徑和C路徑時(shí)工件的延伸率較高。SEM斷口觀察顯示ECAP擠壓使合金拉伸斷