鎂合金板材軋制成形的晶體塑性行為及織構(gòu)預(yù)測

針對鎂合金相對較差的塑性流動(dòng)性能以及板材軋制后各向異性困擾著這類產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際問題，以晶體塑性理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究軋制變形條件對晶體塑性行為影響規(guī)律。研究內(nèi)容包括：基于鎂合金晶體的物理力學(xué)特征，提出滑移、孿生和晶體滑移與孿生交互作用關(guān)系及耦合行為的理論表征方法；研究鎂合金滑移和孿生耦合力學(xué)行為計(jì)算的建模方法，構(gòu)建晶體滑移和孿生耦合力學(xué)行為計(jì)算的數(shù)值模擬平臺；在實(shí)驗(yàn)測試和理論分析的基礎(chǔ)上，研究鎂合金板材在軋制過程中的塑性變形微觀機(jī)制，建立塑性宏觀變形與組織演化的定量關(guān)系，分析各種軋制工藝參數(shù)對織構(gòu)的影響規(guī)律。本項(xiàng)目的意義在于系統(tǒng)地探索和研究鎂合金板材軋制成形中宏觀變形與微觀組織聯(lián)系的關(guān)鍵性共性基礎(chǔ)理論問題，揭示軋制變形狀態(tài)與晶體塑性行為基本規(guī)律，為成形過程中塑性流動(dòng)特征及其組織狀態(tài)演變情況與工藝參數(shù)的匹配，獲得良好的軋制工藝及織構(gòu)控制提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

成形極限是板材成形性能的重要判據(jù)，成形極限的預(yù)測取決于準(zhǔn)確的本構(gòu)模型。鎂合金板材的宏觀力學(xué)性能依賴于自身的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其成形性能與滑移、孿生微觀變形機(jī)制以及織構(gòu)特性密切相關(guān)。本項(xiàng)目以AZ31板材為對象，基于晶體塑性理論和鎂合金變形機(jī)理分析，研究晶體滑移、孿生及其相互作用的表征和多晶體均勻化方法，建立有限變形條件下鎂合金板材密排六方多晶體彈塑性自洽本構(gòu)模型，導(dǎo)入有限元模型，模擬成形過程與微觀織構(gòu)演化；將所建立彈塑性自洽本構(gòu)模型與M－K損傷失穩(wěn)模型相結(jié)合，建立基于織構(gòu)演化的鎂合金板材成形極限計(jì)算方法；研究鎂合金板材在線性與非線性應(yīng)變路徑下的成形極限，揭示初始缺陷、硬化系數(shù)、率敏感系數(shù)、初始織構(gòu)以及預(yù)應(yīng)變誘導(dǎo)織構(gòu)等對鎂板成形極限的影響規(guī)律。本項(xiàng)目研究旨在發(fā)展鎂板成形理論與密排六方晶體塑性建模方法，為鎂板成形技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供理論支持。

鎂合金作為重要的輕量化材料，受到世界各國高度重視。與鋼、鋁等其它常用金屬相比，對于鎂合金塑性成形理論方面的基礎(chǔ)研究還相對滯后，成為阻礙鎂板成形應(yīng)用的瓶頸之一。多晶體塑性力學(xué)以材料微觀結(jié)構(gòu)信息為出發(fā)點(diǎn)，通過多尺度建模與計(jì)算，建立微觀結(jié)構(gòu)–宏觀性能之間的對應(yīng)關(guān)系。以晶體塑性理論為基礎(chǔ)，研究滑移、孿生等機(jī)制對鎂合金變形及織構(gòu)演化的作用規(guī)律，探索鎂合金塑性變形的機(jī)理，是國際塑性加工領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。 本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 開展AZ31B板材在100～300C溫度范圍內(nèi)，不同方向、應(yīng)變率下的單向拉伸及壓縮試驗(yàn)，分析了應(yīng)力應(yīng)變曲線、r值、微觀組織隨應(yīng)變的演化規(guī)律。單向拉伸時(shí)，r值在低溫下隨應(yīng)變增加而逐漸增大；在200/300C面內(nèi)單向壓縮時(shí)，首次觀察到r值演化規(guī)律與100/150C時(shí)顯著不同：隨應(yīng)變增加而逐漸減小；在200C沿軋制方向壓縮時(shí)，觀察到特殊的板條狀組織。 通過多晶體塑性計(jì)算，從變形機(jī)制角度解釋了試驗(yàn)中r值、織構(gòu)及微觀組織的演化規(guī)律。在200C下RD壓縮中，柱面滑移與基面滑移開動(dòng)率之比隨應(yīng)變增加而逐漸減小，導(dǎo)致r值的異常演化；與RD拉伸及ND壓縮相比，RD壓縮中由于較大的旋轉(zhuǎn)‘空間’導(dǎo)致了在沿加載方向取向差高演化速率，從而生成特殊板條狀組織。 開展AZ31B板材的單向拉伸、準(zhǔn)平面應(yīng)變及等軸雙拉三種預(yù)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)及剛模脹形試驗(yàn)。AZ31B板材的成形性能隨溫度的升高而改善，隨凸模速度增大而減弱。在150C時(shí)，單向拉伸下極限應(yīng)變與平面應(yīng)變間存在巨大的差異，而隨著變形溫度的升高此差異由于錐面滑移開動(dòng)的增強(qiáng)而減小；單向拉伸及平面應(yīng)變預(yù)應(yīng)變會(huì)改善成形性能，等軸雙拉會(huì)降低成形性能，與室溫下鋁合金預(yù)應(yīng)變后成形極限結(jié)果相比，在200C預(yù)應(yīng)變對成形性能的影響并不顯著，而在300C，由于溫升及保溫過程中的退火，使得預(yù)應(yīng)變效果消失。建立耦合晶體塑性理論與M-K溝槽理論的成形極限計(jì)算方法，計(jì)算鎂合金在不同條件下的成形極限。 本項(xiàng)目研究系統(tǒng)地研究了鎂合金板材溫?zé)釛l件下的變形行為，首次發(fā)現(xiàn)并解釋了鎂合金板材r值變化的新規(guī)律和板條狀組織的形成；開發(fā)了鎂合金板材預(yù)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)方法，建立了多晶體塑性模型、M-K損傷模型耦合的成形極限計(jì)算方法。本項(xiàng)目的研究結(jié)果對于揭示鎂合金板材微觀變形機(jī)理、發(fā)展其塑性變形理論做出了較重要的貢獻(xiàn)。

