AZ91D鎂合金熱塑性行為及熱輥軋制過程再結(jié)晶組織模擬

AZ91D鎂合金熱塑性行為及熱輥軋制過程再結(jié)晶組織模擬鎂合金是一種密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)高、阻尼能力強(qiáng)、電磁屏蔽性能好的結(jié)構(gòu)材Z/A):(a)lnεc-ln(Z/A);(b)lnεp-ln(Z/A);(c)lnε0.5-ln(Z/A)

???????εc=0.0661(Z/A)0.0448εp=0.1126(Z/A)0.0883ε0.5=0.0453(Z/A)0..131εc=0.0661(Z/A)0.0448εp=0.1126(Z/A)0.0883ε0.5=0.0453(Z/A)0..131

(6)

式中：Z為Zener-Hollomon參數(shù)；A為結(jié)構(gòu)因子；εc為臨界應(yīng)變；ε0.5為50%再結(jié)晶的應(yīng)變。

塑性變形過程中，當(dāng)位錯(cuò)的密度增加到一定程度，且大于臨界應(yīng)變時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶會(huì)在變形區(qū)和原始晶粒晶界處形核和長大。根據(jù)求解的臨界應(yīng)變值可知，臨界應(yīng)變與峰值應(yīng)變滿足線性比值關(guān)系，表達(dá)式為εc=0.395εp。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)可以表示為：

Xd=1?exp{?k[(ε?εc)/ε0.5]m}Xd=1-exp-k[(ε-εc)/ε0.5]m

(7)

式中：Xd為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)；k、m為材料常數(shù)。

當(dāng)組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，流動(dòng)應(yīng)力下降，所以可以用流動(dòng)應(yīng)力表達(dá)式(8)來預(yù)測動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)：

Xd=(σp?σ)/(σp?σs)Xd=(σp-σ)/(σp-σs)

(8)

對式(7)進(jìn)行移向處理并對兩邊同時(shí)取自然對數(shù)可得：

ln[?ln(1?Xd)]=lnk+mln[(ε?εc)/ε0.5]ln[-ln(1-Xd)]=lnk+mln[(ε-εc)/ε0.5]

(9)

由式(9)可知，ln[?ln(1?Xd)]ln[-ln(1-Xd)]和ln[(ε?εc)/ε0.5]ln[(ε-εc)/ε0.5]線性關(guān)系斜率為m值，截距是lnklnk。圖5所示為ln[?ln(1?Xd)]ln[-ln(1-Xd)]和ln[(ε?εc)/ε0.5]ln[(ε-εc)/ε0.5]的關(guān)系，根據(jù)曲線的斜率和截距可以得到AZ91D鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)表達(dá)式為：

圖5ln[?ln(1?Xd)]ln[-ln(1-Xd)]和ln[(ε?εc)/ε0.5]ln[(ε-εc)/ε0.5]關(guān)系曲線

Fig.5Relationshipbetweenln[?ln(1?Xd)]ln[-ln(1-Xd)]andln[(ε?εc)/ε0.5]ln[(ε-εc)/ε0.5]

Xd=1?exp{?0.06726[(ε?εc)/ε0.5]0.98869}Xd=1-exp-0.06726(ε-εc)/ε0.50.98869

(10)

2熱輥軋制過程數(shù)值模擬

基于DEFORM10.0的二次程序開發(fā)平臺，將動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型和本構(gòu)方程通過FORTRAN程序語言編程開展AZ91D鎂合金軋制過程微觀組織模擬，研究了軋制參數(shù)對AZ91D鎂合金板材軋制過程中變形區(qū)內(nèi)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律。鎂合金具有拉壓不對稱性，拉伸和壓縮過程的塑性變形行為及性能有較大差別[28]，構(gòu)建的本構(gòu)方程較適合基本應(yīng)力狀態(tài)為壓縮應(yīng)力狀態(tài)的工藝過程分析，軋制過程大部分塑性變形區(qū)域?yàn)槿驂簯?yīng)力狀態(tài)并和鐓粗過程相近，可采用熱壓縮行為下構(gòu)建的本構(gòu)方程。熱軋變形過程是塑性變形與溫度相互耦合作用過程，熱塑性變形過程中將塑性變形功和摩擦生熱考慮為內(nèi)熱源：

