6061鋁合金多向鍛造過程和微觀組織演變的研究.pdf

1、6061鋁合金作為一種中高強度鋁合金，在工業(yè)中正在受到越來越廣泛的應(yīng)用，為了提高其強度和硬度來適用于更多種的場合，盡量改善其力學(xué)性能就成了目前的迫切需求。多向鍛造技術(shù)是強塑性變形方法中的一種代表性工藝，通過反復(fù)變形從而積累較大應(yīng)變使金屬材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，以達到強烈細化晶粒的效果，作為制備超細晶材料的一種成本較低容易實現(xiàn)的工藝方法具有很大的發(fā)展前景。因此研究6061鋁合金的多向鍛造成形工藝對于制各超細晶材料和應(yīng)用到實際工業(yè)具有重要意

2、義。
　　本文為了研究多向鍛造工藝對6061鋁合金力學(xué)行為的影響和晶粒細化的程度，并且通過有限元數(shù)值仿真的方法來實現(xiàn)6061鋁合金多向鍛造成形過程及其微觀組織演化的精確模擬，旨在為制備性能優(yōu)異的超細晶變形鋁合金的成形工藝參數(shù)及其優(yōu)化提供有效的理論依據(jù)和參考，以6061鋁合金作為研究對象，進行熱壓縮和多向鍛造試驗，利用等溫?zé)釅嚎s試驗所獲得的實驗數(shù)據(jù)繪制出6061鋁合金的20條基于不同溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，然后根據(jù)曲線

3、和材料微觀組織金相圖，經(jīng)過線性回歸以及計算，建立其流變應(yīng)力本構(gòu)模型和基于JAMK理論的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)模型，借助DEFORM-3D軟件平臺中針對6061鋁合金多向鍛造工藝過程進行仿真模擬和研究，通過比較分析確定最合適的鍛造工藝。然后再采用元胞自動機的方法，按照建立的模型借助軟件后處理中的Microstructure模塊對鋁合金鍛件多向鍛造過程中微觀組織晶粒演化進行了模擬分析，并將結(jié)果與之前基于JAMK理論的微觀組織動態(tài)再結(jié)晶仿真結(jié)果以及

4、經(jīng)仿真確定工藝方案的多向鍛造試驗前后的金相顯微組織進行對照分析，實現(xiàn)了6061鋁合金多向鍛造的仿真模擬與試驗的結(jié)合以及對鍛后組織結(jié)構(gòu)的預(yù)測。最后再通過常溫拉伸試驗驗證多向鍛造對鋁合金力學(xué)性能的改善作用。具體研究成果如下所示:
　　首先，在研究根據(jù)等溫?zé)釅嚎s試驗所獲實驗數(shù)據(jù)繪制出的6061鋁合金的基于不同溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)6061鋁合金在試驗條件下的熱塑性變形過程中的流變應(yīng)力具有正應(yīng)變速率敏感性，會隨著

5、應(yīng)變速率的提高而不斷升高，峰值應(yīng)力也隨之增大;隨著變形溫度的升高而呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。
　　在這之后，利用DEFORM-3D軟件來模擬不同工藝參數(shù)下的6061鋁合金多向鍛造成形過程，研究相關(guān)力學(xué)行為的變化情況和成形規(guī)律，在始鍛溫度為300℃的情況下，結(jié)果表明，等效應(yīng)變的累積和分布大致遵循熱壓縮變形的基本特征，心部和端部外緣屬于大變形區(qū)，端部中心屬于等效應(yīng)變最小的難變形區(qū)，而且隨著鍛壓過程的進行，應(yīng)變分布的梯度在逐漸增大，不均勻性逐

6、漸突出，中心區(qū)域的應(yīng)變增長最快，最終在剖切面形成了大致環(huán)狀分布的等效應(yīng)變場。由于鍛造使得外力做功以及材料內(nèi)部反復(fù)摩擦作用，兩者產(chǎn)生的熱量令整體鋁合金試樣的溫度不斷上升，溫度分布表現(xiàn)出從中心向頂部和邊緣呈遞減趨勢。多向鍛造工藝對細化晶粒尺寸和改善材料性能有著顯著的作用，在第一個循環(huán)道次結(jié)束時，試樣就已經(jīng)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，并且會隨著時間推移而使得再結(jié)晶程度越來越高，坯料各個區(qū)域逐步發(fā)生充分的變形，到鍛造結(jié)束時，材料內(nèi)部絕大部分區(qū)域已經(jīng)基本發(fā)

7、生了動態(tài)再結(jié)晶，進行得十分充分，晶粒均勻細化的效果十分明顯，已經(jīng)呈現(xiàn)出超細晶組織的狀態(tài)，最終最小的晶粒尺寸已經(jīng)達到0.580μm，平均晶粒尺寸為1.79μm左右。最終對比不同始鍛溫度和循環(huán)道次的影響，確定了最佳鍛造工藝。
　　最后，建立了基于元胞自動機理論的包括初始的微觀組織，位錯密度演化模型，再結(jié)晶形核與長大模型等等在內(nèi)的二維動態(tài)再結(jié)晶模型，線性回歸和計算出了模型中的各項參數(shù)，對6061鋁合金多向鍛造過程微觀組織動態(tài)再結(jié)晶演化進

8、行了仿真模擬分析。結(jié)果表明，隨著有效應(yīng)變的增加，溫度不斷升高，在原始鑄態(tài)合金中晶粒的晶界處開始破碎產(chǎn)生大量的等軸狀的細小新晶粒，在母相大晶粒四周形成了一圈典型的項鏈狀組織,并隨著鍛壓過程的進行，原始粗大晶粒逐漸被吞噬取代，晶粒得到顯著的細化，動態(tài)再結(jié)晶會逐漸趨于緩慢，再結(jié)晶細化晶粒的效果也在逐漸減弱。與之前基于JAMK理論的動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)微觀組織仿真結(jié)果對照，晶粒尺寸大致相同。這驗證了本文建立的元胞自動機模型可以比較準確的仿真和預(yù)測6