一种镁合金热加工工艺优化新方法与流程

本发明属于镁合金加工领域，特别涉及一种镁合金热加工工艺优化新方法。

背景技术：

随着能源短缺和环境污染问题愈发严重，发展轻量化材料已成为节约型社会可持续发展迫切需要解决的问题。镁合金作为最轻的结构材料，具有高比强度、高比刚度、导热导电性能优良、高阻尼减振和电磁屏蔽等优点，已成为国防军事、航空航天、汽车和电子通信等工业领域的重要材料。

镁因其密排六方结构，塑性成形能力差。目前应用较多的镁合金产品主要以铸件为主，压铸产品用量约占镁合金销量的80％。通过铸造方式生产的镁合金产品缺陷多、力学性能较低、可靠性差，大大限制了镁合金的应用范围。而通过塑性加工得到的变形产品具有很多优点，可以提供尺寸多样的板材、棒材和型材产品，还可以通过材料组织结构控制和热处理工艺改进等方式，获得具有更高强度、更好延展性及力学性能更加多样化的结构件。镁合金室温塑性变形能力差，变形产品一般采用热加工。热加工工艺参数控制不好易产生氧化、裂纹甚至断裂等损伤缺陷，导致工件直接报废。

塑性加工图是从钢铁材料发展而来，用于评价材料加工性优劣和优化热加工工艺参数，避免材料产生加工缺陷。目前，已有很多学者将塑性加工图用于镁合金热加工工艺研究，成为评价镁合金热加工性和优化热加工工艺的主要方法。与钢铁材料不同，由于镁的层错能低，扩展位错较宽，在热变形过程中更容易发生动态再结晶。动态再结晶作为镁合金热变形过程中一种重要的软化和晶粒细化机制，对控制材料变形组织、改善其塑性加工成形能力及提高其综合力学性能具有十分重要的作用。而现有的热加工工艺优化方法，无法实现精确预测、控制并利用镁合金热变形过程中的动态再结晶行为。掌握材料的动态再结晶行为，则可根据其演变规律制定变形参数，不但可以利用动态再结晶改善材料的塑性成形能力，降低能耗，还可得到组织细小、性能优良的变形镁合金产品。

论文《第二相对mg-zn-zr-y镁合金动态再结晶演变及其热加工性的影响》采用dmm(动态材料模型)塑性加工图对镁合金的加工工艺进行优化分析，并依据动态再结晶动力学模型计算出的“s”曲线图输出结果，大致估计出能够发生完全动态再结晶的区域。该方法考虑到动态再结晶在镁合金热变形过程中的重要作用，但不能对任意变形条件下的动态再结晶体积分数变化规律进行精确输出，无法精确显示发生完全动态再结晶的热变形工艺参数范围。因此，该方法并不能实现依据热变形过程中的动态再结晶行为，以达到精确控制利用动态再结晶规律改善镁合金塑性成形能力、提高其综合力学性能的目的。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明提供一种镁合金热加工工艺优化新方法，该方法既采用dmm塑性加工图避免材料在热加工过程中产生加工缺陷，又结合动态再结晶预测模型的等高线图输出信息，精确控制镁合金材料在热变形过程中的动态再结晶行为，使其在较低的变形温度和较高的变形速率下发生完全动态再结晶，进一步改善变形镁合金材料的塑性成形能力，获得组织均匀细小、综合力学性能优良的变形镁合金产品。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种镁合金热加工工艺优化新方法，包括：

1)将镁合金试样进行热模拟正交实验，获得热模拟实验数据；

2)根据热模拟实验数据绘制相应的真应力应变曲线，通过动态再结晶动力学模型表达式获得动态再结晶模型的计算结果，采用插值和矩阵化的方法，做出动态再结晶等高线图；

3)根据热模拟实验数据，通过插值和矩阵化的方法做出dmm塑性加工图；

4)将动态再结晶等高线图和dmm塑性加工图进行叠加，设置判据，得到包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图；

