《镁合金薄壁管材特殊挤压成形技术》以材料学、塑性力学等为理论基础，开展镁合金管材挤压剪切技术的基础研究，构建成形参数-织构-成形质量（组织、强韧性等）之间的关联关系，揭示管材挤压剪切成形*佳的模具参数范围，期望找到一种提高镁管性能的新工艺，弥补现有正挤压成形镁管的不足，促进管材加工过程的成形质量和成本的完美结合，形成一系列具有国际先进水平的镁管挤压剪切成形理论与技术体系及具有自主知识产权的研究成果，因而《镁合金薄壁管材特殊挤压成形技术》具有重要的科学意义和工程应用前景。《镁合金薄壁管材特殊挤压成形技术》对高性能镁合金的薄壁管材挤压-剪切、挤压-剪切-扩径成形、挤压-剪切-弯*成形等工艺的原理、理论、应用进行了详细阐述。

第1章 绪论
　　1.1 概述
　　汽车及其他工业的飞速发展，对高性能镁合金材料提出了重大需求，因此，有必要对镁合金制备及成形加工的科学问题进行深入研究，探索提高镁合金强韧性的新途径，为推动镁合金产业的快速发展提供技术支撑，满足国民经济和国防**发展的需求。但目前镁合金缺乏有效的强化途径，导致镁合金强度偏低及高温性能差，这限制了镁合金在汽车、飞机等关键结构部件和耐热零部件方面的应用。强化镁合金材料可以通过多元合金化、晶界和析出第二相的设计与控制、新型塑性变形细化晶粒等多种手段。
　　镁合金被誉为绿色工程材料且应用广泛，左铁镛院士在全国镁行业大会上指出，大部分镁合金产品处于低端水平，且存在强度低、塑性差、防腐蚀性差等缺陷，严重地影响了镁合金的发展。师昌绪院士等认为政府有关部门应该对镁合金工业的开发予以特殊考量，因为开发镁合金工业是立足长远、展望未来的战略性事业。柯伟院士等认为普通塑性变形得到的镁合金具有很强的基面织构，导致力学性能各向异性，且强度、低温下成形率低，对镁合金材料加工性能及后续服役危害极大。潘复生教授指出当前发展高性能镁合金材料缺乏生产大尺寸、超薄和复杂镁合金零部件的先进低成本加工成套技术。镁工业将推进镁结构向高附加值深加工产品转变，满足轨道列车、高铁、汽车等交通运输所用到的大型、多孔、异型、空心型材及支承件、仪表板骨架、座椅、保险杠、散热器支架、发动机支架等产品；重点满足航空航天、国防**所用到的镁合金薄壁中空型材高强高韧、高温、耐腐蚀、耐疲劳、高精度、高电磁屏蔽性能；在医学中超细镁合金壁厚0.1～5mm薄壁管材也得到广泛的应用。
　　1.2 镁合金成形的研究*新进展
　　国内外学者普遍认为，通过合金化、热变形以及动态再结晶等手段对镁合金的晶界和织构进行有效调控，能够显著提升其力学性能。镁合金塑性变形主要体现在晶界的特征、晶面滑移和孪晶，因此，提高材料的塑性可以通过促进滑移面的滑移、孪晶的发生及晶粒的转动，提高晶界强度、调控晶粒取向及分布。采用大塑性变形技术细化晶粒、调控织构是各国学者广泛研究的热点，研究方向有等通道挤压、连续挤压、变通道挤压、往复等通道挤压、双向挤压、多向锻、反复镦粗、双向连续挤压、非对称挤压、膨胀等通道挤压、连续变截面正挤压、轮毂新型挤压、纯剪切挤压、等径角轧制、异步叠轧 、挤压轧制、异步轧制、连续半固态轧制、循环闭式模锻和压缩、扭转成形等成形方法。