镁合金拉延成形性能反常晶粒尺寸依赖性机理研究

Magnesium alloy sheets exhibit an abnormal grain size dependence during their stretch forming at room temperature, i.e., their stretch formability is decreased with grain refinement despite an increased ductility in uniaxial tension,a phenomenon having a negative influence on the press formabilty of magnesium alloy sheets. However, the underlying mechanism for this abnormal phenomenon is still unclear. In this project, AZ31 magensium alloy will be used for preparation of rolled sheets with the same basal texture and various grain sizes. An Erichsen test will be exploited to evaluate the stretch formability of magensium alloy sheets with different grain sizes. Microstructure observation and texture characterization will be employed to determine the quantitative relations between grain size,volume fraction of twins and average Schmid factor under biaxial tensile stress. A hyperthesis that <c+a> pyramidal slip accommodates the thickness strain is proposed, and a mesoscopic deformation model based on Taylor full constraints incorporating different slip and twinning modes will be developed to determine the quantitative contribution of <c+a> pyramidal slip to the thickness strain of magnesium alloy sheet, thus reveal the microscopic mechanism for the abnormal grain size dependence of the biaxial tensile deformability at room temperature.The research will deepen the understanding of deformation mechanism of magneisum alloys strained under complex stress condition, and significantly widen the applications of sheet metal forming for magnesium alloy sheets.

镁合金轧制板材室温拉延成形时表现出反常的晶粒尺寸依赖性，即随着晶粒细化，虽然伸长率增加，板材的拉延成形能力反而变差。该现象对镁合金板材拉延成形性能产生不利影响，然而其微观机理尚不明晰。本项目拟以AZ31镁合金为研究对象，通过轧制和退火工艺制备具有相同基面织构、不同晶粒尺寸的镁合金板材。采用Erichsen胀形试验研究晶粒尺寸对镁合金板材拉延成形性能的影响。通过金相观察和织构表征确认拉延成形中晶粒尺寸、孪晶分数和平均取向因子之间的定量关系；提出粗晶条件下孪生诱发的<c+a>滑移协调厚向应变的假设，建立基于Taylor全约束、双向拉伸加载条件下、依赖于晶粒尺寸的镁合金细观变形模型，确定<c+a>滑移在镁合金板材双向拉伸应力下对厚向应变的定量贡献，进而揭示反常晶粒尺寸依赖性的微观机理。该研究对于深入理解镁合金复杂应力状态下的变形机理，促进镁合金板材成形应用的发展具有重要意义。

近来有研究表明，镁合金轧制板材室温拉延成形性能随晶粒尺寸的增大反而略有增强，这与该合金室温单向拉伸时晶粒尺寸增大塑性变差相反，表现出一种反常晶粒尺寸依赖性。本项目首先通过静态退火制备了不同晶粒尺寸的AZ31镁合金板材。在300oC退火2h后，晶粒尺寸从初始轧制态的11.1μm增加到16.6μm，并获得了最佳的均匀延伸率23.4％。在400 oC退火4h获得了最大晶粒尺寸为23.8μm，但由于出现了异常长大的晶粒破坏了晶粒尺寸的均匀性，导致单向拉伸性能明显下降。退火后基面板织构发生了明显的弱化，基轴向RD方向倾斜角度大于TD方向，导致RD方向具有较低的屈服强度。.设计并加工了半球冲头胀形模具检验了不同晶粒尺寸板料的拉延成形性能。极限胀形高度随着退火时间的延长表现出现先增后降趋势。400oC退火1h后，晶粒尺寸增加至21.4μm，极限胀形高度也从5.7mm提高到7.8mm。但退火4h后，尽管晶粒尺寸继续增大，但由于晶粒尺寸均匀性恶化，极限胀形高度反而迅速下降至5.6mm。这表明镁合金板材在较大晶粒下有更好拉延性能的反常现象不能仅归因于晶粒尺寸的作用，还必须考虑织构弱化和晶粒尺寸均匀性的影响。.基于连续介质力学的胀形有限元模拟由于没有考虑多向加载条件下镁合金变形机制的变化而不能预测拉延性能的反常晶粒尺寸依赖性，模拟得到的厚度分布和胀形曲线在粗晶条件下与胀形试验有较大偏差。采用基于晶体塑性细观力学和张量分析建立的微观机制模型较好地展现了单向拉伸和双向拉伸加载中变形机制开动行为的明显差别。单向拉伸变形的主要贡献来自基面滑移、柱面滑移和少量的孪生，而锥面滑移<c+a>很少开动。而在双向拉伸变形（胀形）中，主要变形模式依次为基面滑移、锥面<c+a>滑移和拉伸孪生。柱面<a>滑移由于双向拉伸拉应力在柱面上互相抵消而难以开动。这种变形机制上的显著差别导致晶粒尺寸对单拉塑性和拉延塑性产生了相反的作用。.变形后的组织分析表明：单向拉伸变形后产生的孪晶数量明显多于双向拉伸加载下的胀形，这意味着双向拉伸时粗晶组织具有较高极限胀形高度可能仅仅来自于孪晶的贡献，<c+a>锥面滑移也发挥了重要作用。在细晶板料胀形后存在大量的位错线，而孪晶较少；而粗晶板料胀形后，晶内出现大量的孪晶、层错以及多个孪晶变体，说明粗晶促进了孪生的开动，从而验证了本研究提出的晶体塑性模型的分析结果。本项目发展的多向加载晶体