{q˙plastic=ησˉεˉ˙q˙fric=τ|Δν|q˙plastic=ησˉεˉ˙q˙fric=τΔν

(11)

式中：σˉσˉ為材料瞬時(shí)流動(dòng)應(yīng)力，Pa；εˉ˙εˉ˙為瞬時(shí)應(yīng)變速率，s-1；ηη為變形能轉(zhuǎn)化系數(shù)(0.85~0.95)；ττ為摩擦剪應(yīng)力，Pa；ΔvΔv為接觸面上相對滑動(dòng)速度，m/s。

熱輥軋制過程溫度場求解過程中，軋件邊界條件主要考慮輻射、自然對流換熱和軋輥與軋件之間的熱接觸換熱。計(jì)算用熱輻射率為0.07，自然對流換熱系數(shù)為11W/(m2?K)[29]。軋輥與軋件之間傳熱機(jī)制復(fù)雜，接觸換熱系數(shù)受溫度、表面粗糙度、軋制壓力、材料屬性等眾多因素影響，在實(shí)際生產(chǎn)中，其值主要隨軋制壓力的增大而增大，熱阻換熱系數(shù)HTC(W/(m2?K))與軋輥壓力pm(MPa)的關(guān)系[30]為：

HTC=0.1133pm+28.92476HTC=0.1133pm+28.92476

(12)

計(jì)算用AZ91D鎂合金熱物性參數(shù)為如下：密度為1820kg/m3，泊松比為0.35，熱膨脹系數(shù)為2.6×10-5K-1，導(dǎo)熱系數(shù)為72W/(m?K)，比熱容為1.9kJ/(kg?K)，塑性做功熱轉(zhuǎn)化因子取0.9，摩擦類別設(shè)定為剪切摩擦，摩擦因子取0.3。軋輥直徑為300mm，輥面長度350mm。

軋制過程工藝參數(shù)設(shè)定的應(yīng)變速率、變形溫度在熱模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，壓下率選取主要依據(jù)鎂合金變形能力并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)情況提升壓下率，以確保相近條件下數(shù)值模擬迭代收斂。單道次軋制過程組織數(shù)值模擬中，輥面溫度分別設(shè)定為200、250、300、350℃，軋件溫度設(shè)定為20℃，壓下率設(shè)定為10%、20%、30%、40%，軋制速度為0.01、0.05、0.1、0.5m/s，初始軋件厚度分別為4、8、12、16mm。多道次模擬中軋制速度為0.01m/s，總壓下率約為67%，輥面溫度分別設(shè)定為250、300和350℃，第一道次軋前將軋件溫度值設(shè)定為與輥面相同溫度。熱輥軋制過程組織模擬和工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證用鑄軋AZ91D鎂合金板材初始厚度約為8mm。軋制實(shí)驗(yàn)中，利用線切割機(jī)將板材切割成100mm×60mm軋制試樣，軋制速度設(shè)定為0.01m/s，輥面溫度為350℃，軋前將試樣加熱到350℃，后續(xù)軋制道次間不回爐退火，通過三道次軋制，總壓下率約為67%，軋制后將試樣置于室溫冷卻。使用DMI5000M徠卡全自動(dòng)倒置金相顯微鏡分析微觀組織，腐蝕液為5g苦味酸+80mL乙醇+10mL冰乙酸+10mL蒸餾水配制而成的混合溶液。

