镁合金热锻成形三维加工图中最佳工艺范围的辨识方法

针对传统的Prasad加工图中无法辨识峰值功率耗散系数对应的是最有利于加工的动态再结晶机制或超塑性机制等，还是不利于加工的楔形破裂机制等损伤机制的问题，以及根据现有的失稳判据无法区分加工中要严格避免的绝热剪切带区和一定程度上允许的流动局部化区的问题，以难变形镁合金的热锻成形的可锻性为研究对象，采用理论推导、实验与数值模拟相结合的方法，研究功率耗散系数和流变不稳定参数的物理本质，项目预期将揭示功率耗散图的分布状态与动态再结晶、塑塑性机制和裂纹萌生的破坏机制的本质联系以及流动局部化区别于绝热剪切带的内在控制因素，建立最佳工艺区和裂纹萌生区的判别依据和绝热剪切带和流动局部化的识别判据，实现不再依赖于显微试验而能够直接根据三维加工图确定最合适的变形温度、应变速度和应变范围，并完成高强镁合金的锻造成形，研究成果对于完善加工图理论具有重要意义，可以为材料热成形最佳工艺的制定提供科学依据。

作为工业轻金属材料，镁合金具有低的密度，高的比强度和比刚度。但由于其具有密排六方的晶体结构，室温下难以发生塑性变形，高温下又易发生晶粒粗大和表面氧化，当前的镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多，塑性加工产品极少，但铸件的力学性能较差、易产生缺陷，而变形镁合金组织细小均匀、综合机械性能好。由于镁合金锻造的难度较大，对温度和应变速率敏感，镁合金锻造成形困难。为了研究复杂形状镁合金零件的可锻性，采用理论推导、实验与数值模拟相结合的方法，确定其最佳变形工艺参数并进行实验验证。Prasad基于动态材料模型建立了加工图，但是由于其没有考虑应变的影响，不能完备地分析复杂零件热变形的可加工性。项目所建立的新的包含应变的三维加工图（三维功率耗散图和三维失稳图），解决了具有明显应变软化效应的合金（如镁合金）热变形时可加工性对应变的敏感性问题，是一个完备地反映材料可加工性的、进行工艺设计和优化的工具。关于加工图的研究，目前主要是将其作为变形参数优化的工具，鲜有对参数的物理意义进行深入探讨，而根据Prasad理论，加工图中峰值功率耗散系数既可能对应最有利于加工的动态再结晶机制或超塑性机制等，还有可能对应于楔形破裂机制等损伤机制的问题，而流变失稳区既可能对应于绝热剪切带区也有可能对应于流动局部化区。针对这一问题，项目研究了功率耗散系数和流变不稳定参数的物理本质，功率耗散系数是根据物理系统建模理论推导得到的，实质上是应变速率敏感性指数的函数，流变不稳定参数是基于热力学不可逆原理推导得到的，实质上是应变速率敏感性指数随应变速率的变化。而楔形破裂与绝热剪切带都是应变速率敏感参数。进一步对动态再结晶规律进行深入研究建立了新的具有单参数的、反映了动态再结晶过程缓慢－快速－缓慢特点的动态再结晶动力学模型。可加工性包括应力状态可加工性和材料的内禀可加工性，传统的基于动态材料模型的加工图仅说明了材料的内禀可加工性。通过将三维加工图与有限元模拟两个过程结合起来，提出了新的基于材料的可锻性分析方法，完备的反应了应力状态可加工性和材料的内禀可加工性。项目对五种镁合金AZ31B、AZ61、AZ80、ZK60和ZK80的热流变性能和三维加工图进行了研究，并成功地完成了镁合金直齿锥和医用髋关节股骨柄的锻造成形工艺设计和实验。研究成果对于完善加工图理论具有重要意义，可以为材料热成形最佳工艺的制定提供科学依据。