鎂錫鋅銅合金組織和性能研究及熱變形數(shù)值模擬.pdf

1、隨著鎂及其合金在交通運輸和航天航空領(lǐng)域的逐漸推廣應(yīng)用，開發(fā)低成本高性能新型鎂合金材料尤為重要。在已較多研究的Mg–Zn、Mg–Al和Mg–RE等合金體系外，Mg–Sn系合金具有極大的潛力拓展鎂合金的應(yīng)用范圍并降低合金制備成本。本文研究了Cu元素含量對Mg–8.0Sn–2.0Zn合金組織和性能的影響規(guī)律及作用機制；分析了基于不同工藝參數(shù)組合的熱壓縮試驗的微觀組織演變和流變應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，構(gòu)建了 Mg–8.0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金的

2、應(yīng)變補償雙曲正弦本構(gòu)方程、動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程和塑性加工圖；構(gòu)建了單相材料及含第二相顆粒材料熱處理過程中晶粒長大的CA(Cellular Automaton)模型及熱變形過程動態(tài)再結(jié)晶CA模型，以此研究了第二相顆粒尺寸、熱變形參數(shù)和初始晶粒尺寸對Mg–8.0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金動態(tài)再結(jié)晶演變的影響；結(jié)合本構(gòu)方程和再結(jié)晶動力學(xué)模型，對合金熱變形過程進行了基于有限元二次開發(fā)的模擬，用于預(yù)測AZ31和5052合金熱壓縮變形過程中不

3、同區(qū)域的微觀組織的演變和差異。本研究得出以下主要結(jié)論：
　?、匐S著Cu元素含量的增多，鑄態(tài)Mg–8.0Sn–2.0Zn–xCu合金顯微組織細(xì)化效果不顯著；合金中除Mg2Sn相外，添加Cu元素后生成了MgZnCu相，當(dāng)Cu添加量較低時，MgZnCu以片層狀存在，當(dāng) Cu添加量超過1.0 wt%后，出現(xiàn)塊狀MgZnCu相；不同形貌的MgZnCu相均為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)α=0.7169 nm。
　?、陔S著Cu含量從0增加至0.

4、5 wt%，擠壓態(tài)Mg–8.0Sn–2.0Zn–xCu合金強度增加，塑性下降，最高抗拉強度為388.4 MPa，屈服強度為365.9 MPa，對應(yīng)延伸率為5.8%；Cu添加量持續(xù)增加，合金塑性提高，強度下降：1.0 wt%Cu合金的延伸率為8.1%，抗拉強度為360.2 MPa，屈服強度為337.7 MPa；1.5 wt%Cu合金的延伸率為10.4%，抗拉強度為345.5 MPa，屈服強度為313.0 MPa。
　?、厶砑舆m量的

5、Cu元素有利于擠壓態(tài) Mg–8.0Sn–2.0Zn–xCu合金晶粒細(xì)化：Cu含量為1.0 wt%時合金的平均晶粒尺寸為3.3μm，而當(dāng)Cu含量為1.5 wt%時合金晶粒反而粗化。Cu含量超過1.0 wt%以后，隨著Cu含量的增加，擠壓態(tài)合金中被塑性變形破碎的Mg2Sn和MgZnCu相顆粒的尺寸逐漸增大，顆粒與顆粒之間的間距也逐漸增大，細(xì)小顆粒相減少，第二相強化作用減弱，致使合金強度下降，塑性提高。隨著Cu含量的增加，擠壓態(tài)合金的基面織構(gòu)

6、先減小后增大。
　　④基于 Mg–8.0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金熱壓縮試驗，研究了不同熱變形條件對合金流變應(yīng)力的影響，借助應(yīng)變補償雙曲正弦本構(gòu)方程的數(shù)值計算，分析了熱變形過程中不同變形量下合金的本構(gòu)方程參數(shù)α、n、Q和lnA隨應(yīng)變的變化。隨著變形程度的增加，合金再結(jié)晶激活能先減小后增大：應(yīng)變?yōu)?.2、0.6和0.9時，激活能分別為164.68 KJ/mol、144.31 KJ/mol及148.62 KJ/mol。Mg–8.

7、0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金的動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力可簡化為σc=0.9σp，σsat=1.07σp，動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程可表示為：XDRX=1?exp[?0.85(α-αc)0.76—α*]。
　　⑤ Z參數(shù)較小時，Mg–8.0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金的主要熱變形機制為不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶；而Z參數(shù)較大時，合金的熱變形機制主要為連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。Mg–8.0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金塑性加工圖表明，該合金的較

8、優(yōu)熱加工參數(shù)為300-320℃、0.001-0.01s-1和390-440℃、0.001-1s-1。
　?、藿⒘藛蜗嗖牧霞昂诙囝w粒材料的晶粒均勻長大CA模擬，模擬計算結(jié)果表明，以晶界能和曲率驅(qū)動的晶界遷移模型能夠準(zhǔn)確反映合金受熱過程中晶粒均勻長大的規(guī)律，合金平均晶粒尺寸、晶粒尺寸分布和晶粒幾何特征均與試驗相符。數(shù)值模擬結(jié)果重現(xiàn)了第二相顆粒能夠抑制晶界遷移，細(xì)化組織，使得合金內(nèi)晶粒尺寸分布范圍較廣的物理現(xiàn)象。
　?、呓?/p>

9、了動態(tài)再結(jié)晶CA模型模擬AZ31和Mg–8.0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金受位錯密度變化驅(qū)動的再結(jié)晶形核與長大過程，模擬出的熱變形流變應(yīng)力變化與熱壓縮試驗流變結(jié)果相吻合。Mg–8.0Sn–2.0Zn–0.5Cu合金的CA模擬結(jié)果再現(xiàn)了再結(jié)晶晶粒在原始晶粒晶界處形核長大，第二相顆粒作為再結(jié)晶晶粒形核點，抑制再結(jié)晶晶粒晶界遷移從而起到細(xì)化組織作用等現(xiàn)象。模擬結(jié)果表明，第二相顆粒尺寸越大，其形核與釘扎晶界效果越弱，動態(tài)再結(jié)晶晶粒越大，組織

10、越粗大，這種現(xiàn)象印證了第二章Mg–8.0Sn–2.0Zn–1.5Cu合金中化合物尺寸變大致使晶粒粗化的現(xiàn)象。合金的微觀組織特征與模擬結(jié)果一致，驗證了動態(tài)再結(jié)晶CA模型對典型動態(tài)再結(jié)晶行為的預(yù)測能力。
　?、嗷贏Z31和5052合金的本構(gòu)模型及動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程，對ABAQUS有限元軟件的子程序 UHARD進行二次開發(fā)，計算了圓柱體墩粗熱變形過程中不同區(qū)域的應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場的變化；結(jié)合宏觀有限元模擬結(jié)果與動態(tài)再結(jié)晶CA模型