2.1單道次軋制數(shù)值模擬

不同輥面溫度下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)變化如圖6所示。其中軋制速度為0.01m/s，壓下率為40%，初始板厚為4mm。在輥面溫度為200℃的條件下，由于帶材溫度較低，位錯(cuò)遷移困難，導(dǎo)致板材臨界應(yīng)變升高，未發(fā)生明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)輥面溫度升高至250℃時(shí)，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶最大體積分?jǐn)?shù)約為60.4%。隨著輥面溫度繼續(xù)升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增加，但增加趨勢減弱，受制于應(yīng)變積累，即使輥面溫度為350℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶仍不充分，最大動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)約為81.8%。沿軋制方向上，從入口端到出口端，等效應(yīng)變逐漸增加，熱量傳遞也使帶材溫度逐漸升高，故動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。厚度方向上，后滑區(qū)帶材表面動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)略高于心部，而前滑區(qū)相反。

圖6不同輥面溫度下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

Fig.6Volumefractionofdynamicrecrystallizationofstripsatdifferentrolltemperatures:(a)200℃;(b)250℃;(c)300℃;(d)350℃

不同軋制速度下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)變化如圖7所示。其中輥面溫度為350℃，壓下率為40%，初始板厚為4mm。由圖7可以看出，隨著軋制速度的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)略有增加，最大動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)變化范圍為81.8%~85.3%。軋制速度增加對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)大小影響較弱，原因包括兩個(gè)方面：一方面，隨著軋制速度增加，軋輥向帶材的熱量傳遞效率有所降低；另一方面，隨著軋制速度增加，應(yīng)變速率增加，熱效應(yīng)有所增加，且材料內(nèi)部位錯(cuò)增殖越嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大，形核位置增多。應(yīng)變和溫度升高容易發(fā)生再結(jié)晶形核，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)沿軋制方向從入口端到出口端逐漸增加，而速度增加引起的溫度分布不均導(dǎo)致厚度方向上的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分布更為不均。

圖7不同軋制速度下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

Fig.7Volumefractionofdynamicrecrystallizationofstripsatdifferentrollingspeeds:(a)0.01m/s;(b)0.05m/s;(c)0.1m/s;(d)0.5m/s

不同壓下率下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)變化如圖8所示。其中輥面溫度為350℃，軋制速度為0.1m/s，初始板厚為4mm。由圖8可知，隨著壓下率的增加，熱量更易傳遞到心部使得帶材出口端動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增加，且變形區(qū)內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶比率顯著增加。當(dāng)壓下率為10%時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)僅為16%；當(dāng)壓下率增加到40%時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)升高至83.4%。沿軋制方向從入口端到出口端動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，沿厚度方向上，后滑區(qū)表面動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)高于心部，而在前滑區(qū)正好相反。

圖8不同壓下率下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

Fig.8Volumefractionofdynamicrecrystallizationofstripsatdifferentreductionrates:(a)10%;(b)20%;(c)30%;(d)40%

不同原始厚度下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)變化如圖9所示。其中輥面溫度為350℃，軋制速度為0.1m/s，壓下率為40%。由圖9可知，隨著初始厚度增加，熱量傳遞不能及時(shí)傳遞到心部，因而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)略有減少，且厚度方向的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分布更為不均勻。當(dāng)厚度達(dá)到8mm以上時(shí)，在后滑區(qū)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)最大點(diǎn)既不在表面也不在心部，而是在距離表面比較近的表層，原因是該區(qū)域熱量能瞬時(shí)傳遞過來，且累積等效應(yīng)變值也相對較大，因而更容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在前滑區(qū)由于隨著軋制過程進(jìn)行，等效應(yīng)變梯度減弱，熱量有一定的傳遞，但心部變形量更大，故動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分布趨于均勻，但在出口端表面的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)仍小于中心部位。

圖9不同初始厚度下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

Fig.9Volumefractionofdynamicrecrystallizationofstripsatdifferentinitialthickness:(a)4mm;(b)8mm;(c)12mm;(d)16mm

總之，單道次軋制過程中無論如何調(diào)控軋制工藝參數(shù)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶最大體積分?jǐn)?shù)基本維持在80%~85%之間，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶并不充分，導(dǎo)致組織細(xì)化效率有限。若繼續(xù)增加壓下率或輥面溫度，則可能造成板材軋裂或再結(jié)晶晶粒的異常長大。因此，多道次軋制對改善組織均勻性和獲得細(xì)小晶粒尺寸帶材具有重要意義。

