鎂合金板材軋制成形的晶體塑性行為及織構預測項目摘要

針對鎂合金相對較差的塑性流動性能以及板材軋制后各向異性困擾著這類產(chǎn)品生產(chǎn)的實際問題，以晶體塑性理論為基礎，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特征，提出滑移、孿生和晶體滑移與孿生交互作用關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行為計算的建模方法，構建晶體滑移和孿生耦合力學行為計算的數(shù)值模擬平臺；在實驗測試和理論分析的基礎上，研究鎂合金板材在軋制過程中的塑性變形微觀機制，建立塑性宏觀變形與組織演化的定量關系，分析各種軋制工藝參數(shù)對織構的影響規(guī)律。本項目的意義在于系統(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)系的關鍵性共性基礎理論問題，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控制提供科學依據(jù)和理論基礎。

成形極限是板材成形性能的重要判據(jù)，成形極限的預測取決于準確的本構模型。鎂合金板材的宏觀力學性能依賴于自身的密排六方晶體結構，其成形性能與滑移、孿生微觀變形機制以及織構特性密切相關。本項目以AZ31板材為對象，基于晶體塑性理論和鎂合金變形機理分析，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模型，導入有限元模型，模擬成形過程與微觀織構演化；將所建立彈塑性自洽本構模型與M－K損傷失穩(wěn)模型相結合，建立基于織構演化的鎂合金板材成形極限計算方法；研究鎂合金板材在線性與非線性應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)、初始織構以及預應變誘導織構等對鎂板成形極限的影響規(guī)律。本項目研究旨在發(fā)展鎂板成形理論與密排六方晶體塑性建模方法，為鎂板成形技術的開發(fā)和應用提供理論支持。

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研究還相對滯后，成為阻礙鎂板成形應用的瓶頸之一。多晶體塑性力學以材料微觀結構信息為出發(fā)點，通過多尺度建模與計算，建立微觀結構–宏觀性能之間的對應關系。以晶體塑性理論為基礎，研究滑移、孿生等機制對鎂合金變形及織構演化的作用規(guī)律，探索鎂合金塑性變形的機理，是國際塑性加工領域的一個熱點。 本項目主要研究內(nèi)容和結果如下： 開展AZ31B板材在100～300C溫度范圍內(nèi)，不同方向、應變率下的單向拉伸及壓縮試驗，分析了應力應變曲線、r值、微觀組織隨應變的演化規(guī)律。單向拉伸時，r值在低溫下隨應變增加而逐漸增大；在200/300C面內(nèi)單向壓縮時，首次觀察到r值演化規(guī)律與100/150C時顯著不同：隨應變增加而逐漸減?。辉?00C沿軋制方向壓縮時，觀察到特殊的板條狀組織。 通過多晶體塑性計算，從變形機制角度解釋了試驗中r值、織構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率之比隨應變增加而逐漸減小，導致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‘空間’導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、準平面應變及等軸雙拉三種預應變實驗及剛模脹形試驗。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，單向拉伸下極限應變與平面應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的增強而減??；單向拉伸及平面應變預應變會改善成形性能，等軸雙拉會降低成形性能，與室溫下鋁合金預應變后成形極限結果相比，在200C預應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，使得預應變效果消失。建立耦合晶體塑性理論與M-K溝槽理論的成形極限計算方法，計算鎂合金在不同條件下的成形極限。 本項目研究系統(tǒng)地研究了鎂合金板材溫熱條件下的變形行為，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)了鎂合金板材預應變實驗方法，建立了多晶體塑性模型、M-K損傷模型耦合的成形極限計算方法。本項目的研究結果對于揭示鎂合金板材微觀變形機理、發(fā)展其塑性變形理論做出了較重要的貢獻。

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

1.兩次冷軋都是中等壓下量，有利于{111}（112）織構的形變量；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。因為在相同形變量下，小晶粒樣品因晶界多，阻礙位錯運動，加速取向轉動，更容易從不同初始取向轉到相同的取向分布狀態(tài)，即形成有利于Goss織構的{111} （112）織構。

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

3.再結晶后Goss取向晶粒至少有5mm，一次再結晶后的晶粒尺寸大約是10μm，這樣，一個成功的Goss取向晶粒要吃掉7.5 x 106個一次晶粒；而一次再結晶后Goss取向晶粒的體積分數(shù)至少有0.5%，即約37500個Goss取向晶粒內(nèi)只要有1個成功生長就能得到強的Goss織構。以上試樣都能滿足這個條件。樣品轉動不同角度后，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次再結晶。

4.經(jīng)45°旋轉后，原先表層的另一種剪切織構，即{110}（112）織構可轉到接近Goss取向（相差100），這種接近Goss取向的織構對最終Goss織構的形成起一定作用。同時，450樣品較細小的組織有利于{111}（112）織構的形成，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）織構的順利形成，也產(chǎn)生新的Goss取向，對最終Goss織構有更大的貢獻 。