正挤压-等径角挤压（EX-ECAE）工艺是指合金在等径角挤压前需要先进行普通挤压，Matsubara等、Miyahara等采用EX-ECAE工艺挤压镁合金，发现大大细化了晶粒；Orlov等将正挤压和等通道挤压整合在一起的新工艺，细化了晶粒、改善了力学性能；廖启宇等采用电磁铸造、挤压变形、热处理等加工工艺制备出镁合金装甲靶材；符韵等利用凹模模锻加工出外观优美、强度标准的轻量镁合金机匣；陈帅峰等通过等通道弯*变形，实现应变均匀、组织及织构明显改善；韩飞等采用往复挤压道次形变，得出一定范围内挤压比（G）增大和往复挤压道次增加有助于组织的细化；蒋伟采用轧制-剪切-弯*变形，压下量增大，模具转角处累积应变大，镁合金发生剧烈的塑性变形；康志新等利用多向锻造（multi-axial forging，MAF）成形工艺，显著改善力学性能；郭强等采用多向锻造成形，晶粒组织明显得到细化；周涛等对轧制变形程度进行分析，得到轧制程度晶粒细化显著增加，力学性能明显改善；吴健旗等分析普通热轧、累积叠轧（accumulative roll bonding，ARB）及大变形热轧工艺，得出变形热轧、累积叠轧具有更高的力学性能；谭劲峰等利用热轧工艺解决铸锭冷隔、热裂及热轧开裂的难题并成功轧出板材；刘天模等对双向双通道变通径成形工艺进行研究，发现镁合金拉压不对称性，晶粒得到细化，综合性能提高；任国成等认为等通道挤压（equal channel angular pressing，ECAP）可以改善镁合金的微观组织；卢立伟等认为正挤压-扭转剪切变形可以显著细化镁合金晶粒、弱化基面织构；张晓旭等对等通道角轧制工艺制备镁合金板材进行研究，得出晶粒细化，综合力学性能提高的结论；徐志超等采用异步轧制提高材料强度，促进小亚晶的生成，细化晶粒，提高性能。
　　镁合金激冷铸造和压力铸造可细化镁合金零部件的表面组织，但心部晶粒粗大并存在大量孔洞类缺陷，镁材综合性能差。热塑性变形可消除这些缺陷，但易形成纤维组织和强烈的基面织构，且延展性低、塑性差、成形困难、成材率低，对镁材后续加工性能及服役性能危害较大。镁合金塑性变形工艺包含铸锭制备、铸锭处理、坯料加热、热塑性变形等多个阶段。左铁镛院士等认为材料的制备、生产是一个不断消耗资源和破坏人类赖以生存环境的过程，并影响到经济社会的可持续发展。因此研发可调控镁合金微观组织和性能的成形技术是提高镁合金综合性能亟需解决的重要科技问题。根据Hall-Petch理论，晶粒细化可以同时提高镁合金的强度和塑性，学者普遍认为晶粒细化和织构优化是提高镁合金综合性能的*有效途径，主要包括以下几方面：合金化、外加场和模具激冷作用、热变形及动态再结晶。而*立的一种工艺已经难以满足现在对镁合金生产的需求，多种复合工艺和联合工艺不断发展，促进了镁合金各项性能的优化以及生产效率的提升。
　　镁合金成形方法可分为变形和铸造，目前以铸造成形为主，包括砂型铸造、消失模铸造、压铸、半固态铸造等方法，还包括近年来发展的真空压铸和充氧压铸。铸造镁合金的晶粒细化主要是着眼于镁合金合金化、变质处理、外加场和激冷作用等。变质细化机制包括以下几点：金属液中不溶性或难溶性质点的非均质形核作用；溶质的偏析和吸附作用；成分过冷增加形核率。其中变质剂*为重要，含碳变质剂会反应生成大量弥散的化合物质点，在镁液中以固态质点存在，当化合物与α-Mg两者晶格常数相近时，便可成为晶核，促进结晶以达到细化晶粒的效果。王欣欣等研究了加入变质剂C2Cl6对α-Ｍg合金组织与性能的影响，研究结果表明：少量的C2Cl6对α-Ｍg具有显著的细化作用；随着加入量的增多，细化效果也愈加显著，同时β相变得弥散细小。稀土对镁合金具有很好的固溶强化效应，和α-Mg形成固溶体，偏析导致固液界面前沿液体的平衡温度降低，界面的过冷度减小，使晶体的生长受到抑制，从而增强晶核的增殖，细化晶粒。袁森等认为稀土元素Ce具有细化AZ91镁合金铸态晶粒的作用，且Ce的含量为1.2%时，细化效果*明显。
