镁锂合金挤压过程中的组织演变及数值模拟研究

发布时间：2018-01-29 17:52

  本文关键词： 镁锂合金 热变形 本构方程 机械性能 复合挤压　出处：《重庆大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：镁锂合金作为目前最轻的金属结构材料之一,表现出优异的成形性能,具有比强度高和良好的阻尼特性等优点。因此其在工业方面的潜在应用价值引起了学术界和技术领域的关注。然而,镁锂合金的强度较低,不利于大规模应用。本课题通过在镁锂合金中添加稀土Y和碱土Sr,制备了Mg-Li-Al-Sr-Y和Mg-Li-Zn-Y合金,并且研究了Sr和Y分别对Mg-Li合金组织及性能的影响规律,探索了挤压变形工艺对合金组织与性能的影响,研究了合金的流变应力变化规律。并且建立了镁锂合金高温变形的数学模型,进行了实验验证。首次利用复合挤压制备了Mg-Li/Al复合材料,通过数值模拟系统分析了该实验过程。主要工作及研究结果如下:①获取了双相Mg-9Li-3Al-2Sr合金在高温压缩过程中的真应力应变曲线(温度范围423 573K,应变速率范围0.001 1 s-1)。在特定应变范围内,材料的流变应力随变形温度的降低和应变速率的增加而增大。应变软化在临界应变处出现,其原因为材料变形过程中的动态回复和动态再结晶。在低应变速率下出现锯齿形流变,即合金的动态应变时效现象(DSA),其原因为固溶原子Mg和Li周期性剪切阻碍位错。Mg-9Li-3Al-2Sr合金的数学模型通过Zener Hollomon公式建立,其预测的流变曲线与实验值非常吻合。相关系数R和平均相对误差(AARE)分别为0.9970和4.41%,由此可证实该模型的有效性。②研究了高温挤压Mg-9Li-3Al-2Sr-2Y合金的流变应力变化规律和本构模型。分别利用Ludwik,Zener-Hollomon和Hensel-Spittel公式对流变曲线进行了模型建立。三种数学模型成功的描述了该合金在高温压缩下的流变行为。Ludwik模型的相关系数R和平均相对误差(AARE)分别为0.9937和4.48%;Zener-Hollomon模型的相关系数R和平均相对误差(AARE)分别为0.9938和8.19%;Hensel-Spittel模型的相关系数R和平均相对误差(AARE)分别为0 0.9920和8.45%。Ludwik和Zener-Hollomon公式可以有效地描述材料的应变软化阶段,而Hensel-Spittel公式可以对合金整体变形进行预测,包括小应变区域。③通过对Mg-9Li-3Al-2Sr-2Y合金进行双通道挤压,β-Li和Al4Sr相均得到了明显细化。弥散分布的Al4Sr相主要分布在α/β相界面和β Li基体,部分Al2Y相在热挤压过程中固溶进入基体。β-Li相的平均晶粒由132μm被细化至~3-8μm。Mg-9Li-3Al-2Sr-2Y合金挤压棒的中段具有较好的强度和延展性。这是由于挤压所致的动态再结晶以及α-Mg相和Al4Sr相的均匀分布。双通道挤压可视为一种有效提升镁锂合金力学性能的方法。④通过有限元软件DEFORM-3D对双通道挤压过程进行了数值模拟。其硬度分布、损伤以及晶粒尺寸演化均与有效应变有关。通过研究挤压棒的组织和性能验证了数学模型的有效性。实验所获得载荷和组织演化规律也与数值模拟相吻合。⑤研究了I相和W相对LZ83-xY镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:LZ83-xY合金中I相和W相的含量变化与Zn/Y质量比有关。I/α-Mg共晶包的结合力可以增强铸态LZ83-0.5Y和LZ83-1.0Y合金的强度,而W相对LZ83-1.5Y镁合金没有明显的强化效果。在挤压态合金中,I相和W相被挤压成纳米颗粒弥散在β-Li基体中。由于W相的体积分数较高,其弥散强化效果更为明显。挤压态LZ83-1.5Y镁合金的极限抗拉强度达到238 MPa,伸长率为20%。⑥研究了一种新的复合挤压制备Mg-Li/Al复合材料的方法。该方法具有以下几种优点:操作简单、节约能源、尺寸可控性好、一次成型即可获得较好的结合强度。挤压棒材表面共晶组织厚度约为20μm,硬度约为220HV。通过压缩实验对复合材料棒、铸态合金以及常规挤压态合金进行了对比。实验表明:室温下,共晶组织包覆的Mg-Li合金挤压棒压缩强度约为335MPa,比铸态合金高32%,比常规挤压棒材高11%。由于该共晶组织具有较高的热稳定性,其高温力学性能为铸态合金的2倍。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG379

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本文编号：1473993