鎂合金鍛造成形性研究及數(shù)值模擬.pdf

1、作為工業(yè)輕金屬材料，鎂合金具有低的密度，高的比強(qiáng)度和比剛度，優(yōu)良的阻尼減震性和電磁屏蔽性。但由于其具有密排六方的晶體結(jié)構(gòu)，室溫下難以發(fā)生塑性變形，高溫下又易發(fā)生晶粒粗大和表面氧化，當(dāng)前的鎂合金產(chǎn)品以鑄件，特別是壓鑄件居多，塑性加工產(chǎn)品極少，但鑄件的力學(xué)性能較差、易產(chǎn)生缺陷，而變形鎂合金組織細(xì)小均勻、綜合機(jī)械性能好。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金塑性成形技術(shù)的研究，主要是集中在擠壓、軋制和超塑性變形等，由于鎂合金鍛造的難度較大，對(duì)溫度和應(yīng)變速率敏感，

2、鎂合金鍛造成形的研究很少。為了研究復(fù)雜形狀鎂合金零件的可鍛性，本文從鎂合金材料的高溫成形性能的基礎(chǔ)性研究入手，通過實(shí)驗(yàn)建立了鎂合金AZ31B的高溫流變應(yīng)力模型和微觀組織演化模型，為評(píng)價(jià)鎂合金熱變形的穩(wěn)定性，提出并構(gòu)造了包含應(yīng)變的三維加工圖。通過將這些基礎(chǔ)性研究結(jié)果與大變形熱力耦合有限元方法相集成，形成了預(yù)報(bào)鎂合金復(fù)雜零件熱成形可成形性的模擬方法，并以此為基礎(chǔ)研究了鎂合金直齒錐齒輪的鍛造成形工藝參數(shù)范圍。通過直齒錐齒輪鍛造實(shí)驗(yàn)，證明了所選

3、擇的成形工藝參數(shù)是合適的，同時(shí)也表明這種研究方法獲得了成功。 通過鎂合金AZ31B的Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)，在蠕變方程的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型流變應(yīng)力模型，考慮了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化效應(yīng)。模型認(rèn)為由于變形溫度決定了原子的擴(kuò)散能力和位錯(cuò)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，而應(yīng)變速率決定了位錯(cuò)密度和晶界能的累積速度，因而峰值應(yīng)力僅取決于變形溫度和應(yīng)變速率。由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程是熱激活過程，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)可通過唯象理論模型表示成

4、應(yīng)變的函數(shù)，而由峰值應(yīng)力和再結(jié)晶分?jǐn)?shù)可確定由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化作用引起的應(yīng)力的下降，因此任意時(shí)刻的應(yīng)力可以認(rèn)為取決于峰值應(yīng)力和應(yīng)變。該模型表示了溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的影響，不僅適用于鎂合金AZ31B，而且也適用于其它具有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特性的材料。模型參數(shù)相對(duì)較少且較易確定、適用于工程計(jì)算。 通過對(duì)經(jīng)典動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型的分析，本文提出了一種新的具有單參數(shù)的、反映了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程緩慢－快速－緩慢特點(diǎn)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型?；贏

5、vrami形式的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型雖然反映了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，由于采用指數(shù)函數(shù)的形式，無法準(zhǔn)確表示動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的慢－快－慢的過程?；诖朔治?，本文提出了一種新的具有單參數(shù)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型，模型參數(shù)少且物理意義明確，反映了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的特點(diǎn)，并可得到在一定變形條件下獲得細(xì)小晶粒所需的經(jīng)濟(jì)合適的應(yīng)變。采用定量金相分析的方法，對(duì)鎂合金AZ31B的微觀組織演化進(jìn)行試驗(yàn)研究并建立了新的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型與晶粒尺寸模型，模型得到的預(yù)測(cè)結(jié)

6、果與試驗(yàn)結(jié)果相一致。 基于Prasad的二維加工圖，首次建立了新的包含應(yīng)變的三維加工圖（三維功率耗散圖和三維失穩(wěn)圖），描述功率耗散系數(shù)和流變失穩(wěn)區(qū)域隨應(yīng)變速率、溫度和應(yīng)變的變化。傳統(tǒng)的基于動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖是二維溫度和應(yīng)變速率空間上功率耗散圖和流變失穩(wěn)圖的疊加，沒有考慮應(yīng)變的影響。對(duì)于復(fù)雜形狀零件的熱變形，應(yīng)變與溫度和應(yīng)變速率一樣是影響金屬流動(dòng)特性的因素，加工圖作為工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工具，由于沒有包含應(yīng)變，就不能完備地分析復(fù)雜零

7、件熱變形的可加工性。新的包含應(yīng)變的三維加工圖（三維功率耗散圖和三維失穩(wěn)圖），解決了具有明顯應(yīng)變軟化效應(yīng)的合金（如鎂合金）熱變形時(shí)可加工性對(duì)應(yīng)變的敏感性問題，是一個(gè)完備地反映材料可加工性的、進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工具。進(jìn)一步針對(duì)幾種不同的失穩(wěn)判據(jù)繪制三維流變失穩(wěn)圖，分析得到適合鎂合金的失穩(wěn)準(zhǔn)則。 本文首次提出并實(shí)現(xiàn)了將三維加工圖與有限元模擬兩個(gè)過程集成起來、通過進(jìn)行包含三維加工圖的數(shù)值模擬、完整分析材料內(nèi)稟可加工性和應(yīng)力狀態(tài)可加工性

8、的方法?？杉庸ば园☉?yīng)力狀態(tài)可加工性和材料的內(nèi)稟可加工性，傳統(tǒng)的基于動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖僅說明了材料的內(nèi)稟可加工性。通過進(jìn)行包含三維加工圖的數(shù)值模擬，可以得到材料在特定工藝條件下溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率和流變失穩(wěn)區(qū)域的分布，建立了一種分析金屬材料熱成形全過程可加工性的方法，對(duì)可加工性的理論和應(yīng)用進(jìn)行了擴(kuò)展和完善。通過二維圓柱壓縮的可加工性模擬，驗(yàn)證了加工圖與有限元相結(jié)合的研究方法及程序開發(fā)的正確性。 本文成功地完成了鎂合金AZ

9、31B直齒錐齒輪的鍛造成形工藝設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。為了研究復(fù)雜形狀鍛件的可加工性，選取直齒錐齒輪為理論的驗(yàn)證對(duì)象，采用無齒形預(yù)鍛和終鍛兩步等溫鍛造的成形工藝。將三維加工圖與三維復(fù)雜鍛造模擬相結(jié)合，建立鎂合金熱鍛成形的三維變形－溫度－組織演化－失穩(wěn)模擬的耦合分析系統(tǒng)，研究不同的鍛造溫度、鍛壓設(shè)備的工作速度、預(yù)鍛模的形狀參數(shù)和摩擦對(duì)鎂合金錐齒輪鍛造成形的影響，確定了最優(yōu)的預(yù)鍛件形狀以及鍛造溫度、鍛造速度等工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文實(shí)現(xiàn)了鎂合金AZ3