　　外加场作用是通过外加的脉冲磁场、脉冲电流、超声波或者机械振动和搅拌等方式，对镁合金熔体加以强烈的外力，使枝晶破碎，促进形核以达到细化晶粒的效果。石文静等发现电磁搅拌可以提高合金的力学性能，当电磁搅拌的频率为6Hz，电流强度为150A时，抗拉强度可达到175MPa，伸长率为13.75%。主要机制为电磁搅拌作用下，β-Mg17Al12相逐渐被打碎并细化；杨院生等提出的低压脉冲磁场细化镁合金晶粒的技术，可导致模壁的形核率增加，促使枝晶的二次臂折断。超声波在传播时具有的声空化、声压和机械等效应产生的搅拌可以使枝晶破碎，提高熔体形核率，减少宏观和微观偏析；超声波还可以使温度场均匀，促进结晶潜热的散发，增加过冷度，达到细化晶粒的效果。Shao等以及余琨和张志强等采用不同强度超声对镁合金熔体进行处理以改善合金的凝固组织。付浩等研究了超声处理对AZ91D-3Ca镁合金凝固组织的影响，发现通过控制超声熔体处理参数与凝固条件，可以细化AZ91D-3Ca阻燃合金的凝固组织。赵宇昕等通过对AZ31镁合金进行超声处理，可有效促进合金晶粒细化，获得均匀晶粒组织，抑制连续的Mg17Al12相的析出。Guan等用振动的倾斜板浇注及半固态铸轧，可显著提高形核率，形成球状的初生晶粒。高压和激冷作用是通过对熔体施加高压或激冷作用，促进晶粒的细化，林小娉等研究了4GPa高压作用下AZ91D合金的凝固组织，发现在高压作用下，不仅α-Mg基体得到显著细化，而且常压下分布于枝晶间“骨骼状”连续分布的β-Mg17Al12相变为纳米级颗粒状弥散分布在晶界上，使合金的硬度得到显著提高；激冷作用就是利用不同厚度的冷铁对合金铸件进行激冷，或者采用金属模铸造，实现对熔体金属材料快速冷却，增大过冷度，促进形核，以达到细化晶粒的效果。Xu等采用金属模铸造和激冷铸造生产Mg-3.6Al-3.4Ca-0.3Mn（数字代表质量分数），发现激冷铸造形成的胞状晶明显较细。Wang等研究了金属模铸造和砂型铸造对镁合金组织的影响，发现前者晶粒远比后者细。
　　1.3 变形镁合金晶粒细化技术
　　传统铸造和压铸工艺批量化生产镁合金时，由于存在铸造过程中常见的缺陷，如气孔、偏析、晶粒粗大等，使镁合金的性能受到极大限制，无法满足工业化的要求，而通过变形加工，如轧制、挤压等方法，既可以减少铸造镁合金的部分缺陷，也可以增强镁合金一定的综合性能。变形镁合金主要采用热塑性变形来细化晶粒，并对变形织构进行优化，如轮毂新型挤压、挤压轧制、反复镦粗、等通道挤压、热轧、连续挤压、异步轧制、纯剪切挤压、双向连续挤压等成形方法。而大量实验表明，大塑性变形是细化镁合金晶粒的更加有效的方法，如等通道挤压、剧烈热轧、累积叠轧、高压扭转（high pressure torsion，HPT）等。采用累积叠轧对板材表面进行脱脂及加工硬化等处理后，尺寸相等的两块及两块以上金属板在一定温度下进行叠轧结合，反复轧制，产生大累积应变，使内部晶粒在高强度应变下破碎，得到均匀细小的组织，同时材料性能也发生突变，有利于提高板材强度及延伸率。张兵等研究发现累积叠轧焊（ARB）技术可有效细化镁合金晶粒，经过ARB四道次后，平均晶粒尺寸由17.8μm减小到近1.2μm，且强度和硬度都有所增加，组织均匀性也得到提高；研究学者为解释晶粒细化机制的转变对板材微观组织的影响，对ARB后的AZ31镁合金板材进行了深入研究。据Trojanova等报道，经400℃下两道次ARB后，晶粒发生持续旋转动态再结晶（DRX），晶粒细化。
