基于位错密度模型的热轧镁合金AZ31微观组织预测研究

The main difficulty in forming operations of magnesium sheets is to quantify the effect of hot rolling parameters on the microstructure evolution. We propose a new mathematical model with physical parameters of dislocation density suitable for magnesium alloys based on a theory of recovery velocity in dynamic recrystallization (DRX). The model of this nature will attempt to describe the relationship between internal variables of dislocation density and macro-parameters of rolling temperature, strain and time quantitatively. In order to achieve the microstructural prediction, the microstructural simulation of magnesium alloy during hot rolling process will be performed using the model of dislocation density. The relationship between low angle grain boundaries (LAGB) measured by electron back-scattered diffraction (EBSD) technology and the dislocation density inside grains will be used in this work. This project will establish a new method for microstructural simulation of AZ31 magnesium alloy. Then, the model will be verified by test data. This project will provide a theory basis for optimizing the rolling conditions and improving properties of magnesium rolled sheets. Recently, the effect of dynamic recovery on the formation of LAGB during hot rolling has been verifed in our experimental study during earlier stage. Therefore, the successful development of such new method for microstructural simulation is highly promising and bears theoretical significance for magnesium sheet forming.

本项目针对镁合金板材生产过程中，宏观轧制工艺参数与微观组织之间的定量关系难以预知这一关键科学问题。提出基于再结晶中的回复速度理论，拟建立一个全新的以位错密度为内变量的镁合金的动态再结晶模型，用以描述内变量（位错密度）和外部宏观变量（轧制温度、应变和时间）之间关系，并借由晶粒内位错密度和电子背散射技术测量的低角晶界的关系来确立模型。应用此位错密度模型进行镁合金热轧变形中微观组织的有限元模拟，以期实现镁合金轧制板材的微观组织预测。本项目通过创建一种新方法来模拟热轧镁合金AZ31微观组织演变，用实验验证，可为优化镁合金的轧制工艺和最佳质量控制提供理论依据。申请人前期已经应用EBSD技术证明了动态回复在轧制镁合金低角晶界形成中起的重要作用，因此应用回复速度理论建立镁合金的动态再结晶模型并预测轧板微观组织具有可行性和理论意义。

本项目针对镁合金板材生产过程中，宏观轧制工艺参数与微观组织之间的定量关系难以预知这一关键科学问题，基于动态回复理论建立了AZ31镁合金的动态再结晶模型，应用EBSD技术测得的实验结果（单位面积内低角晶界的长度）转化为晶内位错密度与模拟结果对照，确定了基于位错密度变化的微观组织模型中的系数和相关参数，解决了本课题的关键科学问题。做了轧制温度为300~500℃，压下率为20%~40%条件下的AZ31镁合金的热轧实验，利用SEM-EBSD技术进行微观组织分析，获得了各种轧制条件下微观组织的实验结果，高角晶界和低角晶界的长度，再结晶百分比，晶粒大小和亚晶粒大小。分析了镁合金动态再结晶的温度-应变依存性。结果表明：AZ31镁合金在轧制速度为246mm/s的热轧中，最高的HAGB%可达到约75%，其轧制温度和应变条件是：轧制平均温度在270℃~320℃之间，且等效应变在0.8以上。提出了一种新的方法，将SEM-EBSD测得的实验结果转换成AZ31镁合金晶粒内的位错密度。利用有限元软件ABAQUS6.13的二次开发工具，用场变量法将位错密度模型嵌入到热轧的有限元计算中，预测了轧制过程中微观组织的位错密度，分析了镁合金在不同轧制条件下的微观组织演变机理，300℃，应变≦0.6，加工硬化起主导作用，而400和500℃轧制过程中主要以动态回复为主。计算了轧板的温度场、应变场、应力场，得到了AZ31镁合金板材变形区内晶粒内部位错密度随等效应变的变化，并计算了轧制力和实验结果对照，误差为8%~12%，完成了实验验证。.本项目基于回复速度理论建立了外部宏观加工参数和内部位错密度增量之间关系的数学模型，再借由位错密度和平均晶粒尺寸的关系来定量反映微观组织。这个构想为镁合金微观组织模型的建立及其模拟提供了一种新的方法，这在基础理论和模拟方法上都有一定的突破。并通过有限元计算来实现各种轧制工艺条件下的镁合金微观组织预测，为优化镁合金的轧制工艺和最佳质量控制提供理论依据。