5)根据所述包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图对镁合金进行加工，即得。

现有结合显微组织演变照片、动态再结晶演变规律和dmm塑性加工图估算镁合金发生完全再结晶区域的方法，获得的区域范围较大，且受限于动态再结晶“s”曲线图中试验点的数量，无法对镁合金加工区域在任意变形条件下的完全再结晶区域进行精确判断，使后续镁合金工艺优化的精度低、工作量大。为了克服这一问题，本发明对现有的镁合金动态再结晶模型与dmm塑性加工图在不同变形条件下失稳变形区域的对应关系进行了系统分析和研究，经大量实验摸索后发现：将镁合金的动态再结晶体积分数以等高线图的方式输出，再与dmm塑性加工图进行数学叠加并加入判据，获得的包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图能够更精确地反映出镁合金加工区域在不同变形条件下的完全再结晶区域，有效提高了后续镁合金工艺优化的效率和精度。

优选的，所述的镁合金试样为mg-zn-zr系镁合金。

更优选的，所述的镁合金试样为mg-2.0zn-0.3zr-5.8y变形镁合金。mg-2.0zn-0.3zr-5.8y变形镁合金具有较优的综合力学性能和热加工性能，与包含有动态再结晶信息的dmm塑性加工图的匹配效果好，加工工艺优化效率高。

为了与通用的热模拟试验机相匹配，本发明优选的镁合金试样的尺寸为φ10×12mm。

优选的，所述热模拟实验中，变形温度为300～500℃，应变速率为0.001～1s^-1。为了提高镁合金工艺优化效果，尽量在有限的试验次数中选择最具代表性的点，本发明通过大量实验摸索后发现：就本发明的方法而言，采用变形温度为300～500℃，应变速率为0.001～1s^-1时，可获得需要的全部数据，同时，建立的动态再结晶模型准确、可靠。

优选的，所述动态再结晶动力学模型为

式中，xdrx是发生动态再结晶的晶粒所占的体积分数；ε是材料在不同应变条件下的应变，εc是发生动态再结晶的临界应变，ε^*是最大软化速率对应的应变，k和n与材料本身有关，在不同变形条件下为常数。

更优选的，所述mg-2.0zn-0.3zr-5.8y合金在不同变形条件下动态再结晶动力学模型的表达式：

式中，xdrx是发生动态再结晶的晶粒所占的体积分数；ε是材料在不同应变条件下的应变，εc是发生动态再结晶的临界应变，ε^*是最大软化速率对应的应变。

优选的，所述的dmm塑性加工图由通过热模拟实验数据获得的功率耗散图和失稳图叠加在一起而得。

优选的，所述热模拟实验的步骤为：将试样以速率为10℃/s升温，达到预设温度后保温3min后按实验方案设定的应变速率开始热压缩实验，当变形量达到60％后停止压缩，迅速对试样进行淬火。通过上述的热模拟实验可以充分分析出镁合金加工区域在不同变形条件下的动态再结晶演变规律和热加工性能，满足包含有动态再结晶信息的dmm塑性加工图绘制要求。

本发明还提供了一种较优镁合金热加工工艺优化新方法，包括如下步骤：

1)从镁合金铸锭中取样，样品尺寸为φ10×12mm，在热模拟试验机上进行热压缩交叉实验，根据镁合金的热加工特点选取热加工工艺参数，包括变形温度、应变速率和变形量，变形温度一般选取范围为250～500℃，应变速率一般在0.001～1s^-1，应变量选取范围比较灵活，真应变一般在0.7～1之间。根据选取的热变形参数范围，设计交叉实验方案，如5个变形温度(300,350,400,450,500℃)，4个应变速率(0.001,0.01,0.1和1s^-1)，一个真应变为0.9。

2)根据热模拟实验得到的真应力应变曲线，通过动态再结晶动力学模型计算不同变形条件下的动态再结晶体积分数。动态再结晶动力学模型输出的图形一般为“s”曲线图。“s”曲线图只包含实验所测试试样在某一变形条件下的动态再结晶信息，而对于其他变形参数下的信息，并不直观。本发明提出采用等高线图的形式输出动态再结晶动力学模型的计算信息。通过动态再结晶模型的计算结果，采用插值和矩阵化的方法，做出动态再结晶等高线图，如图5所示。本发明提出的动态再结晶等高线图，可以精确显示一定变形量条件下能够发生完全动态再结晶的热变形参数范围。

