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AZ91镁合金高温变形行为的实验研究与数值模拟

作　者: 丁汉林
导　师: 丁文江；刘六法
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: AZ91镁合金 塑性变形 挤压 热压缩 元胞自动机模型 背散射电子衍射 动态再结晶 组织演变 力学性能 析出相
分类号: TG146.22
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


本文通过实验和计算机模拟的方法研究了AZ91镁合金的高温变形行为。论文主要考察了变形条件对合金变形过程中动态再结晶的影响,利用背散射电子衍射技术分析了该合金在高温变形过程中发生动态再结晶时的组织演变、晶界取向差的变化,研究了第二相粒子对动态再结晶形核及合金力学性能的影响。建立了适用于模拟AZ91热压缩变形中动态再结晶行为的元胞自动机模型,模型中充分考虑了形核率、临界形核密度、位错密度增长及晶粒生长驱动力等多方面因素,重点考察了第二相粒子对位错密度增长及晶界迁移的影响,利用数值计算结果分析了合金的动态再结晶动力学、再结晶晶粒尺寸变化特征、第二相粒子对再结晶晶粒形核的影响及第二相粒子的分布特征等内容,并与实验结果进行了比较。在此基础上,开发了AZ91合金热压缩过程中变形行为的数值模拟软件。本文主要研究结果如下:1. AZ91合金在热挤压过程中发生了动态再结晶,挤压态合金的晶粒明显细化。挤压比相同时,随挤压温度升高,基体的再结晶程度增加,再结晶晶粒平均尺寸增大;当挤压温度相同时,随挤压比增大,基体的再结晶程度增加,再结晶晶粒分布均匀性增强,在动态再结晶发生完全的情况下,合金的平均晶粒尺寸随挤压比增大而减小;2.与铸态AZ91合金相比,均匀化处理可以降低合金的抗拉强度、提高其延伸率;挤压变形同时提高了合金的抗拉强度和延伸率,随挤压比增大或挤压温度增加,合金的抗拉强度降低、延伸率增加;与室温性能相比,在相同的挤压条件下,150℃下拉伸时合金的抗拉强度较低、延伸率较高;3.挤压温度一定时,随挤压比增加,基体中析出相的比例减小、分布更加均匀;挤压比一定时,随挤压温度升高,基体中析出相的比例减小、分布更加均匀;EBSP分析结果表明,变形过程中析出的第二相粒子有利于动态再结晶形核、晶粒细化;4.变形温度是决定AZ91合金热压缩变形中动态再结晶方式的主要因素,温度较低(250℃和300℃)时,变形过程中发生大量孪晶,动态再结晶晶粒优先在原始晶粒晶界和变形初期产生的大量孪晶处形核;温度较高(350℃和400℃)时,变形过程中没有明显的孪晶现象,动态再结晶晶粒在原始晶粒晶界处形核并发生长大,变形过程中发生了明显的多次循环再结晶;5.在Gleeble实验机上进行高温压缩时,随应变量增加,小角度晶界逐渐转变成大角度晶界,2o~4o小角度晶界的分数降低,4o~15o的小角度晶界及大角度晶界的分数增加;随应变速率降低,合金稳态组织中的小角度晶界(<15o)的分数及其长度增加,而大角度晶界(>15o)的分数及其长度减少;6. AZ91合金在挤压及热压缩过程中均易形成强烈的纤维织构,不同的是,挤压后合金基体中基面平行于挤压方向,而压缩后合金基体中基面发生转动并逐渐趋于与压缩轴成90o方向;7.温度较低或应变速率较高时,流变曲线所达到的峰值应力较大,而在相同的应变速率下,峰值应变随温度升高而明显减小;流变应力、应变速率和变形温度之间的关系可用双曲正弦函数A[ sinh(ασ)]n =εexp(QRT)表示,其中平均激活能Q=175.82KJ/mol,应力因子α=0.013MPa-1,应力指数n=5.6;峰值应变与变形条件(Z参数)之间满足关系式εp =2 .1×10?3Z0.124;–( ?θ/ ?σ)-σ曲线因不同温度下变形机制的不同而变化;8. DRX-CA模型模拟的AZ91合金热压缩过程的应力应变曲线、组织转变及稳态组织中晶粒尺寸分布和晶粒边数分布等计算结果与实验结果吻合良好;9.变形初始阶段,由于再结晶晶粒形核的发生,基体内晶粒数量急剧增加,平均晶粒尺寸急剧下降,随变形量增加,平均晶粒尺寸下降的速率减缓直至达到某一稳态值,且稳态晶粒尺寸随着变形温度的升高而增加;初始晶粒平均尺寸呈线性下降直至原始晶粒完全被细小的再结晶晶粒吞噬,而再结晶晶粒平均尺寸增加至峰值后缓慢下降至某一稳态值;10.变形过程中多循环再结晶的发生使流变曲线具有明显的单峰特征,并使得基体组织即使在原始晶粒完全消失的情况下仍可进一步细化直至稳态;11.变形过程中不断析出的第二相粒子有利于动态再结晶晶粒的形核,晶界上分布有第二相粒子的晶粒平均尺寸小于晶界上没有第二相粒子分布的晶粒平均尺寸;稳态组织中,绝大多数第二相粒子均分布在晶界或角隅处。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
第一章 绪论  15-33
  1.1 镁合金的应用与分类  15-16
  1.2 变形镁合金的研究现状  16-23
    1.2.1 镁合金塑性成形工艺  16-17
    1.2.2 镁合金的滑移系  17-18
    1.2.3 镁合金变形过程中的动态再结晶  18-19
    1.2.4 变形对镁合金组织的影响  19-20
