鎂合金熱鍛成形三維加工圖中最佳工藝範圍的辨識方法

《鎂合金熱鍛成形三維加工圖中最佳工藝範圍的辨識方法》是依託上海交通大學，由劉娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鎂合金熱鍛成形三維加工圖中最佳工藝範圍的辨識方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉娟
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

針對傳統的Prasad加工圖中無法辨識峰值功率耗散係數對應的是最有利於加工的動態再結晶機制或超塑性機制等，還是不利於加工的楔形破裂機制等損傷機制的問題，以及根據現有的失穩判據無法區分加工中要嚴格避免的絕熱剪下帶區和一定程度上允許的流動局部化區的問題，以難變形鎂合金的熱鍛成形的可鍛性為研究對象，採用理論推導、實驗與數值模擬相結合的方法，研究功率耗散係數和流變不穩定參數的物理本質，項目預期將揭示功率耗散圖的分布狀態與動態再結晶、塑塑性機制和裂紋萌生的破壞機制的本質聯繫以及流動局部化區別於絕熱剪下帶的內在控制因素，建立最佳工藝區和裂紋萌生區的判別依據和絕熱剪下帶和流動局部化的識別判據，實現不再依賴於顯微試驗而能夠直接根據三維加工圖確定最合適的變形溫度、應變速度和應變範圍，並完成高強鎂合金的鍛造成形，研究成果對於完善加工圖理論具有重要意義，可以為材料熱成形最佳工藝的制定提供科學依據。

結題摘要

作為工業輕金屬材料，鎂合金具有低的密度，高的比強度和比剛度。但由於其具有密排六方的晶體結構，室溫下難以發生塑性變形，高溫下又易發生晶粒粗大和表面氧化，當前的鎂合金產品以鑄件，特別是壓鑄件居多，塑性加工產品極少，但鑄件的力學性能較差、易產生缺陷，而變形鎂合金組織細小均勻、綜合機械性能好。由於鎂合金鍛造的難度較大，對溫度和應變速率敏感，鎂合金鍛造成形困難。為了研究複雜形狀鎂合金零件的可鍛性，採用理論推導、實驗與數值模擬相結合的方法，確定其最佳變形工藝參數並進行實驗驗證。Prasad基於動態材料模型建立了加工圖，但是由於其沒有考慮應變的影響，不能完備地分析複雜零件熱變形的可加工性。項目所建立的新的包含應變的三維加工圖（三維功率耗散圖和三維失穩圖），解決了具有明顯應變軟化效應的合金（如鎂合金）熱變形時可加工性對應變的敏感性問題，是一個完備地反映材料可加工性的、進行工藝設計和最佳化的工具。關於加工圖的研究，目前主要是將其作為變形參數最佳化的工具，鮮有對參數的物理意義進行深入探討，而根據Prasad理論，加工圖中峰值功率耗散係數既可能對應最有利於加工的動態再結晶機制或超塑性機制等，還有可能對應於楔形破裂機制等損傷機制的問題，而流變失穩區既可能對應於絕熱剪下帶區也有可能對應於流動局部化區。針對這一問題，項目研究了功率耗散係數和流變不穩定參數的物理本質，功率耗散係數是根據物理系統建模理論推導得到的，實質上是應變速率敏感性指數的函式，流變不穩定參數是基於熱力學不可逆原理推導得到的，實質上是應變速率敏感性指數隨應變速率的變化。而楔形破裂與絕熱剪下帶都是應變速率敏感參數。進一步對動態再結晶規律進行深入研究建立了新的具有單參數的、反映了動態再結晶過程緩慢－快速－緩慢特點的動態再結晶動力學模型。可加工性包括應力狀態可加工性和材料的內稟可加工性，傳統的基於動態材料模型的加工圖僅說明了材料的內稟可加工性。通過將三維加工圖與有限元模擬兩個過程結合起來，提出了新的基於材料的可鍛性分析方法，完備的反應了應力狀態可加工性和材料的內稟可加工性。項目對五種鎂合金AZ31B、AZ61、AZ80、ZK60和ZK80的熱流變性能和三維加工圖進行了研究，並成功地完成了鎂合金直齒錐和醫用髖關節股骨柄的鍛造成形工藝設計和實驗。研究成果對於完善加工圖理論具有重要意義，可以為材料熱成形最佳工藝的制定提供科學依據。