镁合金锻造成形性研究及数值模拟

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1、上海交通大学博士学位摘要镁合金锻造成形性研究及数值模拟摘要作为工业轻金属材料，镁合金具有低的密度，高的比强度和比刚度，优良的阻尼减震性和电磁屏蔽性。但由于其具有密排六方的晶体结构，室温下难以发生塑性变形，高温下又易发生晶粒粗大和表面氧化，当前的镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多，塑性加工产品极少，但铸件的力学性能较差、易产生缺陷，而变形镁合金组织细小均匀、综合机械性能好。目前国内外对镁合金塑性成形技术的研究，主要是集中在挤压、轧制和超塑性变形等，由于镁合金锻造的难度较大，对温度和应变速率敏感，镁合金锻造成形的研究很少。为了研究复杂形状镁合金零件的可锻性，本文从镁合金材料

2、的高温成形性能的基础性研究入手，通过实验建立了镁合金AZ31B的高温流变应力模型和微观组织演化模型，为评价镁合金热变形的稳定性，提出并构造了包含应变的三维加工图。通过将这些基础性研究结果与大变形热力耦合有限元方法相集成，形成了预报镁合金复杂零件热成形可成形性的模拟方法，并以此为基础研究了镁合金直齿锥齿轮的锻造成形工艺参数范围。通过直齿锥齿轮锻造实验，证明了所选择的成形工艺参数是合适的，同时也表明这种研究方法获得了成功。通过镁合金AZ31B的Gleeble-1500热模拟试验，在蠕变方程的基础上，提出了一个新的镁合金动态再结晶型流变应力模型，考虑了动态再结晶的软化效应。模

3、型认为由于变形温度决定了原子的扩散能力和位错移动的驱动力，而应变速率决定了位错密度和晶界能的累积速度，因而峰值应力仅取决于变形温度和应变速率。由于动态再结晶过程是热激活过程，动态再结晶体积分数可通过唯象理论模型表示成应变的函数，而由峰值应力和再结晶分数可确定由于动态再结晶软化作用引起的应力的下降，因此任意时刻的应力可以认为取决于峰值应力和应变。该模型表示了温度、应变速率和应变对应力的影响，不仅适用于镁合金AZ31B，而且也适用于其它具有动态再结晶特性的材料。模型参数相对较少且较易确定、适用于工程计算。通过对经典动态再结晶动力学模型的分析，本文提出了一种新的具有单参数的、

4、反映了动态再结晶过程缓慢－快速－缓慢特点的动态再结晶动力学模型。基于Avrami形式的动态再结晶动力学模型虽然反映了动态再结晶过程，由于采用指数函数的形式，无法准确表示动态再结晶过程的慢－快－慢的过程。基于此分析，本文提出了一种新的具有单参数的动态再结晶动力学模型，模型参数少且物理意义明确，反映了动态再结晶过程的特点，并可得到在一定变形条件下获得细小晶粒所需的经济合适的应变。采用定量金相分析的方法，对镁合金AZ31B的微观组织演化进行试验研究并建立了新的动态再结晶动力学模型与晶粒尺寸模型，模型得到的预测结果与试验结果相一致。基于Prasad的二维加工图，首次建立了新的包

5、含应变的三维加工图（三维功率耗散图和三维失稳图），描述功率耗散系数和流变失稳区域随应变速率、温度和应变的变化。传统的基于动态材料模I上海交通大学博士学位摘要型的加工图是二维温度和应变速率空间上功率耗散图和流变失稳图的叠加，没有考虑应变的影响。对于复杂形状零件的热变形，应变与温度和应变速率一样是影响金属流动特性的因素，加工图作为工艺设计和优化的工具，由于没有包含应变，就不能完备地分析复杂零件热变形的可加工性。新的包含应变的三维加工图（三维功率耗散图和三维失稳图），解决了具有明显应变软化效应的合金（如镁合金）热变形时可加工性对应变的敏感性问题，是一个完备地反映材料可加工性的

6、、进行工艺设计和优化的工具。进一步针对几种不同的失稳判据绘制三维流变失稳图，分析得到适合镁合金的失稳准则。本文首次提出并实现了将三维加工图与有限元模拟两个过程集成起来、通过进行包含三维加工图的数值模拟、完整分析材料内禀可加工性和应力状态可加工性的方法。可加工性包括应力状态可加工性和材料的内禀可加工性，传统的基于动态材料模型的加工图仅说明了材料的内禀可加工性。通过进行包含三维加工图的数值模拟，可以得到材料在特定工艺条件下温度、应力、应变、应变速率和流变失稳区域的分布，建立了一种分析金属材料热成形全过程可加工性的方法，对可加工性的理论和应用进行了扩展和完善。通过二维圆柱压缩

7、的可加工性模拟，验证了加工图与有限元相结合的研究方法及程序开发的正确性。本文成功地完成了镁合金AZ31B直齿锥齿轮的锻造成形工艺设计和实验。为了研究复杂形状锻件的可加工性，选取直齿锥齿轮为理论的验证对象，采用无齿形预锻和终锻两步等温锻造的成形工艺。将三维加工图与三维复杂锻造模拟相结合，建立镁合金热锻成形的三维变形－温度－组织演化－失稳模拟的耦合分析系统，研究不同的锻造温度、锻压设备的工作速度、预锻模的形状参数和摩擦对镁合金锥齿轮锻造成形的影响，确定了最优的预锻件形状以及锻造温度、锻造速度等工艺参数。在此基础上，本文实现了镁合金AZ31B直