基于元胞自动机AZ31镁合金微观组织模型

以AZ31镁合金在热压缩过程中微观组织演变为基础,结合元胞自动机模型(CA),建立了镁合金变形过程中再结晶晶粒尺寸模型和动态再结晶百分数模型。通过对铸态AZ31镁合金在不同变形条件下的热压缩实验,推导出镁合金的位错密度模型、临界位错密度模型、形核率模型和晶粒长大模型。结合元胞自动机具体演变规则,建立元胞自动机模型,并利用应力应变曲线及晶粒大小验证元胞自动机的模拟结果,验证该模型的准确性,结合实验数据和JMAK理论,推导出再结晶晶粒尺寸模型和动态再结晶百分数模型。借助DEFORM-3D分析软件得到镁合金在变形过程中,晶粒尺寸分布的变化情况以及动态再结晶百分数分布的变化情况。     

皮尔格轧制AZ31镁合金管材微观组织预测

精准预测镁合金管材在皮尔格轧制变形过程中的晶粒演变,对控制镁合金管材的最终性能具有重要参考意义,本文结合AZ31镁合金管材在皮尔格轧机上的轧制实验,建立基于动态再结晶、静态再结晶、静态回复、晶粒粗化及晶粒拓扑变形的元胞自动机模型,并借助有限元计算得出的每道次轧制结果,与元胞自动机结合起来,得到镁合金管材在轧制过程中的晶粒演变的动态特征,发现晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化,并最终进行实验验证。     

轧制速度对AZ31镁合金管材冷轧成形的影响

轧制速度是三辊式冷轧成形过程中关键的工艺参数，决定其力学特征及温升情况。基于此，本文以冷轧AZ31镁合金管材为研究对象，通过全流程数值仿真计算，对比分析不同轧制速度在各特征变形段对等效应力、等效塑性应变及节点温度的影响规律。结果表明，等效应力、等效塑性应变及节点温度均随轧制速度的增大而增大。通过元胞自动机模型及实验等手段，探明了晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化的初步组织演变规律；对比分析实验与模拟结果并结合多方面因素，得到800mm/s的轧制速度可以更好的满足工艺要求的结果，为冷轧镁合金管材轧制速度的选择提供依据。     

AZ91镁合金的热压缩行为(Ⅱ)——元胞自动机模拟

采用基于动态再结晶的元胞自动机模型模拟分析AZ91镁合金热压缩过程中的流变行为及组织演变。模型中,通过参数的引入间接地考察第二相粒子对增加位错增长速率及降低晶界移动速率的影响。对比分析应力一应变曲线、组织演变、稳态组织中的平均晶粒尺寸及晶粒边数分布,模拟结果与实验结果的良好一致性表明本文作者提出的元胞自动机模型可以用于AZ91合金动态再结晶过程的模拟研究。     

回转角对AZ31镁合金管材冷轧成形过程的影响

回转角是三辊式冷轧无缝管材过程中的关键工艺参数,本文以冷轧AZ31镁合金管材为研究对象,通过对不同回转角下的冷轧过程进行了完整的仿真,对比分析了不同回转角在各特征变形段对等效应力、等效塑性应变及节点温度的影响规律,结果表明随着回转角的增大,等效应力、等效塑性应变以及节点温度均增大。借助元胞自动机模型以及实验等手段,通过实验与数值仿真结果对比分析,探明了晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化的初步组织演变规律,获得了50°的回转角可以更好的满足工艺要求,为镁合金管材冷轧成形回转角的选择提供依据。     

不同加载路径下的AZ31B镁合金的成形极限

为了分析实际成形过程中AZ31B镁合金产生破裂的原因,并为改善工艺条件提供实用可靠的判据,采用实验和有限元模拟相结合的方法研究AZ31B镁合金的成形极限。分别对沿轧制方向、垂直于轧制方向、与轧制方向成45°的3种方向的试件进行单向拉伸实验,获得AZ31B镁合金的工程应力-工程应变曲线,获得材料的真实应力-真实应变曲线和塑性变形阶段的塑性应变。采用十字形试件进行了不同加载路径下的双向拉伸实验,并进行了相应的有限元模拟仿真,提取实验和模拟结果绘制成形极限图,对有限元模拟和实验结果进行对比分析,发现实验和有限元模拟结果基本吻合,左侧成形极限图高于右侧。     