    1.2.5 变形对镁合金性能的影响  20-22
    1.2.6 变形对镁合金织构的影响  22
    1.2.7 变形过程中二次相的演变及其对性能的影响  22-23
  1.3 动态再结晶的计算机模拟  23-25
  1.4 本课题的研究内容及意义  25-27
  参考文献  27-33
第二章 实验及模拟方法  33-39
  2.1 材料制备  33
    2.1.1 实验材料  33
    2.1.2 合金熔炼与铸锭制备  33
    2.1.3 均匀化处理  33
  2.2 热挤压实验  33-34
  2.3 热压缩实验  34
  2.4 合金的组织观察和力学性能测试  34-36
    2.4.1 组织观察  34-35
    2.4.2 力学性能测试  35
    2.4.3 背散射电子衍射分析  35-36
  2.5 热压缩过程的计算机模拟  36
  2.6 课题设计及论文结构  36-37
  参考文献  37-39
第三章 AZ91 合金热挤压行为分析  39-59
  3.1 引言  39-40
  3.2 铸态组织及均匀化处理后组织分析  40
  3.3 合金挤压态组织分析  40-44
  3.4 合金挤压态力学性能  44-46
  3.5 二次相粒子析出对再结晶行为及合金力学性能的影响  46-50
  3.6 挤压态合金的织构及取向分析  50-51
  3.7 讨论  51-55
    3.7.1 变形 AZ91 镁合金工业化应用可行性分析  51-52
    3.7.2 动态再结晶及第二相粒子对其影响的分析  52-54
    3.7.3 织构的形成  54-55
  3.8 本章小结  55
  参考文献  55-59
第四章 AZ91 合金热压缩过程中动态再结晶行为及机理研究  59-76
  4.1 前言  59
  4.2 变形条件对组织演变的影响  59-66
    4.2.1 变形温度的影响  59-61
    4.2.2 应变速率的影响  61-63
    4.2.3 变形程度的影响  63-66
  4.3 动态再结晶过程的EBSP 分析  66-71
  4.4 热压缩过程织构分析  71-72
  4.5 讨论  72-74
  4.6 本章小结  74
  参考文献  74-76
第五章 AZ91 合金热压缩过程中变形行为的本构分析  76-91
  5.1 前言  76
  5.2 流变应力-应变曲线  76-78
  5.3 应变速率对流变应力的影响  78-80
  5.4 变形温度对流变应力的影响  80-82
  5.5 变形激活能  82-83
  5.6 峰值应变  83-84
  5.7 硬化率曲线  84-87
  5.8 本章小结  87
  参考文献  87-91
第六章 AZ91 合金热压缩过程元胞自动机模拟方法的确立  91-122
  6.1 前言  91-92
  6.2 动态再结晶行为模拟的元胞自动机模型的构建  92-98
    6.2.1 基本假设  92-93
    6.2.2 再结晶形核  93-94
    6.2.3 位错密度增长  94-95
    6.2.4 晶粒生长  95-96
    6.2.5 模拟过程及条件  96-98
  6.3 模拟结果及有效性评价  98-116
    6.3.1 高温热压缩过程的模拟分析  98-103
    6.3.2 变形条件对合金热压缩过程中变形行为的模拟分析  103-105
    6.3.3 基于数值模拟的动态再结晶动力学研究  105-111
    6.3.4 第二相粒子对热压缩过程的影响  111-116
  6.4 模型中有待解决的问题  116-117
  6.5 本章小结  117-118
  参考文献  118-122
第七章 AZ91 合金热压缩过程中变形行为数值模拟软件开发  122-133
  7.1 前言  122
  7.2 程序设计  122-126
    7.2.1 初始组织的生成  123
    7.2.2 热压缩变形行为数值模拟程序开发  123
    7.2.3 模拟结果的后续处理  123-126
  7.3 用户界面设计  126-131
  7.4 本章小结  131
  参考文献  131-133
第八章 元胞自动机模拟方法及其应用的普适性研究  133-139
  8.1 前言  133
  8.2 AZ61 合金热压缩过程的元胞自动机模拟  133-137
    8.2.1 元胞自动机模型  133-134
    8.2.2 应力应变曲线的模拟分析  134
    8.2.3 稳态组织及晶粒尺寸分析  134-137
  8.3 讨论  137-138
  8.4 本章小结  138
  参考文献  138-139
第九章 结论与创新点  139-142
  9.1 主要结论  139-141
  9.2 本研究的创新点  141-142
致谢  142-143
博士在读期间发表论文  143-144

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 轻有色金属及其合金 > 镁
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