连续剪切挤压对AZ31镁合金板材组织演变及性能影响研究

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镁合金因其高比强度和比刚度,电磁屏蔽和储能性能好等优点,广泛应用于汽车、航空航天,电子,3C及国防等领域,具有广阔的发展前景与潜力。然而由于自身为典型的密排六方结构,室温下可开动滑移系少,表现为室温塑性变形能力差等。作为板材主要塑性加工工艺的常规轧制和挤压会使得板材形成强烈的基面织构,导致室温塑性和力学性能差,各向异性较强,二次加工困难等,这严重制约了镁合金的大规模生产应用。因此,对镁合金微观组织及织构进行调控,以提高其综合力学性能,这对镁合金变形机制研究,制备工艺的优化以及广泛生产应用具有重要意义。本研究通过在传统挤压中引入连续剪切变形,辅以Deform 3D有限元模拟软件对连续剪切挤压(Continuous shear extrusion,CSE)过程中流速及等效应力和应变的分布变化情况进行分析。实验以AZ31镁合金铸锭为原材料,制备不同挤压条件下的CSE板材,条件包括挤压温度、挤压速度及挤压工艺,并通过光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)表征手段对板材微观组织和织构演变进行观察,研究了连续剪切挤压对AZ31镁合金板材组织和织构演变及力学性能的影响。主要研究结果表明:(1)Deform 3D有限元模拟了连续剪切挤压(CSE)过程中的流速、等效应力及应变分布变化。随着剪切变形程度的增加,两侧沿厚度方向的流速逐渐出现差异且逐步增大。最终稳定成形后,平行对称分布选取的参考点P1和P2会形成约30°的偏差,这会导致所受应力及应变的差异。挤压通道入口和剪切台阶处的材料变形较大会出现应力集中,等效应变经CSE挤压提升明显。(2)CSE工艺对AZ31初始铸态镁合金的微观组织演变和织构演化影响明显。随着变形程度的不断增大,应变累积之下的动态再结晶程度加大,晶粒细化明显,组织趋于均匀;挤压过程中同一部位下的动态再结晶晶粒随着挤压温度的升高而增多,平均晶粒尺寸减小,各部位织构受剪切力作用向挤压方向(ED)发生不同程度偏转和发散,且先进入剪切变形的一侧流速更快,粗大晶粒更少和再结晶更充分;CSE-Ⅱ挤压比CSE-I施加了更多的剪切变形,晶粒组织细化和均匀趋势加大,对应部位的平均取向差值和施密特因子(SF)值更大。(3)研究了340℃下不同挤压工艺对AZ31挤压板材组织、织构及力学性能的影响。CSE工艺中剪切力的引入形成了厚度方向的流变梯度,平均晶粒尺寸由常规挤压(Conventional extrusion,CE)的6.33μm分别下降到3.94μm和3.39μm,晶粒组织细化且均匀性提高。CE板材具有(0001)强基面织构,而CSE板材织构弱化明显,呈发散状趋势,且沿ED方向分别发生15°和20°的偏转。340℃-CSE挤出板材在ED方向的屈服强度和抗拉强度均明显高于CE板材,断裂伸长率略高,这是晶粒尺寸与织构偏转共同作用的结果。(4)研究了0.1 mm/s时挤压温度对CSE工艺挤压镁合金板材微观组织及力学性能的影响。经CSE挤压后的板材组织由拉长大晶粒和等轴再结晶细小晶粒组成,且随着挤压温度的升高,动态再结晶更充分。在260℃、300℃、340℃和380℃下CSE-I板材平均晶粒尺寸分别为5.84μm、5.04μm、3.94μm和5.16μm,CSE-Ⅱ板材分别为6.33μm,4.56μm,3.39μm和4.01μm,340℃下板材晶粒组织更为细小均匀。除340℃-CSE-Ⅱ板材的抗拉强度值升高之外,CSE板材的屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)和屈强比均呈下降趋势。340℃下挤出板材的塑性最好,综合力学性能更优,CSE-I板材的屈服强度为252.68 MPa,抗拉强度达到344.75 MPa,断裂伸长率为17.07%,CSE-Ⅱ板材分别为259.10 MPa,355.45 MPa和18.37%。(5)研究了340℃下挤压速度对CSE工艺挤压镁合金板材组织和力学性能的影响。挤压速度由0.1 mm/s增加到0.25 mm/s和0.5 mm/s时,粗长晶粒增多,再结晶晶粒尺寸更加细小,组织均匀性下降。随着挤压速度的提高,CSE挤出板材的屈服强度和抗拉强度均先减小后增大,断裂伸长率不断减小。
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