　　等通道挤压通过大塑性变形且挤压前后材料的截面面积和形状不发生改变，使晶粒细化到微米、亚微米及纳米尺度，显著提高了镁合金的综合性。ECAP在制备高强度轻合金的应用方面受到越来越多研究人员的关注，火照燕等研究发现ECAP变形可以大幅度提高LA14镁锂合金的强度，且随着ECAP挤压道次的增加，其强韧性和塑性变形能力增加。通过对AZM63-1Si镁合金进行等通道挤压处理后的微观组织和力学性能研究后，杨宝成等发现AZM63-1Si镁合金ECAP后，α-Mg基体和片层状MgZn相得到有效细化，随着道次的增加，汉字状Mg2Si逐渐破碎成颗粒状，并逐步均匀地分布到细化后的α-Mg基体中，而合金的力学性能也显著提高。杨杰等采用160°大角度等通道挤压对AZ61进行处理，发现一定条件下可以获得平均尺寸为1μm的晶粒组织，且细化机理以动态再结晶为主。该工艺需要进行多道次的挤压才能得到超细晶组织，因此需要多次挤压，使得挤压效率低下，成本增加，不利于工业化应用。通过等通道挤压可进一步提高材料的各方面性能，提高加工效率，但需要对不同的材料采用不同的工艺条件进行深入研究，同时也需要对等通道挤压的模具与挤压方式进行进一步的研究优化。
　　往复挤压（cyclic extrusion and compression，CEC）是集挤压和镦粗为一体的剧烈塑性变形工艺，是能有效地细化晶粒的方法，克服了传统轧制和挤压后的材料裂纹和各向异性等缺点，使材料内部组织和晶粒均匀化，现在十分有望实现商业化应用。夏显明等研究发现ZK60镁合金在往复挤压过程中合金晶粒得到很好的细化，随着道次的增加，晶粒等轴倾向明显，晶粒分布趋于均匀化。程正翠研究ZK30镁合金后发现，随着往复挤压次数增加，合金晶粒会慢慢细化，当ZK30往复挤压变形道次大于8次后，其力学性能变化不大。韩飞等发现铸态的ZK60镁合金在一定范围内增加挤压比和往复挤压的次数均有利于组织细化，而增

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 镁合金成形的研究*新进展 1
1.3 变形镁合金晶粒细化技术 4
1.4 镁合金挤压工艺 6
1.4.1 普通挤压工艺 6
1.4.2 等径角挤压工艺 7
1.4.3 往复挤压工艺 10
1.4.4 高压扭转工艺 10
1.5 传统镁合金管材成形技术 13
1.6 新型变形方法在镁合金管材中的应用 14
1.7 有限元法简介 21
1.7.1 DEFORM-3D有限元软件 21
1.7.2 元胞自动机 22
1.8 小结 23
第2章 镁合金管材挤压剪切成形过程实验及方法 24
2.1 镁合金管材挤压剪切成形过程数值模拟 24
2.1.1 数值模拟研究的目的 24
2.1.2 物理模型的建立 24
2.2 镁合金管材挤压剪切成形实验 25
2.2.1 实验目的 25
2.2.2 实验方法 25
2.3 金相实验 26
2.3.1 实验目的 26
2.3.2 实验步骤 26
2.3.3 腐蚀液的配制 26
2.4 晶粒尺寸测量 26
2.5 硬度试验 27
2.5.1 实验目的 27
2.5.2 实验原理及方法 27
2.6 电子背散射衍射实验 28
2.6.1 实验目的 28
2.6.2 实验步骤 28
2.7 小结 28
第3章 AZ31镁合金管材挤压剪切成形模具设计及数值模拟 30
3.1 管材成形方法分析及选择 30
3.2 模具的设计 30
3.2.1 挤压筒的设计 30
3.2.2 挤压杆的设计 32
3.2.3 挤压针的设计 33
3.3 挤压工艺 33
3.3.1 坯料尺寸的选择 33
3.3.2 挤压比的选择 34
3.4 DEFORM-3D数值分析 35
3.5 小结 36
第4章 基于整体模具的挤压剪切成形管材组织演化及数值模拟 37
4.1 有限元数值模拟 38
4.2 挤压力演变 38
4.2.1 镁合金管材挤压剪切成形过程挤压力变化特点 38
4.2.2 不同温度下镁合金管材挤压剪切成形载荷变化情况 40
