AZ31镁合金电流辅助微成形建模及机理研究

发布时间：2019-03-05 19:40

【摘要】：塑性微成形技术具备生产效率高、材料利用率高以及产品机械性能优异等优势,然而,随着微型化,尺度效应越来越影响材料本构关系。为了减少尺度效应,一般采取基于模具传导加热提高微成形温度的方法,但同时导致加热效率低、模具寿命低等缺点。电流辅助(Electrically-assisted,EA)成形工艺是指在塑性加工的同时对坯料施加中/高密度的连续或脉冲电流,该技术具有加热效率高、模具寿命高等优点,且可产生电致塑性效应如降低成形力、提高塑性等。然而,电流辅助塑性成形是一种多场耦合工艺,目前学术界对其影响机制还未有定论,相关实验及模型研究还处于初步阶段,而且微/介观尺度的电流辅助塑性成形研究暂时鲜有报道,电致塑性效应是否减少尺度效应尚有待深入研究。AZ31镁合金较差的成形性能制约了其工业应用,尤其是在塑性微成形领域。本文以AZ31镁合金为对象,开展电流辅助微拉伸及电流辅助微压缩实验研究,探索热、机、电场耦合下材料与工艺参数对微拉伸与微压缩AZ31试样焦耳热行为及流动行为的影响规律,研究介观尺度电流辅助拉伸流动应力尺度效应,建立电流辅助微成形焦耳热模型及多场耦合下基于多效应机制的流动应力模型,揭示AZ31镁合金电流辅助微成形机理。本文研究了电流密度、晶粒尺寸及试样尺寸等对AZ31镁合金电流辅助微成形焦耳热行为的影响规律。结果表明:焦耳热温度在空间上分布不均匀,试样中心处最高,拉伸变形时在长度方向上服从抛物线分布。微拉伸时电流密度、试样尺寸及晶粒尺寸对最大焦耳热温度的影响规律与微压缩时一致,即随电流密度及试样尺寸的增大均增大,随晶粒尺寸的变化不明显,但最大焦耳热温度随拉伸变形增加而随压缩变形减小。基于焦耳热、热传导及热对流间的热力学守恒定律建立了电流辅助微成形焦耳热温度解析模型,有效地预测了不同电流密度下AZ31镁合金静态焦耳热实验与电流辅助微拉伸实验的最大焦耳热温度。考虑分散性失稳的焦耳热温度模型很好地预测了130 A/mm2时最大焦耳热温度时间曲线的下凸特征。基于应变硬化、应变率强化、焦耳热软化、动态应变时效(Dynamic strain aging,DSA)及电子风等五种效应建立了电流辅助拉伸流动应力模型。结果表明:排除DSA分量并考虑分散性失稳所预测的流动应力与实验值吻合度最好,在应变硬化阶段模型预测误差小于9%;130 A/mm2时该模型基于动态再结晶(Dynamic recrystallization,DRX)有效地预测了应变软化趋势。焦耳热软化效应对AZ31镁合金电流辅助微拉伸流动应力降贡献最大,而非热电致塑性效应的贡献非常小,几乎可以忽略。研究了AZ31镁合金电流辅助微拉伸流动应力的尺度效应,对比分析了电流辅助与电热解耦微拉伸实验的Hall-Petch关系。结果表明:Hall-Petch斜率按照室温(Room temperature,RT)实验、等温实验以及电流辅助实验的顺序依次减小,气体冷却电流辅助实验的Hall-Petch行为类似于电流辅助实验。基于多晶材料晶界处存在局部焦耳热效应的假设,建立了电流辅助拉伸Hall-Petch斜率模型,并通过室温、等温及电流辅助微拉伸实验所得Hall-Petch斜率验证了该模型的有效性。研究了不同电流密度辅助微拉伸实验下AZ31镁合金流动软化行为的尺度效应。结果表明:流动应力软化系数与电流密度之间的关系服从反S形指数函数,反S形曲线随着晶粒尺寸及试样尺寸的增大分别向高及低电流密度区间偏移;基于实验数据的回归分析与焦耳热定律获得了反S形函数偏移系数的半经验计算公式,进而有效地预测了五种金属材料电流辅助拉伸的软化行为;基于反S形指数函数,合理地定义并推导了电流辅助拉伸临界电流密度计算公式,计算结果表明:临界电流密度随着晶粒尺寸及试样尺寸的增加分别非线性地增加和减小。研究了电流密度、晶粒尺寸及试样尺寸对AZ31镁合金电流辅助微压缩流动行为的影响规律。结果表明:增大电流密度、减小晶粒尺寸及增大试样尺寸均会导致流动应力减小、可压缩变形量增大以及应变硬化率减小。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG661;TG306

【相似文献】