AZ31鎂合金板材溫熱變形行為的數(shù)值分析與試驗研究.pdf

1、鎂合金具有質(zhì)輕、比強度、比剛度高以及良好的散熱性和減振性等特點,在汽車、航空航天以及3C行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于鎂合金的密排六方晶體(HCP)結(jié)構(gòu),決定其在室溫下塑性很不理想,而在溫熱狀態(tài)下具有良好塑性變形能力。鎂合金在溫熱變形過程中會發(fā)生晶界滑移及動態(tài)再結(jié)晶,能細化晶粒、增強組織均勻性,有效地改善了合金的微觀組織,提高材料的力學性能。因此如何控制熱變形條件,使微觀組織演化向著所希望的方向發(fā)展就具有重要的理論和實際意義。
　

2、　 對鎂合金合金變形過程中晶界滑移及動態(tài)再結(jié)晶的研究手段主要有理論研究和試驗研究兩種。由于試驗條件與研究手段的限制,要對合金變形過程直接進行動態(tài)觀察相當困難,不能揭示熱塑性成形過程復(fù)雜的微觀物理現(xiàn)象。因此本文在分析變形條件與動態(tài)再結(jié)晶相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立考慮動態(tài)再結(jié)晶影響的宏細觀本構(gòu)模型。通過實驗與模擬技術(shù)相結(jié)合的方法,研究變形條件對晶界效應(yīng)及動態(tài)再結(jié)晶演化的定量影響規(guī)律。模擬鎂合金板材成形過程中微觀組織演化趨勢,獲得成形過程中各物

3、理場的分布規(guī)律,進而預(yù)測鎂合金板材的成形性能,為成形工藝的優(yōu)化提供了依據(jù)。為此,本文著重進行了以下幾個方面的研究:
　　 首先采用等溫拉伸試驗和金相觀察方法,研究了AZ31鎂合金在溫熱條件下的動態(tài)再結(jié)晶行為。研究變形條件對組織演變以及動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)的影響。該項研究為后續(xù)本構(gòu)方程以及動態(tài)再結(jié)晶組織演化數(shù)值模擬提供了研究基礎(chǔ)。
　　 在分析變形條件對流變應(yīng)力影響的基礎(chǔ)上,分析應(yīng)力指數(shù)、變形激活能、峰值應(yīng)變、硬化率曲線、臨

4、界應(yīng)變以及變形條件對動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)的影響,并建立考慮動態(tài)再結(jié)晶影響的宏細觀本構(gòu)模型。該本構(gòu)模型可以描述鎂合金動態(tài)再結(jié)晶對宏觀力學特性的影響規(guī)律,為鎂合金板材成形提供理論依據(jù),發(fā)展了薄板溫熱成形理論。
　　 利用熱粘塑性本構(gòu)模型,對AZ31鎂合金薄板在不同溫度下的單向拉伸進行了有限元數(shù)值仿真。采用代表性體積元的方法建立起考慮晶界影響的有限元模型,研究AZ31鎂合金薄板晶界效應(yīng)與溫熱變形條件變化的關(guān)系。該研究明確了變形條件對晶界

5、演化的影響,得到變形過程中晶粒的應(yīng)力應(yīng)變分布,這為研究動態(tài)再結(jié)晶過程中由位錯密度增加引起的再結(jié)晶形核分布提供了依據(jù)。
　　 將元胞自動機方法與再結(jié)晶理論相結(jié)合,建立鎂合金動態(tài)再結(jié)晶組織演化模型。并通過數(shù)值模擬的方法研究了變形條件對鎂合金熱拉伸過程中動態(tài)再結(jié)晶動力學的影響。研究結(jié)果表明計算所得的AZ31鎂合金熱拉伸過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線、組織轉(zhuǎn)變及拉伸終了組織中晶粒尺寸分布等與實驗結(jié)果一致。AZ31鎂合金在熱拉伸過程中發(fā)生了明顯的動態(tài)

6、再結(jié)晶,先形核長大的再結(jié)晶晶粒其晶界在變形條件滿足時則成為再次再結(jié)晶的形核位置,使晶粒尺寸更加細化和均勻化。動態(tài)再結(jié)晶動力學分析結(jié)果表明,與典型再結(jié)晶動力學曲線相比,溫度低、應(yīng)變速率大時AZ31鎂合金薄板熱拉伸過程未發(fā)生完全再結(jié)晶,再結(jié)晶動力學曲線呈不完全“S”形。
　　 最后基于上述研究基礎(chǔ),將基于元胞自動機方法得到的材料本構(gòu)模型引入沖壓成形數(shù)值仿真中,研究結(jié)果表明鎂合金溫熱變形條件下,應(yīng)力和應(yīng)變呈均勻分布,晶粒尺寸在凹模圓角