镁合金无缝管斜轧穿孔成形机理与实验研究

发布时间：2020-08-28 06:34

【摘要】：镁合金具备低密度,高比强度,高比刚度等优点,作为潜在的结构材料代替钢铁、铝合金,被广泛应用在航空航天、运输系统、通用机械设备等领域。如何制备低成本、高机械性能的镁合金管是镁合金材料研究的核心问题。镁合金的密排六方晶体结构导致其塑性变形能力差,加工时温降快,传统的挤压和拉拔镁合金管易出现裂纹等缺陷,易产生强基面或纤维织构,致使管各向异性特征强化,严重影响管力学性能与工艺成形性能。此外,传统生产镁合金无缝管的工艺效率低、环境污染和能耗严重。针对现有的镁合金无缝管加工存在的缺陷问题,本文首次提出AZ31镁合金无缝管斜轧穿孔新工艺,研究其成形机理和塑性变形理论,主要研究内容为:(1)首先基于镁合金三辊斜轧穿孔工艺原理及成形过程,构建了主要变形工具的曲面设计方程,借鉴镁合金板材轧制数学模型构建了适合斜轧穿孔的温度场模型、损伤模型及轧制力模型,运用到后续模拟镁合金穿孔过程中,为镁合金能顺利斜轧穿孔提供理论基础。(2)从镁合金材料本身出发,研究其在热成形过程中的热变形行为并构建精确的本构模型。对挤压态镁合金进行了不同变形条件下的热压缩试验,基于加工硬化与软化机制,分析温度和应变速率对流变行为及峰值应力的影响,考虑变形中温升对流变应力的影响,在高应变速率下采用温度补偿修正流变应力。运用双曲正弦模型构建不同范围的本构模型,并采用应变补偿修正,获得流变应力与温度、应变速率和应变的定量关系。(3)构建能量耗散图,判定其热加工失稳区,然后叠加能量耗散图与失稳区建立镁合金热加工图,准确预报镁合金在热加工过程中稳态加工区及流变失稳区,从而优化其加工工艺参数,结合不同变形条件下的微观组织分析,得到不同区域的变形机理。(4)研究了镁合金高温变形过程中组织演变规律,以及温度、应变速率、变形量对动态再结晶过程的影响规律。构建动态再结晶临界应变模型、动力学模型和晶粒尺寸模型,同时预测热加工过程中组织晶粒大小变化,通过分析温度、变形量对织构的形成及组分的影响规律,得到不同温度、变形量下可能出现的织构类型及产生机理,为后续镁合金斜轧穿孔工艺组织控制提供模型及理论基础。(5)选择不同温度和斜轧穿孔工艺参数进行组合,运用Deform有限元法对Φ40mm×300mm镁合金棒料的斜轧穿孔过程进行数值模拟,分析了镁合金管在三辊斜轧穿孔过程中的应力、应变、温度场及力能数据变化。深入分析温度、径向压缩量和顶头直径及前伸量对毛管质量的影响,得到镁合金斜轧穿孔合适的各工艺参数范围。(6)为验证镁合金斜轧穿孔工艺的可行性,在三辊斜轧实验机组上进行镁合金斜轧穿孔工艺试验研究。对斜轧过程中的力能参数进行了测试,并将实验结果与理论分析、有限元模拟进行了比较验证。对轧后样品进行宏观和微观分析,对比实验结果验证动态再结晶模型,并对毛管进行力学性能测试,分析了不同工艺参数、晶粒尺寸及取向对其影响,提出考虑Schmid因子的Hall-Petch关系式。
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG335.71
【图文】：

滑移系,镁合金

图 1.1 镁合金主要的滑移系[7]a> 基面；（b）<a> 柱面；（c）<a> 锥面；（d）<c+Fig.1.1 Independent slip systems of magnesium alloysal-<a>; (b) Prismatic-<a>; (c) Pyramidal-<a>; (d) Pyramids 准则，像镁合金这种多晶材料，必须具备 5 个以塑性变形，其独立滑移系如表 1.1 所示。室温下，启动，不能满足 Von-Mises 准则。通常情况下，晶引入取向因子，即 Schmid 因子衡量变形难易，其塑性变形是由剪切力引起的，当数值达到特定值力(Critical resolved shear stress，CRSS)。室温下，相差较大，分别达到 0.6-0.7Mpa 和 40Mpa[8-11]。所是{0001} <11-20>基面滑移，当存在较高的应力集动。镁合金对温度特别敏感，随着温度的升高其各，镁合金的基面滑移与非基面滑移的 CRSS 相差不

滑移,镁合金,滑移系

图 1.2 镁合金中 a 滑移、c+a 滑移[14]Fig.1.2 a and c+a slip systems in magnesium alloy[14]表 1.1 镁合金的独立滑移系Tab.1.1 Independent slip systems in magnesium alloys滑移系滑移面滑移方向独立滑移系数量基面滑移 (0001) <11-20> 2棱柱面滑移{10-10}<11-20> 2{11-20}锥面滑移{10-11} <11-20> 4{11-21}<11-23> 5{11-22}机制孪晶主要有两种形成方式：塑性变形形成变形孪晶；晶体形核及和相变孪晶等。镁合金孪晶变形所需的 CRSS 值要比相应滑移的

微观模型,镁合金,动态再结晶,孪晶

镁合金无缝管斜轧穿孔成形机理与实验研究金孪生动态再结晶机制，如图 1.3 所示。是晶粒形核和长大的过程。高温时，在位错密度较高的区域镁合迁移，形成不规则的晶界。故在晶界处形成高的应变梯度，非基面在基面和非基面位错交割下形成亚晶。随着应变的增大，小角度角度晶界。

【参考文献】