3)根据热模拟实验数据做出dmm塑性加工图。

4)将动态再结晶等高线图和dmm塑性加工图进行叠加，得到包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图新的输出形式。该加工图既可以显示传统dmm塑性加工图的加工失稳区和安全区，又可以显示在热变形过程中发生完全动态再结晶的区域。在加工安全区和发生完全动态再结晶的共同区域选择热加工工艺参数，既可以保证材料不发生流变失稳，又可以保证在热变形过程中发生完全动态再结晶，得到组织细小均匀、综合力学性能优良的变形镁合金产品。

本发明还提供了任一上述方法获得的包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图。

本发明还提供了一种镁合金加工方法，包括：

按照任一上述的方法对镁合金试样进行分析，获得相应的包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图；

根据上述的包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图，选择变形温度低、应变速率高的热变形参数对镁合金材料进行加工，即得。

本发明的有益效果

(1)在本发明中，动态再结晶体积分数将通过等高线图进行计算输出，dmm塑性加工图也是等高线图形式输出，将本发明提出的动态再结晶等高线图和dmm塑性加工图进行数学叠加，则可以做出有精确动态再结晶体积分数信息的dmm塑性加工图，以等高线图形式表达。

(2)本发明包含有动态再结晶动态信息的dmm塑性加工图既可以显示传统dmm塑性加工图的加工失稳区和安全区，又可以精确显示在热变形过程中发生完全动态再结晶的区域。在加工安全区和发生完全动态再结晶的共同区域选择热加工工艺参数，既可以保证材料不发生流变失稳，又可以保证在热变形过程中发生完全动态再结晶，可以利用热变形过程中的动态再结晶软化机制改善镁合金材料的塑性变形能力，得到组织细小均匀、综合力学性能优良的变形镁合金产品。

(3)本发明制备方法简单、加工效率高、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1.不同变形条件下真应力-应变曲线

图2.θ和σ的关系图；

图3.和σ的关系图；

图4.不同变形条件下真应变与动态再结晶体积分数的“s”曲线图；

图5.真应变为0.7时不同变形条件下动态再结晶体积分数等高线图；

图6.真应变为0.7时的dmm塑性加工图；

图7.含动态再结晶体积分数信息的dmm塑性加工图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1

1、以半连铸铸造的mg-2.0zn-0.3zr-5.8y变形镁合金为例。从铸锭中取料，车加工成热模拟实验所用的圆柱试样，试样尺寸为φ10×12mm。通过gleeble3500热模拟试验机对实验合金进行热模拟正交实验。变形温度根据实验合金选取300～500℃，应变速率可选取0.001～1s^-1，进行5×4的正交实验。试样升温速率为10℃/s，达到预设温度后保温3min后按实验方案设定的应变速率开始热压缩实验。当变形量达到60％(换算成真应变为0.9163)后停止压缩，迅速对试样进行淬火。

2、根据热模拟实验得到的数据，计算得到mg-2.0zn-0.3zr-5.8y变形镁合金在不同变形条件下的真应力应变曲线，如图1所示。

3、根据已有的动态再结晶模型表达式为：

式中，xdrx是发生动态再结晶的晶粒所占的体积分数；εc是发生动态再结晶的临界应变。发生动态再结晶的临界条件定义为：图2是mg-2.0zn-0.3zr-5.8y合金在500℃和0.001s^-1变形条件下σ分别与θ以及的关系图。θ-σ曲线的拐点对应σc，即动态再结晶开始发生的应力值，σc所对应的真应变即发生动态再结晶的临界应变εc。图2中θ-σ曲线的拐点可以通过图3中曲线的最小值求得；ε^*是最大软化速率对应的应变。当(应变硬化速率)达到最小值的应变为ε^*值，对应曲线的谷底，如图2所示；k和n与材料本身有关，在不同变形条件下为常数。

用再结晶体积百分数描述动态再结晶率，有如下的表达形式：

σp值(峰值应力)定义为当θ＝0时的应力值；σss定义为动态再结晶发生后达到稳态阶段的应力值；应力值σsat定义为θ-σ曲线上以σc点做切线，切线与θ＝0的交点所对应的应力值为σsat。结合表达式1和2，表达式1也可以表达为：

把不同变形温度和不同应变速率条件下的σsat，σss，ε^*和εc值分别代入表达式3，可求得不同变形条件下的k和n值。对不同变形条件下求得的k和n值求平均值得到：k＝-1.8818，n＝2.2407。把k和n值代入表达式1，得到mg-2.0zn-0.3zr-5.8y合金在不同变形条件下动态再结晶动力学模型的表达式：

