热旋压成形中镁合金梯度组织及织构形成机理研究

Improving the hot flow forming process technology of magnesium alloys has significant effects on promoting the application of light-weight rotation parts, such as wheel hub, missile bay section, and so on. During hot flow forming, materials suffer compressive stress in radial direction and gradient shear stress in other directions. It is very difficult to accurately describe and quantitatively control for the highly complex hot deformation behavior, microstructure and texture evolution. This project focuses not only on the flow behavior of metals under different temperatures, thickness reductions and deformation rates but also the 3-D stress-strain field by the pinning samples with radial, axial and circumferential manual grids, combining with FEM analysis. The initial and recrystallized grains at different zone under complex stress states will be distinguished by electron back scattered diffraction (EBSD) and grain orientation spread (GOS) method to analyze volume fraction, grain size and texture intensity, study the nucleation mechanism and orientation law in detail and draw 3-D recrystallization grain map and texture map. Finally, a spinning physical model of gradient microstructure and texture evolution will be conducted, an internal corelation between stress states and microstructure will be established, therefore the foundation for the precise controlling the mechanical property of high performance magnesium alloy components will be achieved.

研发镁合金热旋压工艺，对于推动轻量化汽车轮毂及弹体舱段等回转体零部件的应用具有重要意义。热旋压过程中的镁合金将承受沿厚向压缩和周向、轴向剪切的复杂应力，热变形行为及微观组织和织构演变极其复杂，难以准确描述和定量控制。因此，本项目以热旋压AZ80镁合金坯料中嵌入小试样作为重点研究对象，利用嵌入试样厚向、周向和轴向绘制的物理网格，结合有限元计算，研究不同温度、变形量和变形速率等条件下材料的流动行为，绘制三维应力-应变场；利用背散射电子衍射技术(EBSD)及其中的晶粒取向分散度(GOS)方法判定动态再结晶晶粒，多维度统计和研究动态再结晶形核、长大规律及织构演变规律。绘制热旋压成形三维再结晶图和织构图，构建热旋压成形中镁合金梯度组织及织构形成的物理模型，建立应力状态与梯度微观组织形成的内在关联，为精确调控高性能镁合金旋压回转件的力学性能奠定基础。

本项目以热旋压AZ80镁合金坯料中镶嵌金属试样作为重点研究对象，利用嵌入试样厚向、周向和轴向的物理网格变形特征，与有限元模拟相结合，研究不同变形量和应变速率下的材料流动行为，比较厚度方向上的应变分布规律；利用背散射电子衍射技术(EBSD)及其晶粒取向分散度(GOS)方法判定动态再结晶晶粒，研究旋压过程中不同区域的织构演变规律及动态再结晶行为，为精确调控高性能镁合金旋压回转体零件的力学性能奠定基础。.基于平面应变压缩实验建立了AZ80镁合金应变补偿的Arrhenius本构模型和基于蠕变方程的少参数本构模型。当应变速率为0.03/s-0.1/s时，应变补偿的Arrhenius本构模型和基于蠕变方程的少参数本构模型的平均相对误差分别为2.8%和3.77%，均有较高的预测精度。在应变速率为0.0003/s时，基于蠕变方程的少参数本构模型的平均相对误差为6.2%，预测精度要高于应变补偿的Arrhenius模型。将所建立的少参数本构模型输入ABAQUS/Explicit软件中建立热旋压模型。.通过镶嵌金属试样旋压成形实验研究，与有限元模拟结合，描述了旋压筒形件在厚度方向上的材料流动行为及其应变分布。镶嵌金属试样的应变分布和有限元模拟结果重合度较高，在筒形件的径向产生压应变，轴向和周向产生拉应变；并存在内表面应变小，外表面应变大的分布规律。随着减薄率增大，内外表面的应变差值减小，筒形件壁厚方向的应变梯度逐渐减弱，变形趋于均匀。.通过对热旋压变形后的晶粒取向图以及GOS图研究，分析了热旋压过程中的织构演变以及动态再结晶行为。在热旋压过程中，长大变形的再结晶晶粒保持了初始晶粒的取向，在后续的旋压变形中，再结晶晶粒取向逐渐发生偏转，形成旋压织构，即晶粒C轴平行于径向，并朝着轴向轻微偏转；当等效塑性应变需要大于临界值，才能形成旋压织构和实现完全的动态再结晶，其中实现完全动态再结晶的等效塑性应变临界值在7和5.1之间，而形成旋压织构的等效塑性应变临界值在2.5-5.1之间。