4.2.3 不同速度下镁合金管材挤压剪切成形过程载荷变化情况 41
4.2.4 摩擦因子对成形结果的影响 42
4.3 不同温度对等效应力的影响 43
4.4 镁合金管材挤压剪切成形过程速度场变化 43
4.4.1 镁合金管材挤压剪切成形过程不同区域管坯的流动速度 43
4.4.2 不同摩擦因子对管坯流动速度的影响 45
4.4.3 不同挤压温度对管坯流动速度的影响 46
4.5 镁合金管材挤压剪切成形过程中的等效应变 46
4.6 破坏分析 48
4.7 普通挤压与挤压剪切成形实验及数值模拟 48
4.7.1 TES挤压与普通挤压的挤压力比较 49
4.7.2 镁合金管材挤压剪切成形与普通挤压管坯应力状态的比较 49
4.7.3 挤压剪切与普通挤压管材的微观组织 50
4.7.4 挤压剪切成形与普通挤压管材的硬度测试 53
4.7.5 TES挤压与普通挤压的EBSD分析 54
4.8 小结 58
第5章 基于组合模具的挤压剪切成形管材组织演化及数值模拟 59
5.1 CA微观模型 59
5.2 基于组合模具的管材挤压剪切实验及数值模拟 61
5.2.1 管材挤压剪切实验 62
5.2.2 组合模具数值模拟及分析 63
5.3 基于挤压剪切成形过程中的形核机制 67
5.4 挤压剪切过程动态再结晶机制 68
5.5 CA模拟分析 69
5.6 400℃微观组织演变及宏微观数值分析 74
5.7 小结 77
第6章 镁合金管材挤压-剪切-扩径成形工艺实验及检测实验 78
6.1 有限元模拟 78
6.1.1 有限元模型的建立 78
6.1.2 模拟方案及模拟参数的设定 79
6.2 TESE工艺成形实验 80
6.2.1 实验方案 80
6.2.2 实验材料 81
6.2.3 实验设备 81
6.3 力学性能测试 82
6.3.1 拉伸实验 82
6.3.2 硬度实验 82
6.3.3 拉伸断口观察 83
6.4 微观组织结构测试 83
6.4.1 金相组织观察 83
6.4.2 宏观织构测试 84
6.4.3 电子背散射衍射实验 84
6.5 小结 85
第7章 镁合金管材挤压-剪切-扩径成形过程 86
7.1 TESE成形过程研究 86
7.1.1 TESE成形过程中的网格变化 86
7.1.2 成形过程中的载荷变化 86
7.1.3 成形过程中的温度场分布 87
7.1.4 成形过程中的应变场分布 88
7.1.5 成形过程中的速度场分布 89
7.2 成形温度对TESE工艺的影响 90
7.2.1 温度对成形载荷的影响 90
7.2.2 温度对等效应力的影响 91
7.3 成形速度对TESE工艺的影响 92
7.3.1 速度对成形载荷的影响 92
7.3.2 速度对温度场分布的影响 92
7.4 扩径比对TESE工艺的影响 94
7.4.1 不同扩径比下的金属流动 94
7.4.2 不同扩径比下的损伤值分布 95
7.5 剪切角对TESE工艺的影响 95
7.6 摩擦系数对TESE工艺的影响 96
7.7 小结 97
第8章 挤压-剪切-扩径成形镁合金薄壁管的显微结构与力学性能 98
8.1 不同工艺下成形管材的微观组织及力学性能分析 98
8.1.1 显微组织 98
8.1.2 拉伸性能 99
8.1.3 拉伸断口特征 100
8.1.4 显微硬度 101
8.1.5 宏观织构 101
8.1.6 再结晶分布情况 102
8.1.7 Schmid因子分布 103
8.1.8 微区晶粒取向 104
8.2 TESE工艺成形过程中的微观组织演变分析 105
8.2.1 显微组织演变 105
