内容简介
《镁合金薄壁管材特殊挤压成形技术》以材料学、塑性力学等为理论基础，开展镁合金管材挤压剪切技术的基础研究，构建成形参数-织构-成形质量（组织、强韧性等）之间的关联关系，揭示管材挤压剪切成形*佳的模具参数范围，期望找到一种提高镁管性能的新工艺，弥补现有正挤压成形镁管的不足，促进管材加工过程的成形质量和成本的完美结合，形成一系列具有国际先进水平的镁管挤压剪切成形理论与技术体系及具有自主知识产权的研究成果，因而《镁合金薄壁管材特殊挤压成形技术》具有重要的科学意义和工程应用前景。《镁合金薄壁管材特殊挤压成形技术》对高性能镁合金的薄壁管材挤压-剪切、挤压-剪切-扩径成形、挤压-剪切-弯*成形等工艺的原理、理论、应用进行了详细阐述。
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 镁合金成形的研究*新进展 1
1.3 变形镁合金晶粒细化技术 4
1.4 镁合金挤压工艺 6
1.4.1 普通挤压工艺 6
1.4.2 等径角挤压工艺 7
1.4.3 往复挤压工艺 10
1.4.4 高压扭转工艺 10
1.5 传统镁合金管材成形技术 13
1.6 新型变形方法在镁合金管材中的应用 14
1.7 有限元法简介 21
1.7.1 DEFORM-3D有限元软件 21
1.7.2 元胞自动机 22
1.8 小结 23
第2章 镁合金管材挤压剪切成形过程实验及方法 24
2.1 镁合金管材挤压剪切成形过程数值模拟 24
2.1.1 数值模拟研究的目的 24
2.1.2 物理模型的建立 24
2.2 镁合金管材挤压剪切成形实验 25
2.2.1 实验目的 25
2.2.2 实验方法 25
2.3 金相实验 26
2.3.1 实验目的 26
2.3.2 实验步骤 26
2.3.3 腐蚀液的配制 26
2.4 晶粒尺寸测量 26
2.5 硬度试验 27
2.5.1 实验目的 27
2.5.2 实验原理及方法 27
2.6 电子背散射衍射实验 28
2.6.1 实验目的 28
2.6.2 实验步骤 28
2.7 小结 28
第3章 AZ31镁合金管材挤压剪切成形模具设计及数值模拟 30
3.1 管材成形方法分析及选择 30
3.2 模具的设计 30
3.2.1 挤压筒的设计 30
3.2.2 挤压杆的设计 32
3.2.3 挤压针的设计 33
3.3 挤压工艺 33
3.3.1 坯料尺寸的选择 33
3.3.2 挤压比的选择 34
3.4 DEFORM-3D数值分析 35
3.5 小结 36
第4章 基于整体模具的挤压剪切成形管材组织演化及数值模拟 37
4.1 有限元数值模拟 38
4.2 挤压力演变 38
4.2.1 镁合金管材挤压剪切成形过程挤压力变化特点 38
4.2.2 不同温度下镁合金管材挤压剪切成形载荷变化情况 40
4.2.3 不同速度下镁合金管材挤压剪切成形过程载荷变化情况 41
4.2.4 摩擦因子对成形结果的影响 42
4.3 不同温度对等效应力的影响 43
4.4 镁合金管材挤压剪切成形过程速度场变化 43
4.4.1 镁合金管材挤压剪切成形过程不同区域管坯的流动速度 43
4.4.2 不同摩擦因子对管坯流动速度的影响 45
4.4.3 不同挤压温度对管坯流动速度的影响 46
4.5 镁合金管材挤压剪切成形过程中的等效应变 46
4.6 破坏分析 48
4.7 普通挤压与挤压剪切成形实验及数值模拟 48
4.7.1 TES挤压与普通挤压的挤压力比较 49
4.7.2 镁合金管材挤压剪切成形与普通挤压管坯应力状态的比较 49
