镁合金连续激冷铸挤剪的多重晶粒细化机制研究

The surface of billets for magnesium alloy can be refined by chilled casting process ,but the grains of the center of billets are coarse，and there are a lot of void defects in the center.Defects can be eliminated by direct hot extrusion,while banded microstructure and strong basal textures could be form by direct extrusion.This project presents a composite forming technology which includes chilled casting and extrusion and shear(shorted as CCES).Rheologieal behavior and macro-micro physical nature of chilled solification and extrusion-shear for CCES are the research objects,The multiple grain refinement mechanisms of CCES is developed by fundamental application researches.Topics are as follows: constitutive rheological evolution model for the dynamic transition from liquid to solid has been established during CCES process based on physical simulation and artificial neural network algorithm and the parameter inverse method. solidification and mechanical laws for CCES could be researched by multi-field couped three-dimensional nonlinear dynamic finite element method, variation laws for the microstructure, texture, mechanical properties with the die structure and process parameters can be revealed according to the results of the CCES experiments and the multiscale macro-micro tests, the macro and micro coupled forming limit diagram for CCES and control models for initial solidification point could be constructed.The aims of this project are to reveal the relationship laws between the CCES die structures, process parameters and grains refinement,textures evolution and strength and toughness of the magnesium alloys and lay foundations for the theories and technologies of the engineering applications for CCES process.

激冷铸造可细化镁合金铸坯的表面组织但心部晶粒粗大,热挤可改善缺陷但形成带状组织和强烈的基面织构。项目提出一种将激冷铸造(Chilled Casting)与挤压剪切Extrusion-Shear相结合制备高性能镁材的激冷铸挤剪(简称CCES)短流程技术。以CCES镁合金流变行为、宏微观物理本质为研究对象,对多重晶粒细化机制进行应用基础研究。基于CCES 物理模拟和人工神经网络算法与参数反求法构建镁合金液固连续转变的流变模型,采用多场耦合的三维动态非线性有限元法研究CCES凝固和力学规律;根据CCES实验的检测结果揭示微观组织、织构、力学性能等随模具结构和工艺参数的变化规律;构建宏微观耦合的CCES 成形极限图及初始凝固点的控制模型;采用CCES 试验验证并修正数学模型和极限图。项目旨在揭示CCES 的模具结构、工艺参数与晶粒细化及强韧性之间的内在联系，为CCES 成形工程应用提供科学依据。

镁合金铸造-挤压-剪切工艺是将传统挤压工艺和等径角挤压（ECAE）工艺结合起来的新开发的大变形加工技术。该工艺的特点是综合了铸造和塑性变形两种工艺的优势，同时达到成形和改性的双重目的，研究了AZ31镁合金通过新型模具实现铸造-挤压-剪切变形后微观组织转变及变形后的室温力学性能，分析了经过不同变形温度、不同变形方式、不同剪切转角以及不同挤压比对材料组织和性能的影响规律。同时采用有限元分析软件进行整个变形的模拟分析，讨论了挤压过程中坯料的温度分布和应变分布对其变形的影响规律。分别研究挤压温度为315℃和415℃时，加入30°、45°和60°剪切转角后的组织与无转角普通挤压（0°）之间的区别发现。挤压所得试样没有发现裂纹,说明不经均匀化处理的铸态AZ31镁合金具有较好的塑性,可直接进行挤压变形。在315℃下进行挤压剪切实验后，铸态AZ31镁合金晶粒较普通挤压得到明显细化，合金的室温强韧性同时得到显著改善。在415℃下进行挤压剪切实验后，晶粒尺寸较无转角普通挤压（0°）明显长大，综合力学性能反而下降，性能较315℃时差。在挤压温度为315℃时，随着剪切转角的增大，变形量逐渐增大，晶粒细化程度越高，组织也更均匀，当剪切转角达到60°时，再结晶完全，晶粒开始长大；而挤压温度为415℃时，铸锭在450℃加热3.5h之后，树枝状晶已经完全消失，取而代之的是均匀粗大的等轴晶粒，浇铸产生的组织不均匀性得到很大程度的消除；此时无转角普通挤压的组织均匀，晶粒细小，尺寸在25μm左右；加入剪切转角后，因摩擦和变形量的增大，局部温度升高，晶粒开始长大。铸态AZ31镁合金经挤压剪切后，315℃和415℃下的宏观织构都大致上表现为典型的（10-10）丝织构，温度对织构的影响不大，剪切转角的加入使织构发生了一定程度的偏转。DEFORM-3D模拟显示，材料变形时边部畸变较心部畸变严重，这和材料与模具的摩擦及变形时金属流动方向有关；模拟时温度对变形时挤压力的影响规律与实验情况一致；并对变形时不同部位的应变进行点追踪进行分析，模拟结果和实验结果一致。