镁合金板材轧制成形的晶体塑性行为及织构预测项目摘要

针对镁合金相对较差的塑性流动性能以及板材轧制后各向异性困扰着这类产品生产的实际问题，以晶体塑性理论为基础，系统研究轧制变形条件对晶体塑性行为影响规律。研究内容包括：基于镁合金晶体的物理力学特征，提出滑移、孪生和晶体滑移与孪生交互作用关系及耦合行为的理论表征方法；研究镁合金滑移和孪生耦合力学行为计算的建模方法，构建晶体滑移和孪生耦合力学行为计算的数值模拟平台；在实验测试和理论分析的基础上，研究镁合金板材在轧制过程中的塑性变形微观机制，建立塑性宏观变形与组织演化的定量关系，分析各种轧制工艺参数对织构的影响规律。本项目的意义在于系统地探索和研究镁合金板材轧制成形中宏观变形与微观组织联系的关键性共性基础理论问题，揭示轧制变形状态与晶体塑性行为基本规律，为成形过程中塑性流动特征及其组织状态演变情况与工艺参数的匹配，获得良好的轧制工艺及织构控制提供科学依据和理论基础。

成形极限是板材成形性能的重要判据，成形极限的预测取决于准确的本构模型。镁合金板材的宏观力学性能依赖于自身的密排六方晶体结构，其成形性能与滑移、孪生微观变形机制以及织构特性密切相关。本项目以AZ31板材为对象，基于晶体塑性理论和镁合金变形机理分析，研究晶体滑移、孪生及其相互作用的表征和多晶体均匀化方法，建立有限变形条件下镁合金板材密排六方多晶体弹塑性自洽本构模型，导入有限元模型，模拟成形过程与微观织构演化；将所建立弹塑性自洽本构模型与M－K损伤失稳模型相结合，建立基于织构演化的镁合金板材成形极限计算方法；研究镁合金板材在线性与非线性应变路径下的成形极限，揭示初始缺陷、硬化系数、率敏感系数、初始织构以及预应变诱导织构等对镁板成形极限的影响规律。本项目研究旨在发展镁板成形理论与密排六方晶体塑性建模方法，为镁板成形技术的开发和应用提供理论支持。

镁合金作为重要的轻量化材料，受到世界各国高度重视。与钢、铝等其它常用金属相比，对于镁合金塑性成形理论方面的基础研究还相对滞后，成为阻碍镁板成形应用的瓶颈之一。多晶体塑性力学以材料微观结构信息为出发点，通过多尺度建模与计算，建立微观结构–宏观性能之间的对应关系。以晶体塑性理论为基础，研究滑移、孪生等机制对镁合金变形及织构演化的作用规律，探索镁合金塑性变形的机理，是国际塑性加工领域的一个热点。 本项目主要研究内容和结果如下： 开展AZ31B板材在100～300C温度范围内，不同方向、应变率下的单向拉伸及压缩试验，分析了应力应变曲线、r值、微观组织随应变的演化规律。单向拉伸时，r值在低温下随应变增加而逐渐增大；在200/300C面内单向压缩时，首次观察到r值演化规律与100/150C时显著不同：随应变增加而逐渐减小；在200C沿轧制方向压缩时，观察到特殊的板条状组织。 通过多晶体塑性计算，从变形机制角度解释了试验中r值、织构及微观组织的演化规律。在200C下RD压缩中，柱面滑移与基面滑移开动率之比随应变增加而逐渐减小，导致r值的异常演化；与RD拉伸及ND压缩相比，RD压缩中由于较大的旋转‘空间’导致了在沿加载方向取向差高演化速率，从而生成特殊板条状组织。 开展AZ31B板材的单向拉伸、准平面应变及等轴双拉三种预应变实验及刚模胀形试验。AZ31B板材的成形性能随温度的升高而改善，随凸模速度增大而减弱。在150C时，单向拉伸下极限应变与平面应变间存在巨大的差异，而随着变形温度的升高此差异由于锥面滑移开动的增强而减小；单向拉伸及平面应变预应变会改善成形性能，等轴双拉会降低成形性能，与室温下铝合金预应变后成形极限结果相比，在200C预应变对成形性能的影响并不显著，而在300C，由于温升及保温过程中的退火，使得预应变效果消失。建立耦合晶体塑性理论与M-K沟槽理论的成形极限计算方法，计算镁合金在不同条件下的成形极限。 本项目研究系统地研究了镁合金板材温热条件下的变形行为，首次发现并解释了镁合金板材r值变化的新规律和板条状组织的形成；开发了镁合金板材预应变实验方法，建立了多晶体塑性模型、M-K损伤模型耦合的成形极限计算方法。本项目的研究结果对于揭示镁合金板材微观变形机理、发展其塑性变形理论做出了较重要的贡献。

通过轧制方向的改变，形成明显的不同初始织构及组织各向异性。随形变及退火次数增加，这些初始样品组织及织构的各向异性逐渐减小甚至消失。样品转45°及90°轧制使表层的强初始Goss织构极大削弱后，仍能顺利完成点次再结晶及得到较好的磁性能，原因可归纳为以下几点：

1.两次冷轧都是中等压下量，有利于{111}（112）织构的形变量；中间退火使所有不同样品都得到小等轴晶，使初始取向不同带来的差异产生的作用明显减小。因为在相同形变量下，小晶粒样品因晶界多，阻碍位错运动，加速取向转动，更容易从不同初始取向转到相同的取向分布状态，即形成有利于Goss织构的{111} （112）织构。

2.一般认为，点次再结晶晶核来自脱碳板的次表层位；原始热轧板表层是再结晶晶粒，比中心层形变长条晶粒更容易提前摆脱初始织构的影啊，得到稳定的{111}（112）织构，从而使各样品的表层都提前出现具有Goss取向晶粒。

3.再结晶后Goss取向晶粒至少有5mm，一次再结晶后的晶粒尺寸大约是10μm，这样，一个成功的Goss取向晶粒要吃掉7.5 x 106个一次晶粒；而一次再结晶后Goss取向晶粒的体积分数至少有0.5%，即约37500个Goss取向晶粒内只要有1个成功生长就能得到强的Goss织构。以上试样都能满足这个条件。样品转动不同角度后，对抑制剂粒子分布的影啊并不大，所以粒子分布小的差异使得各样品都可顺利点次再结晶。

4.经45°旋转后，原先表层的另一种剪切织构，即{110}（112）织构可转到接近Goss取向（相差100），这种接近Goss取向的织构对最终Goss织构的形成起一定作用。同时，450样品较细小的组织有利于{111}（112）织构的形成，从而可产生新的Goss取向。

5.原始热轧板未经过常化，难以在第点次退火后形成成群分布的Goss晶粒，因此各样品中的Goss晶粒数目及分布差异不大。对900样品，{111}（112）织构的顺利形成，也产生新的Goss取向，对最终Goss织构有更大的贡献 。