图4为根据表达式4得到的“s”曲线图，为动态再结晶模型的一般输出形式。该“s”曲线图只能显示热模拟正交试验的20个实验数据下的动态再结晶体积分数变化趋势。本发明提出新的动态再结晶体积分数表达形式，即动态再结晶体积分数等高线图。通过表达式4的计算结果，把不同变形条件下的动态再结晶体积分数进行矩阵化处理，做出动态再结晶体积分数的等高线图。以真应变0.7为例，根据表达式4计算出不同变形条件下的动态再结晶体积分数，绘制mg-2.0zn-0.3zr-5.8y合金动态再结晶体积分数等高线图，如图6所示。图中阴影区域为能够发生完全动态再结晶的区域。该动态再结晶模型已经过大量实验验证，能够保证计算精确度。

4、dmm加工图可以用来描述材料加工性的优劣，parasad和gegel等基于大塑性变形的连续介质力学、物理系统模拟和不可逆热力学等基本原理建立起来的dmm模型不仅可以确定加工区域的不同变形机制，预测失稳变形区域，还可以优化热加工工艺参数使加工材料获得优良的组织性能，且经过大量实验数据的验证，可以保证计算预测的精确度。材料发生塑性变形所耗散的能量，其中大部分转化为热能，小部分以晶体缺陷能的形式存储，耗散量用g表示；材料变形过程中显微组织演变所消耗的能量，称为耗散协量，用j表示。两部分的能量消耗可用如下数学式表达：

式中，g表示耗散量，j表示耗散协量。这两种能量所占的比例由材料在一定应力下的应变速率敏感系数m决定。应变速率敏感系数m是一个与变形温度和应变速率有关的参数，m可用下式表示：

材料能量的耗散可分为势能和动能两部分，势能和原子间的相对位置有关。显微组织的改变势必引起原子势能的改变，因而与耗散协量(j)对应；动能与原子的运动，即与位错的运动有关。动能的转化以热能形式耗散，因此与耗散量(g)对应。耗散协量(j)的积分可以用下式表达：

假设材料符合本构方程：

结合表达式7和表达式8，可得到：

当m值为常数时，表达式9才有效。通常，m值随着变形温度和应变速率的变化呈非线性变化。当m＝1时，材料处于理想线性耗散状态，耗散协量j达到最大值jmax，即：

由表达式9和表达式10，可得到一个无量纲的参数η，η即功率耗散效率因子，其物理意义为材料热变形过程中显微组织演变所耗散的能量同线性耗散能量的比例关系，可表达为：

功率耗散效率因子在不同变形温度和应变速率下的变化构成了功率耗散图。结合显微组织演变规律和金相照片，可以用功率耗散图来分析不同变形条件下的变形机理。

采用dmm准则作为塑性失稳的判断准则。parasad等提出材料的流变失稳准则，可以用失稳参数ξ表达为：

失稳参数ξ在不同变形条件下的变化构成了材料的失稳图，根据parasad失稳判据ξ<0可以描绘出失稳区域。通过热模拟实验数据，将功率耗散图和失稳图叠加在一起，得到了mg-2.0zn-0.3zr-5.8y合金在真应变为0.7时的dmm塑性加工图，如图6所示。等值线上的数字表示功率耗散系数，图中阴影区域为加工失稳区，在此范围的热变形条件下进行加工会产生流变失稳，因此要避免在此区域选择热加工参数。其他区域为热加工安全区，在此范围内进行热加工则可避免产生加工缺陷，但并不能保证材料发生完全动态再结晶。

因此，在本发明提出加入动态再结晶体积分数信息的dmm塑性加工图，将动态再结晶体积分数等高线图和dmm塑性加工图进行叠加，根据是否发生完全动态再结晶的判据xdrx<1，可以描绘出未发生完全动态再结晶区域以及已发生完全动态再结晶的区域，如图7所示。图中不仅显示出热变形过程中的流变失稳区，还在热加工安全区中精确地显示出能够发生完全动态再结晶的区域，如图7中右下角阴影区域。通过图7，可以在发生完全动态再结晶的区域内，尽可能的选择变形温度低、应变速率高的热变形参数，如变形温度为420℃，变形温度约为0.005s^-1。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。