2.2多道次軋制數(shù)值模擬

不同輥面溫度和軋制道次下帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖10所示。由圖10可看出，在熱量傳遞作用下，輥面溫度越高，帶材溫度越高，越有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生。當(dāng)輥面溫度為250℃時(shí)，不同軋制道次后帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律相近，第三和第五道次軋后，帶材出口端動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分別約為56.9%和83.2%，道次和應(yīng)變積累增加有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生(見圖10(a)和(b))；輥面溫度升高至300℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)約為84.9%，進(jìn)一步軋制五道次后帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶基本完成，體積分?jǐn)?shù)為1(見圖10(c)和(d))；當(dāng)輥面溫度繼續(xù)升高至350℃時(shí)，軋制三道次后帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)基本完成，不考慮再結(jié)晶晶粒長大條件下，繼續(xù)增加軋制道次至五道次后，帶材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為1，再結(jié)晶充分完成(見圖10(e)和(f))，而實(shí)際中繼續(xù)增加道次和升溫會(huì)使再結(jié)晶晶粒長大。

圖10不同輥面溫度下軋制第三和第五道次后帶材的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

Fig.10Volumefractionofdynamicrecrystallizationofstripsafterthird-passandfifth-passrollingatdifferentrolltemperatures:(a)250℃,third-pass;(b)250℃,fifth-pass;(c)300℃,third-pass;(d)300℃,fifth-pass;(e)350℃,third-pass;(f)350℃,fifth-pass

不同輥面溫度下AZ91D鎂合金帶材軋制三道次后金相組織及與數(shù)值模擬結(jié)果比較，如圖11所示。輥面溫度為250℃時(shí)，軋后帶材組織出現(xiàn)了一定比例的細(xì)小再結(jié)晶晶粒(見圖11(a))，組織主要由孿晶組織、細(xì)小的再結(jié)晶晶粒以及被拉長、破碎的粗大晶粒組成。這是因?yàn)椋阂环矫妫瑴囟群蛻?yīng)變達(dá)到了一定程度，導(dǎo)致帶材組織產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的激活能；另一方面，孿晶的產(chǎn)生造成的晶格畸變引起局部應(yīng)力分布及變形不均勻，為再結(jié)晶晶粒的形核提供了有利的條件，新晶粒在再結(jié)晶晶粒邊界周圍長大，又會(huì)導(dǎo)致晶粒進(jìn)一步細(xì)化[31]。當(dāng)輥面溫度為300℃時(shí)，帶材組織發(fā)生了較為充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化明顯，孿晶基本消失(見圖11(b))。軋輥溫度繼續(xù)升高至350℃時(shí)，軋后帶材組織大部分晶粒通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)一步細(xì)化，而另一部分晶粒有一定長大，故平均晶粒尺寸與輥面溫度300℃時(shí)的相近，細(xì)化效果不明顯(見圖11(c))。由金相組織晶粒的統(tǒng)計(jì)分析和結(jié)果對比可知，數(shù)值模擬預(yù)測的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與實(shí)測結(jié)果基本吻合。雖然由于取樣區(qū)域不同和初始晶粒大小設(shè)定導(dǎo)致實(shí)測體積分?jǐn)?shù)略高于模擬結(jié)果，但模擬結(jié)果還是較好地反映了實(shí)際軋制過程的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶演變規(guī)律，所構(gòu)建的熱塑性本構(gòu)方程和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型是可靠的(見圖11(d))。

圖11不同輥面溫度下軋制三道次后AZ91D鎂合金帶材的顯微組織以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶預(yù)測結(jié)果和實(shí)測值的比較

Fig.11MicrostructuresofAZ91Dalloystripsafterthreepassesrollingatdifferentrollsurfacetemperatures((a)-(