论文部分内容阅读
挤压-剪切工艺(简称ES)是将传统挤压与等径角挤压(ECAE)相结合的大变形加工技术。半固态挤压剪切工艺则是将半固态成形与挤压-剪切工艺结合起来的新开发的变形加工技术,该工艺综合了ES以及半固态成形工艺的优势,使加工难度降低,材料成形性能提升,组织与性能得到进一步优化。本文首先以课题组成熟的研究结果为基础,优化挤压剪切模具,之后通过DEFORM-3D挤压模拟,和AnyCasting浇注模拟,探究浇注以及挤压过程中的规律。在模拟理论的基础上选择不同剪切内角的挤压剪切模具(无转角、150°、135°)后,进行3组实验,分别是350℃常规挤压、450℃常规挤压、以及半固态挤压实验。本文选用铸态AZ31镁合金作为实验材料。通过AnyCasting进行AZ31镁合金浇注模拟,得到熔体温度-时间曲线,为后续半固态挤压参数提供理论支撑;DEFORM-3D进行挤压模拟,研究挤压过程的成形载荷、等效应变、速度场规律。后续进行常规挤压以及半固态挤压实验,并对挤压得到的棒材进行显微组织观察、显微硬度测试和拉伸性能实验,通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜进行宏观织构测定和拉伸断口分析以及微观织构分析。结合模拟结果,探究剪切转角、挤压温度对常规挤压的影响,剪切转角对半固态挤压的影响,半固态挤压组织演变规律,以及对比半固态挤压与常规挤压,探究半固态挤压晶粒细化、织构弱化、改善组织性能不均匀性的作用。最终得到以下结果:AnyCasting浇注模拟表明,在浇注时间t=18±2s时,凝固率为80±5%,铸件中心部分存在少量液态,心部温度约为580±10℃,可以此作为半固态挤压成形的初始态浆料。DEFORM-3D挤压模拟表明,成形载荷随着剪切内角减小而增加,剪切内角越小,最终稳定的成形载荷越大,材料顺利挤出也越困难;等效应变随着转角的添加而增大,并且剪切内角越小,棒材累积的等效应变也越大,外侧等效应变差值越大,变形不均匀性增加;流速受转角的影响规律是,在通过常规挤压区时,有无转角,两侧流速都基本一致,而在等通道转角区,无转角时,材料中部流速最快,随着剪切转角加入,外侧材料流速大于内侧,随着剪切转角减小,流速差先增大再减小,最终两侧流速趋于一致;温度对成形载荷的影响是,降低温度,最大成形载荷增加,材料顺利挤出也越困难。剪切转角对350℃常规挤压的影响为,随着剪切转角加入,动态再结晶更充分,晶粒细化,剪切内角由150°减小至135°,晶粒进一步细化,但组织不均匀性增加;硬度提高,当剪切内角由150°减小至135°,硬度略有增加,同一剪切内角下,从内侧L至外侧R硬度先降低再升高,且内侧L硬度低于外侧R,135°时硬度不均匀性更明显;屈服强度上升15~25MPa,抗拉强度上升10~15MPa,延伸率下降1~3%,150°剪切内角下的综合力学性能最优,屈服强度237.5MPa、抗拉强度299.2MPa、延伸率11.3%。挤压温度对常规挤压剪切的影响为,与350℃相比,挤压温度升高至450℃后,显微组织为长大晶粒与未被吞噬小晶粒并存,晶粒尺寸明显增大,平均硬度小于350℃下的平均硬度,与350℃的基面织构强度相比,450℃基面织构强度显著下降,屈服强度、抗拉强度均下降,延伸率上升,并且同一横截面上组织与硬度分布依然不均匀;在450℃下,转角加入,抗拉强度下降。剪切转角对半固态挤压的影响为,引入剪切转角后,晶粒得到明显细化,剪切内角由150°减小至135°,晶粒略微长大,内外侧与中部M的组织差异不大,内侧L与外侧R组织无明显差异性;各区域硬度值均上升,135°与150°的平均硬度值基本持平,整体来看硬度分布较均匀;(0002)基面织构强度上升3-4;棒材屈服强度上升20~40MPa,抗拉强度上升10~20MPa,延伸率下降2~3%,150°剪切内角下的综合力学性能最优,屈服强度222.2MPa、抗拉强度308.5MPa、延伸率9.6%。对比半固态挤压以及350℃、450℃常规挤压的组织性能后发现,半固态挤压各区域为均匀细小组织,均匀性明显优于常规挤压,并且与450℃常规挤压相比,半固态晶粒细化效果明显,与350℃常规挤压相比,在加入转角后,半固态挤压也有一定程度晶粒细化效果;半固态挤压与350℃常规挤压硬度值较接近,均明显大于450℃常规挤压,半固态挤压下棒材横截面内侧L、中部M、外侧R硬度值无明显差异,硬度分布更加均匀;不同工艺下的横截面(0002)基面织构强度不同,半固态挤压更能有效弱化AZ31镁合金棒材的(0002)基面织构;对比不同工艺下拉伸性能发现,半固态挤压在组织上的细化以及基面织构的弱化有利于提高材料性能。