4.7.3 挤压剪切与普通挤压管材的微观组织 50
4.7.4 挤压剪切成形与普通挤压管材的硬度测试 53
4.7.5 TES挤压与普通挤压的EBSD分析 54
4.8 小结 58
第5章 基于组合模具的挤压剪切成形管材组织演化及数值模拟 59
5.1 CA微观模型 59
5.2 基于组合模具的管材挤压剪切实验及数值模拟 61
5.2.1 管材挤压剪切实验 62
5.2.2 组合模具数值模拟及分析 63
5.3 基于挤压剪切成形过程中的形核机制 67
5.4 挤压剪切过程动态再结晶机制 68
5.5 CA模拟分析 69
5.6 400℃微观组织演变及宏微观数值分析 74
5.7 小结 77
第6章 镁合金管材挤压-剪切-扩径成形工艺实验及检测实验 78
6.1 有限元模拟 78
6.1.1 有限元模型的建立 78
6.1.2 模拟方案及模拟参数的设定 79
6.2 TESE工艺成形实验 80
6.2.1 实验方案 80
6.2.2 实验材料 81
6.2.3 实验设备 81
6.3 力学性能测试 82
6.3.1 拉伸实验 82
6.3.2 硬度实验 82
6.3.3 拉伸断口观察 83
6.4 微观组织结构测试 83
6.4.1 金相组织观察 83
6.4.2 宏观织构测试 84
6.4.3 电子背散射衍射实验 84
6.5 小结 85
第7章 镁合金管材挤压-剪切-扩径成形过程 86
7.1 TESE成形过程研究 86
7.1.1 TESE成形过程中的网格变化 86
7.1.2 成形过程中的载荷变化 86
7.1.3 成形过程中的温度场分布 87
7.1.4 成形过程中的应变场分布 88
7.1.5 成形过程中的速度场分布 89
7.2 成形温度对TESE工艺的影响 90
7.2.1 温度对成形载荷的影响 90
7.2.2 温度对等效应力的影响 91
7.3 成形速度对TESE工艺的影响 92
7.3.1 速度对成形载荷的影响 92
7.3.2 速度对温度场分布的影响 92
7.4 扩径比对TESE工艺的影响 94
7.4.1 不同扩径比下的金属流动 94
7.4.2 不同扩径比下的损伤值分布 95
7.5 剪切角对TESE工艺的影响 95
7.6 摩擦系数对TESE工艺的影响 96
7.7
试读
第1章 绪论
1.1 概述
汽车及其他工业的飞速发展，对高性能镁合金材料提出了重大需求，因此，有必要对镁合金制备及成形加工的科学问题进行深入研究，探索提高镁合金强韧性的新途径，为推动镁合金产业的快速发展提供技术支撑，满足国民经济和国防**发展的需求。但目前镁合金缺乏有效的强化途径，导致镁合金强度偏低及高温性能差，这限制了镁合金在汽车、飞机等关键结构部件和耐热零部件方面的应用。强化镁合金材料可以通过多元合金化、晶界和析出第二相的设计与控制、新型塑性变形细化晶粒等多种手段。
镁合金被誉为绿色工程材料且应用广泛，左铁镛院士在全国镁行业大会上指出，大部分镁合金产品处于低端水平，且存在强度低、塑性差、防腐蚀性差等缺陷，严重地影响了镁合金的发展。师昌绪院士等认为政府有关部门应该对镁合金工业的开发予以特殊考量，因为开发镁合金工业是立足长远、展望未来的战略性事业。柯伟院士等认为普通塑性变形得到的镁合金具有很强的基面织构，导致力学性能各向异性，且强度、低温下成形率低，对镁合金材料加工性能及后续服役危害极大。潘复生教授指出当前发展高性能镁合金材料缺乏生产大尺寸、超薄和复杂镁合金零部件的先进低成本加工成套技术。镁工业将推进镁结构向高附加值深加工产品转变，满足轨道列车、高铁、汽车等交通运输所用到的大型、多孔、异型、空心型材及支承件、仪表板骨架、座椅、保险杠、散热器支架、发动机支架等产品；重点满足航空航天、国防**所用到的镁合金薄壁中空型材高强高韧、高温、耐腐蚀、耐疲劳、高精度、高电磁屏蔽性能；在医学中超细镁合金壁厚0.1～5mm薄壁管材也得到广泛的应用。