基于元胞自动机的三维晶粒生长动力学研究

本文基于热力学转换机制和能量跃迁原理，采用Metropolis算法改进的元胞自动机模型，对AZ31镁合金三维晶粒长大过程进行仿真研究，并对其晶粒尺寸与晶粒长大动力学进行统计分析。仿真结果表明:采用改进转变规则后的元胞自动机模型更加接近于实际三维晶粒的正常长大过程。在模拟过程中，系统总自由能降低，不同时刻晶粒尺寸均呈现正态分布。晶粒直径与平均晶粒直径的比值R/Rm≈1.0的晶粒分布最多，满足晶粒演变最小能量准则。分析晶粒长大动力学可知，三维晶粒长大遵循晶粒演变过程中平均晶粒尺寸随时间变化的关系，晶粒长大指数为0.47941，非常接近于理论值0.5。通过实验对AZ31镁合金保温过程中晶粒尺寸变化规律进行研究，进一步验证了本文建立的三维元胞自动机模型的可靠性与准确性。     

镁合金AZ31B板材温成形流变规律及本构模型

通过AZ31B镁合金板材高温拉伸实验,分别讨论了成形温度、应变速率以及各向异性对镁合金流变的影响。实验结果表明,温度越高、应变速率越低,镁合金的塑性越好;取样方向与轧制方向成45°时,由于在此方位孪生取向因子最大,因而该方向的塑性很高,与0°方向塑性基本相同。对变形后的镁合金进行金相组织观察发现,250℃时镁合金显微组织几乎都是由细小的等轴晶粒组成,优于其他温度下的显微组织;结合温度对镁合金流变的影响,确定镁合金的最佳温成形温度为250℃。依据实验数据建立了两种硬化本构模型,即Fields-Backofen模型和指数模型。分别将两种模型预测结果与实验数据对比表明,采用指数模型能更好的预测镁合金温成形流变应力。     

AZ31镁合金高温本构方程

分析并建立了具有动态再结晶型金属的本构方程模型，用Gleeble—1500D热／力模拟仪对AZ31镁合金进行圆柱体单向热压缩试验，并根据实验结果分析计算了本构方程模型中的各参数，获得了完整的AZ31镁合金高温本构方程?用本构方程计算了实验条件下的流变应力，计算值与实验值能较好地吻合，误差在8％以内。可为制订AZ31镁合金的热加工工艺提供理论与数据。     

镁合金型材三点弯曲数值模拟及试验验证

建立了常温拉应力和压应力状态下AZ31B镁合金型材的材料本构模型。根据所建立的材料本构模型,模拟了型材的三点弯曲变形过程。研究表明:对于成形力、外壁塌陷和回弹量而言,数值模拟的结果与试验结果吻合较好;但内壁凹陷二者差别比较大,这是在建立材料模型时忽略了各向异性所致。通过模拟镁合金型材三点弯曲变形过程,验证了材料本构模型的准确性,对镁合金型材弯曲数值模拟研究具有一定指导意义。     

Al-5Ti-1B对AZ31合金组织与性能的影响

研究了Al-5Ti-1B中间合金不同添加量对AZ31镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,在AZ31镁合金中添加Al-5Ti-1B中间合金有利于组织性能的改善。在试验中,添加量控制在0.5%为佳,此时,合金晶粒尺寸达到最小,约为170μm,是AZ31镁合金未添加细化剂时晶粒尺寸的30%,抗拉强度及伸长率分别达到最大。AZ31镁合金组织性能的变化主要与Al-5Ti-1B中间合金中的游离Ti和TiB2有关。     

AZ31和AZ91镁合金等温挤压及挤压后的微观组织变化

通过等温挤压和金相观察,研究了AZ31和AZ91镁合金不同变形条件下的挤压性能和变形后的微观组织变化。结果表明,AZ31镁合金的挤压变形性能较好,而AZ91镁合金在挤压比为4∶1、挤压温度为400℃,以及在挤压比为9∶1、挤压温度为350℃和400℃时,挤压后的试件表面均出现了裂纹;AZ31镁合金的最佳成形温度为300℃～400℃,AZ91镁合金的最佳成形温度为300℃～350℃;镁合金在热挤压过程中发生了动态再结晶,挤压之后合金的晶粒显著细化。     

