纯镁材旋锻制备的有限元模拟与实验研究

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1、摘要目前镁丝棒材主要通过铸造或挤压两种方法生产。但铸造镁材力学性能和表面性能差，镁挤压生产效率低，急需开发新型镁丝棒材成形工艺．由于其经济性及对性能的明显改进潜力，旋锻成为一种及有应用前景的镁丝棒材成型工艺。但目前有关镁旋锻工艺的研究很缺乏。旋锻工艺特有的脉冲加载及多向加载方式中各场量的分布、变化过程及其影响的研究还未见报导。旋锻工艺参数对其产品的表面粗糙度、表面裂纹、显微组织等影响很大，但这方面的定量研究也未见报导。本文首先分析了纯镁在150～300"C、动态加载条件下的流变本构关系及塑性变形机制，作为旋锻工艺研究的基础。然后对工业上常用的方坯及圆坯旋锻变形过程进行有限元模拟，分析了旋锻工艺

2、脉冲加载及多向加载方式下各场量的分布及变化过程；讨论了这种分布及变化过程对镁的可加工性、旋锻镁材质量的影响；得到了镁旋锻工艺参数与旋锻镁制品的表面裂纹、表面粗糙度、显微组织、旋锻机受力的关系，进而获得了镁旋锻合理工艺参数的确定原则。研究了旋锻镁材的力学性能及其影响因素。结果表明：纯镁在T≤200at、O．01—10s"1变形时，出现了大量变形孪晶及剪切破坏行为，为不稳定流变．在2500CsT≤3000C变形时，为避免不稳定流变行为(显微组织中的大量孪晶)，应变速率应小于10s"1。在250-300"(2的温度范围内，Friedel-Escaig交滑移机制是镁塑性流变的控制机制。旋锻工艺脉冲加载

3、及多向加载历程中各场量的分布、变化过程及对镁塑性变形能力、旋锻镁材组织性能的影响为：各节点等效应变随时间呈阶梯状逐步增加，旋锻过程中镁的总应变量是通过多次小变形实现的，这有利于低塑性材料的变形。应力随时间呈脉冲似的周期变化，脉冲最高点是锻模闭合对棒料进行锻打的时间，此时各应力组分均为压应力并且应力三轴度很低，这有利于镁成形极限的提高。在锻模张开，棒料送进阶段，局部塑性变形生热可以通过热传导、对流、辐射等方式扩散，因而旋锻变形温升不显著，这有利于产品晶粒细化及力学性能的提高。北京工业大学工学博士学位论文方坯开坯旋锻时，棱边节点轴向残余应力仃，为拉应力，并远大于其余方向的残余应力分量，是造成后续道

4、次表面横向微裂纹的基本原因之一。方坯开坯旋锻不可能使组织完全为动态再结晶组织．研究了镁圆坯单道次旋锻工艺参数与旋锻镁制品质量间的关系。结果表明，旋锻镁材中是否会保留铸态组织，受圆锥进料角口、径向压下量AR的影响，与其它工艺参数无关。随初始旋锻温度死。的升高旋锻镁材中变形孪晶分布减少，当径向压下量大于某临界值时，旋锻镁材中会出现孪晶，其余工艺参数对孪晶的出现没有影响。晶粒尺寸随△足的增大而减小，随瓦。的升高而增大，不受其余工艺参数的影响·锻件表面粗糙度随死。的增加而增大，随△露及轴向送料速度k的增大而呈抛物线关系增大，随fg∽2)的增大成直线关系增加。锻模所受径向压力随AR的增加和留(卅2)的减

5、小而呈指数关系增长，并随％删的增大而减小。具有动态再结晶组织的旋锻镁材的00．2比挤压镁材高66--73MPa。旋锻镁材的Petch斜率k为12．5，比挤压及轧制态的k值高。细晶强化及亚结构强化是旋锻工艺提高镁材强度的主要原因。如果旋锻过程中纯镁发生了非稳态流变，则其产品显微组织中会含有大量孪晶，拉伸时局部穿晶断裂会延孪生区域发生，因而延伸率低。模拟所得旋锻前后镁材的温度、镁材旋锻后的尺寸、表面粗糙度、显微组织、塑性流变稳定性与实验结果吻合良好。关键词旋锻：镁；塑性变形；有限元仿真；工艺优化；力学性能ⅡNowmagnesitmrodsandwires躲mainlyl,roducedbydiec

6、astingandexlrusion．I--lowntel-,thepoorm∞haDicalproi斌ticsand$UI'flIP∞qualityof勰eastrods鲫dthelow髓rmion删iratelimitednlcapplicationofmagnesimnrodsandwires．删OrC,stillsigni矗cazlteffortsneedtobcmadetodevelopIIdV"fomaingprocessofmagnesitmarods．Theadvautagesofrotaryswagi．gfRS),suelaaseconomyandimprovedwoacCe

7、cequality,makeitapromisingformingproee∞ofmalgnesiumrods．1qcvertheless．researelaesonRSofmagnesiumarescar∞．Thedistributionsandhistoriesofvariousfieldvariables’d．rtngthepulseblowingandmtdtidir“onalforgin