8.2.2 硬度分布 106
8.2.3 微区晶粒取向演变 107
8.2.4 再结晶分布 109
8.2.5 Schmid因子变化 110
8.2.6 孪晶分布 110
8.3 小结 112
第9章 工艺参数对挤压-剪切-扩径成形的影响 113
9.1 剪切角对TESE工艺成形性的影响 113
9.1.1 不同剪切角下成形管材的微观组织 113
9.1.2 不同剪切角下的拉伸性能 114
9.1.3 不同剪切角下的硬度分布 114
9.1.4 不同剪切角下的拉伸断口 115
9.1.5 不同剪切角下的极图分析 116
9.1.6 不同剪切角下的Schmid因子变化 117
9.2 温度对TESE工艺成形性的影响 118
9.2.1 不同温度下成形管材微区取向演变 118
9.2.2 不同温度下成形管材Schmid因子变化 120
9.2.3 不同温度下成形管材再结晶分布 121
9.2.4 不同温度下成形管材硬度分布 122
9.3 小结 123
第10章 镁合金管材挤压-剪切-弯*成形实验 124
10.1 数值模拟 125
10.1.1 实验目的 125
10.1.2 材料模型 125
10.2 TESB工艺挤压实验 126
10.2.1 实验目的 126
10.2.2 实验方法 126
10.3 金相实验 128
10.3.1 实验目的 128
10.3.2 实验步骤 128
10.4 EBSD实验 129
10.5 小结 130
第11章 镁合金薄壁管材挤压-剪切-弯*成形工艺及模具设计 131
11.1 管材TESB成形工艺 131
11.1.1 TESB成形工艺介绍 131
11.1.2 CVCES挤压镁合金成形工艺介绍 133
11.2 模具设计 134
11.2.1 凹模的设计 134
11.2.2 挤压杆的设计 135
11.2.3 挤压针的设计 136
11.3 管材挤压工艺流程 137
11.4 坯料尺寸的选择 137
11.5 挤压比的选择 138
11.6 小结 138
第12章 管材挤压-连续剪切弯*成形过程数值模拟及组织演变 140
12.1 有限元模型的建立 140
12.2 TESB挤压工艺有限元模拟结果分析 141
12.2.1 TESB变形过程中的温度场变化 141
12.2.2 TESB变形过程中温度对载荷的影响 142
12.2.3 温度对等效应力的影响 143
12.2.4 挤压速度对温度场的影响 144
12.2.5 摩擦因子对温度场的影响 146
12.2.6 摩擦因子对等效应力的影响 146
12.2.7 TESB挤压变形过程等效应变分布 147
12.3 微观组织演变 148
12.4 EBSD分析 150
12.4.1 极图 150
12.4.2 Schmid因子 151
12.4.3 孪晶分布 152
12.4.4 再结晶现象 153
12.5 显微硬度测试 155
12.6 小结 156
第13章 镁合金管材连续挤压-变通道剪切过程数值模拟及组织演变 157
13.1 有限元模型的建立 157
13.2 CVCES挤压工艺有限元模拟结果分析 158
13.2.1 等效应力分布特点 158
13.2.2 CVCES变形过程中温度对载荷的影响 159
13.2.3 CVCES挤压变形过程等效应变分布 159
13.3 微观组织演变 160
13.4 EBSD分析 161
13.4.1 极图 162
13.4.2 Schmid因子 162
13.4.3 孪晶分布 162
13.4.4 再结晶现象 164
13.5 显微硬度测试 167
13.6 小结 167
参考文献 169