AZ91D鎂合金熱塑性行為及熱輥軋制過程再結晶組織模擬

AZ91D鎂合金熱塑性行為及熱輥軋制過程再結晶組織模擬鎂合金是一種密度低、比強度高、導熱系數高、阻尼能力強、電磁屏蔽性能好的結構材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；A為結構因子；εc為臨界應變；ε0.5為50%再結晶的應變。

塑性變形過程中，當位錯的密度增加到一定程度，且大于臨界應變時，動態(tài)再結晶會在變形區(qū)和原始晶粒晶界處形核和長大。根據求解的臨界應變值可知，臨界應變與峰值應變滿足線性比值關系，表達式為εc=0.395εp。動態(tài)再結晶體積分數可以表示為：

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

(7)

式中：Xd為動態(tài)再結晶體積分數；k、m為材料常數。

當組織發(fā)生動態(tài)再結晶后，流動應力下降，所以可以用流動應力表達式(8)來預測動態(tài)再結晶體積分數：

Xd=(σp?σ)/(σp?σs)Xd=(σp-σ)/(σp-σs)

(8)

對式(7)進行移向處理并對兩邊同時取自然對數可得：

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]的關系，根據曲線的斜率和截距可以得到AZ91D鎂合金動態(tài)再結晶體積分數表達式為：

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

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熱輥軋制過程數值模擬

基于DEFORM10.0的二次程序開發(fā)平臺，將動態(tài)再結晶模型和本構方程通過FORTRAN程序語言編程開展AZ91D鎂合金軋制過程微觀組織模擬，研究了軋制參數對AZ91D鎂合金板材軋制過程中變形區(qū)內的動態(tài)再結晶體積分數的影響規(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]，構建的本構方程較適合基本應力狀態(tài)為壓縮應力狀態(tài)的工藝過程分析，軋制過程大部分塑性變形區(qū)域為三向壓應力狀態(tài)并和鐓粗過程相近，可采用熱壓縮行為下構建的本構方程。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熱源：

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

(11)

式中：σˉσˉ為材料瞬時流動應力，Pa；εˉ˙εˉ˙為瞬時應變速率，s-1；ηη為變形能轉化系數(0.85~0.95)；ττ為摩擦剪應力，Pa；ΔvΔv為接觸面上相對滑動速度，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。計算用熱輻射率為0.07，自然對流換熱系數為11W/(m2?K)[29]。軋輥與軋件之間傳熱機制復雜，接觸換熱系數受溫度、表面粗糙度、軋制壓力、材料屬性等眾多因素影響，在實際生產中，其值主要隨軋制壓力的增大而增大，熱阻換熱系數HTC(W/(m2?K))與軋輥壓力pm(MPa)的關系[30]為：

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

(12)

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

軋制過程工藝參數設定的應變速率、變形溫度在熱模擬實驗參數范圍內，壓下率選取主要依據鎂合金變形能力并根據現場實驗情況提升壓下率，以確保相近條件下數值模擬迭代收斂。單道次軋制過程組織數值模擬中，輥面溫度分別設定為200、250、300、350℃，軋件溫度設定為20℃，壓下率設定為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%，輥面溫度分別設定為250、300和350℃，第一道次軋前將軋件溫度值設定為與輥面相同溫度。熱輥軋制過程組織模擬和工藝實驗驗證用鑄軋AZ91D鎂合金板材初始厚度約為8mm。軋制實驗中，利用線切割機將板材切割成100mm×60mm軋制試樣，軋制速度設定為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單道次軋制數值模擬

不同輥面溫度下帶材動態(tài)再結晶體積分數變化如圖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，位錯遷移困難，導致板材臨界應變升高，未發(fā)生明顯動態(tài)再結晶。當輥面溫度升高至250℃時，組織發(fā)生動態(tài)再結晶，動態(tài)再結晶最大體積分數約為60.4%。隨著輥面溫度繼續(xù)升高，動態(tài)再結晶體積分數增加，但增加趨勢減弱，受制于應變積累，即使輥面溫度為350℃時，動態(tài)再結晶仍不充分，最大動態(tài)再結晶體積分數約為81.8%。沿軋制方向上，從入口端到出口端，等效應變逐漸增加，熱量傳遞也使帶材溫度逐漸升高，故動態(tài)再結晶體積分數逐漸增大。厚度方向上，后滑區(qū)帶材表面動態(tài)再結晶體積分數略高于心部，而前滑區(qū)相反。

圖6不同輥面溫度下帶材動態(tài)再結晶體積分數

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

不同軋制速度下帶材動態(tài)再結晶體積分數變化如圖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，動態(tài)再結晶體積分數略有增加，最大動態(tài)再結晶體積分數變化范圍為81.8%~85.3%。軋制速度增加對動態(tài)再結晶體積分數大小影響較弱，原因包括兩個方面：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，應變速率增加，熱效應有所增加，且材料內部位錯增殖越嚴重，動態(tài)再結晶驅動力增大，形核位置增多。應變和溫度升高容易發(fā)生再結晶形核，使得動態(tài)再結晶體積分數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致厚度方向上的動態(tài)再結晶體積分數分布更為不均。