基于3D CA的AZ31镁合金动态再结晶行为研究

本文建立了三维元胞自动机(3D-CA)模型，通过热压缩试验和电子背散射衍表征技术(EBSD)，对AZ31镁合金在热变形过程中的微观组织演化规律进行可视化和定量预测。根据试验得出的真应力-应变曲线，确定了3D-CA模型参数在试验条件下的取值，建立了模型参数与变形条件(应变、变形温度和应变速率)之间的关系。利用所建立的3D-CA模型，对AZ31镁合金在热变形过程中的流动行为和微观组织演化进行模拟和讨论。结果表明:再结晶体积分数随着应变的增大而增加，随着变形温度的增大或应变速率降低而增大，提高应变速率或降低温度可以细化再结晶晶粒。模拟结果与实验结果吻合较好，相对误差值在4.5%-16.2%之间，所建立的3D-CA模型能够较准确地预测镁合金AZ31的微观组织演化。     

AZ31镁合金差温热轧过程的晶粒细化

实验研究了经不同道次差温热轧AZ31镁合金的金相组织,结合对轧制过程,尤其是轧件温度场的数值模拟结果,分析了AZ31镁合金差温热轧过程晶粒细化机制与主要影响因素,获得了通过轧制过程动态再结晶,使轧材晶粒尺寸随轧制道次增加,而持续细化的工艺参数,并制备出平均晶粒尺寸为5μm左右的细晶AZ31镁合金板材。     

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针对AZ31镁合金板材室温冲压成形较差的特点,采用在不同轧制温度下获得的镁合金板材对其进行拉伸、埃里克森和锥杯试验,并通过光学电镜和X射线衍射仪对其显微组织、织构和成形性能等进行研究.结果表明,AZ31镁合金板材的综合力学性能不仅与晶粒尺寸有关,还与晶粒取向有关;基面织构的减弱可明显提高板材的胀形性能,在基面织构强度相似的强况下,晶粒大小对板材的成形性能起决定性影响.     

强力旋压镁合金筒形件的显微组织及微纳力学性能

以AZ31镁合金的强力旋压成形工艺为例,通过6道次旋压成形获得镁合金筒形件,对其各道次组织演变规律及筒坯的微纳力学性能进行了分析。原始筒坯壁厚为10mm经6道次强力旋压成形,获得了壁厚为1mm的成形良好、无鼓包等缺陷的镁合金筒形件;采用金相显微镜对各道次的筒坯试样的显微组织进行分析,结果表明:组织由原始粗大的、不均匀组织逐步转变为以孪晶为主、细小的均匀的组织;采用G200微纳力学测试系统对各道次的镁筒坯试样进行纳米压痕测试分析,结果表明:镁合金筒坯硬度随着旋压道次的增加而提高,原始镁合金筒坯硬度为0.377GPa,6道次旋压后镁合金筒坯的硬度为1.053GPa,提高约2.8倍,而旋压前后模量值保持基本不变;采用万能试验机对旋压成形的筒形件进行拉伸试验并对其断口进行SEM分析,结果表明:旋压前后的镁合金筒坯断口均呈现塑性断裂,但是原始镁合金断口中韧窝大而深,经多道次旋压后的断口中韧窝小而浅。     

退火工艺对高温叠轧AZ31镁合金板材组织与性能的影响

将高温叠轧变形和退火再结晶相结合,尝试共同调控AZ31镁合金板材的组织与织构。在300℃下对高温叠轧AZ31镁合金板材进行不同时间的退火处理,并研究了退火对高温叠轧板材组织、晶粒取向和力学性能的影响。结果表明:随退火时间的增加,界面结合质量逐渐提高,当退火时间为30 min时,部分区域出现冶金现象;显微硬度随退火时间的增加而降低;延长退火时间,高温叠轧板材非基面取向晶粒比重显著增加,同时,高温叠轧历史累积应变量、后续退火两者共同作用促使AZ31镁合金板材基面织构显著弱化。