1.2 镁合金成形的研究*新进展
国内外学者普遍认为，通过合金化、热变形以及动态再结晶等手段对镁合金的晶界和织构进行有效调控，能够显著提升其力学性能。镁合金塑性变形主要体现在晶界的特征、晶面滑移和孪晶，因此，提高材料的塑性可以通过促进滑移面的滑移、孪晶的发生及晶粒的转动，提高晶界强度、调控晶粒取向及分布。采用大塑性变形技术细化晶粒、调控织构是各国学者广泛研究的热点，研究方向有等通道挤压、连续挤压、变通道挤压、往复等通道挤压、双向挤压、多向锻、反复镦粗、双向连续挤压、非对称挤压、膨胀等通道挤压、连续变截面正挤压、轮毂新型挤压、纯剪切挤压、等径角轧制、异步叠轧 、挤压轧制、异步轧制、连续半固态轧制、循环闭式模锻和压缩、扭转成形等成形方法。正挤压-等径角挤压（EX-ECAE）工艺是指合金在等径角挤压前需要先进行普通挤压，Matsubara等、Miyahara等采用EX-ECAE工艺挤压镁合金，发现大大细化了晶粒；Orlov等将正挤压和等通道挤压整合在一起的新工艺，细化了晶粒、改善了力学性能；廖启宇等采用电磁铸造、挤压变形、热处理等加工工艺制备出镁合金装甲靶材；符韵等利用凹模模锻加工出外观优美、强度标准的轻量镁合金机匣；陈帅峰等通过等通道弯*变形，实现应变均匀、组织及织构明显改善；韩飞等采用往复挤压道次形变，得出一定范围内挤压比（G）增大和往复挤压道次增加有助于组织的细化；蒋伟采用轧制-剪切-弯*变形，压下量增大，模具转角处累积应变大，镁合金发生剧烈的塑性变形；康志新等利用多向锻造（multi-axial forging，MAF）成形工艺，显著改善力学性能；郭强等采用多向锻造成形，晶粒组织明显得到细化；周涛等对轧制变形程度进行分析，得到轧制程度晶粒细化显著增加，力学性能明显改善；吴健旗等分析普通热轧、累积叠轧（accumulative roll bonding，ARB）及大变形热轧工艺，得出变形热轧、累积叠轧具有更高的力学性能；谭劲峰等利用热轧工艺解决铸锭冷隔、热裂及热轧开裂的难题并成功轧出板材；刘天模等对双向双通道变通径成形工艺进行研究，发现镁合金拉压不对称性，晶粒得到细化，综合性能提高；任国成等认为等通道挤压（equal channel angular pressing，ECAP）可以改善镁合金的微观组织；卢立伟等认为正挤压-扭转剪切变形可以显著细化镁合金晶粒、弱化基面织构；张晓旭等对等通道角轧制工艺制备镁合金板材进行研究，得出晶粒细化，综合力学性能提高的结论；徐志超等采用异步轧制提高材料强度，促进小亚晶的生成，细化晶粒，提高性能。
镁合金激冷铸造和压力铸造可细化镁合金零部件的表面组织，但心部晶粒粗大并存在大量孔洞类缺陷，镁材综合性能差。热塑性变形可消除这些缺陷，但易形成纤维组织和强烈的基面织构，且延展性低、塑性差、成形困难、成材率低，对镁材后续加工性能及服役性能危害较大。镁合金塑性变形工艺包含铸锭制备、铸锭处理、坯料加热、热塑性变形等多个阶段。左铁镛院士等认为材料的制备、生产是一个不断消耗资源和破坏人类赖以生存环境的过程，并影响到经济社会的可持续发展。因此研发可调控镁合金微观组织和性能的成形技术是提高镁合金综合性能亟需解决的重要科技问题。根据Hall-Petch理论，晶粒细化可以同时提高镁合金的强