圖7不同軋制速度下帶材動態(tài)再結晶體積分數

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態(tài)再結晶體積分數變化如圖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態(tài)再結晶體積分數增加，且變形區(qū)內發(fā)生動態(tài)再結晶比率顯著增加。當壓下率為10%時，動態(tài)再結晶體積分數僅為16%；當壓下率增加到40%時，動態(tài)再結晶體積分數升高至83.4%。沿軋制方向從入口端到出口端動態(tài)再結晶體積分數逐漸增加，沿厚度方向上，后滑區(qū)表面動態(tài)再結晶體積分數高于心部，而在前滑區(qū)正好相反。

圖8不同壓下率下帶材動態(tài)再結晶體積分數

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

不同原始厚度下帶材動態(tài)再結晶體積分數變化如圖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，熱量傳遞不能及時傳遞到心部，因而動態(tài)再結晶體積分數略有減少，且厚度方向的動態(tài)再結晶體積分數分布更為不均勻。當厚度達到8mm以上時，在后滑區(qū)動態(tài)再結晶體積分數最大點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)域熱量能瞬時傳遞過來，且累積等效應變值也相對較大，因而更容易發(fā)生動態(tài)再結晶。在前滑區(qū)由于隨著軋制過程進行，等效應變梯度減弱，熱量有一定的傳遞，但心部變形量更大，故動態(tài)再結晶體積分數分布趨于均勻，但在出口端表面的動態(tài)再結晶體積分數仍小于中心部位。

圖9不同初始厚度下帶材動態(tài)再結晶體積分數

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控軋制工藝參數，動態(tài)再結晶最大體積分數基本維持在80%~85%之間，動態(tài)再結晶并不充分，導致組織細化效率有限。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小晶粒尺寸帶材具有重要意義。

2.2多道次軋制數值模擬

不同輥面溫度和軋制道次下帶材動態(tài)再結晶體積分數變化規(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，越有利于動態(tài)再結晶發(fā)生。當輥面溫度為250℃時，不同軋制道次后帶材動態(tài)再結晶體積分數分布規(guī)律相近，第三和第五道次軋后，帶材出口端動態(tài)再結晶體積分數分別約為56.9%和83.2%，道次和應變積累增加有利于動態(tài)再結晶產生(見圖10(a)和(b))；輥面溫度升高至300℃時，動態(tài)再結晶體積分數約為84.9%，進一步軋制五道次后帶材動態(tài)再結晶基本完成，體積分數為1(見圖10(c)和(d))；當輥面溫度繼續(xù)升高至350℃時，軋制三道次后帶材動態(tài)再結晶體積分數已經基本完成，不考慮再結晶晶粒長大條件下，繼續(xù)增加軋制道次至五道次后，帶材動態(tài)再結晶體積分數為1，再結晶充分完成(見圖10(e)和(f))，而實際中繼續(xù)增加道次和升溫會使再結晶晶粒長大。

圖10不同輥面溫度下軋制第三和第五道次后帶材的動態(tài)再結晶體積分數

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值模擬結果比較，如圖11所示。輥面溫度為250℃時，軋后帶材組織出現了一定比例的細小再結晶晶粒(見圖11(a))，組織主要由孿晶組織、細小的再結晶晶粒以及被拉長、破碎的粗大晶粒組成。這是因為：一方面，溫度和應變達到了一定程度，導致帶材組織產生動態(tài)再結晶的激活能；另一方面，孿晶的產生造成的晶格畸變引起局部應力分布及變形不均勻，為再結晶晶粒的形核提供了有利的條件，新晶粒在再結晶晶粒邊界周圍長大，又會導致晶粒進一步細化[31]。當輥面溫度為300℃時，帶材組織發(fā)生了較為充分的動態(tài)再結晶，晶粒細化明顯，孿晶基本消失(見圖11(b))。軋輥溫度繼續(xù)升高至350℃時，軋后帶材組織大部分晶粒通過動態(tài)再結晶進一步細化，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℃時的相近，細化效果不明顯(見圖11(c))。由金相組織晶粒的統(tǒng)計分析和結果對比可知，數值模擬預測的動態(tài)再結晶體積分數與實測結果基本吻合。雖然由于取樣區(qū)域不同和初始晶粒大小設定導致實測體積分數略高于模擬結果，但模擬結果還是較好地反映了實際軋制過程的動態(tài)再結晶演變規(guī)律，所構建的熱塑性本構方程和動態(tài)再結晶模型是可靠的(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態(tài)再結晶預測結果和實測值的比較

Fig.11MicrostructuresofAZ91Dalloystripsafterthreepassesrollingatdifferentrollsurfacetemperatures((a)-(