通過軋制方向的改變，形成明顯的不同初始織構(gòu)及組織各向異性。隨形變及退火次數(shù)增加，這些初始樣品組織及織構(gòu)的各向異性逐漸減小甚至消失。樣品轉(zhuǎn)45°及90°軋制使表層的強(qiáng)初始Goss織構(gòu)極大削弱后，仍能順利完成點(diǎn)次再結(jié)晶及得到較好的磁性能，原因可歸納為以下幾點(diǎn)：

1.兩次冷軋都是中等壓下量，有利于{111}（112）織構(gòu)的形變量；中間退火使所有不同樣品都得到小等軸晶，使初始取向不同帶來的差異產(chǎn)生的作用明顯減小。因?yàn)樵谙嗤巫兞肯拢【Я悠芬蚓Ы缍?，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，加速取向轉(zhuǎn)動(dòng)，更容易從不同初始取向轉(zhuǎn)到相同的取向分布狀態(tài)，即形成有利于Goss織構(gòu)的{111} （112）織構(gòu)。

2.一般認(rèn)為，點(diǎn)次再結(jié)晶晶核來自脫碳板的次表層位；原始熱軋板表層是再結(jié)晶晶粒，比中心層形變長條晶粒更容易提前擺脫初始織構(gòu)的影啊，得到穩(wěn)定的{111}（112）織構(gòu)，從而使各樣品的表層都提前出現(xiàn)具有Goss取向晶粒。

3.再結(jié)晶后Goss取向晶粒至少有5mm，一次再結(jié)晶后的晶粒尺寸大約是10μm，這樣，一個(gè)成功的Goss取向晶粒要吃掉7.5 x 106個(gè)一次晶粒；而一次再結(jié)晶后Goss取向晶粒的體積分?jǐn)?shù)至少有0.5%，即約37500個(gè)Goss取向晶粒內(nèi)只要有1個(gè)成功生長就能得到強(qiáng)的Goss織構(gòu)。以上試樣都能滿足這個(gè)條件。樣品轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度后，對抑制劑粒子分布的影啊并不大，所以粒子分布小的差異使得各樣品都可順利點(diǎn)次再結(jié)晶。

4.經(jīng)45°旋轉(zhuǎn)后，原先表層的另一種剪切織構(gòu)，即{110}（112）織構(gòu)可轉(zhuǎn)到接近Goss取向（相差100），這種接近Goss取向的織構(gòu)對最終Goss織構(gòu)的形成起一定作用。同時(shí)，450樣品較細(xì)小的組織有利于{111}（112）織構(gòu)的形成，從而可產(chǎn)生新的Goss取向。

5.原始熱軋板未經(jīng)過?；?，難以在第點(diǎn)次退火后形成成群分布的Goss晶粒，因此各樣品中的Goss晶粒數(shù)目及分布差異不大。對900樣品，{111}（112）織構(gòu)的順利形成，也產(chǎn)生新的Goss取向，對最終Goss織構(gòu)有更大的貢獻(xiàn) 。