摘要
宽幅镁合金板卷是交通工具轻量化的重要潜在基础结构材料，而扁锭铸造-轧制法是目前宽幅镁板卷能够大规模生产的高效工艺方法。镁合金的塑性变形协调能力差，并对变形和温度极其敏感，因此镁板轧制变形的稳定进行以及组织、性能与板形的优化调控均离不开轧辊与板坯的精准温度控制，特别是温度与变形的协调匹配，但目前缺乏针对镁板卷轧制过程中热行为及其与变形交互作用的系统研究。此外，轧制制备的镁板卷存在力学性能差且不稳定、各向异性严重、成材率低、板形尺寸精度差等瓶颈问题，极大地制约了其利用率和使役性能。本文以AZ31B镁合金板卷轧制工艺为主线，系统研究了板坯在空冷输送工序以及轧制工序的热行为及其与工艺参数的协调关系，同时提出了大压下轧制工艺改进方法，并初步探讨了轧后组织与力学性能的数学关系。 采用空冷实时测温实验，获得了AZ31B镁板在辊道输送空冷过程中的温度行程，反算了可用于镁板轧制过程温度行程感知的表观黑度，同时给出了表观黑度模型，并据此构建了镁板辊道输送空冷过程温控模型。随后，结合有限元模拟，反求了镁板空冷综合换热系数，该系数是有关板厚和平均板温的函数。依据换热系数函数，确定了镁板空冷过程的Biot数模型，并利用Biot数模型评价了不同板厚及板温条件下AZ31B板坯在辊道输送空冷过程中的厚向温度状态。最后，利用综合换热系数模拟了1500mm宽板坯空冷过程传热行为，研究了宽度改变对镁板空冷时间的影响，并验证了空冷温控模型对宽板坯辊道输送空冷过程的适用性。 采用热压缩实验以及轧制过程轧件温度跟踪与轧制力检测实验，系统研究了AZ31B镁合金的热变形行为及其在冷辊热轧过程中的传热行为和摩擦行为。热模拟实验结果表明，AZ31B镁合金的流变应力随变形温度的升高呈以e为底的指数函数规律降低，而随应变速率的增大呈幂函数规律增大。通过引入温度结构式，并将应变变量植入到应变速率及温度相关敏感系数之中，对经典Fields-Backofen模型做了优化和重构，同时验证了重构模型的准确性和适用性。此外，基于工程传热学基本方程和轧制实验测温数据，构建了轧制变形区表面温降以及中心温升的计算半经验模型，并提出了近等温轧制状态评定判据，该判据能准确评定实验条件下近等温轧制工艺的参数匹配关系。以AZ31B本构方程为基础，建立了轧制热力耦合有限元分析模型，通过对比接触面宽展、轧制力以及厚向温度分布的模拟结果与实验结果，反求了镁板轧制界面摩擦系数。根据轧制理论，利用轧制力和板坯测温数据反算了界面摩擦影响系数，并确定了AZ31B镁板轧制力预报模型。研究表明，AZ31B镁板轧制力具有高温度敏感性，根据轧制力监测数据，利用轧制力模型来感知轧制变形区平均板温的变化具有很强的可行性。 采用不同方式大压下轧制工艺实验，考察了预变形（预轧制和预侧压）对AZ31B轧制板坯微观组织及力学性能的影响，并探讨了预变形对轧制板坯边裂缺陷的改善作用及机理。研究表明，预轧制+预侧压的组合方式不仅能同时改善大压下轧制板坯横向和厚向的变形及组织均匀性，还能通过促进变形过程中的再结晶形核，显著细化晶粒，进而促使<c+a>锥面等非基面滑移系开动，有效激励连续动态再结晶的发生，从而明显改善轧制板坯的基面织构和轧制成形性。 采用单向及交叉轧制实验，初步探讨了AZ31B轧制板坯微观组织与拉伸性能的构效关系。首先，根据现有的拉伸性能与显微硬度关系模型，提出了AZ31B镁合金相关修正模型;其次，通过消除显微硬度中间变量，建立了抗拉强度与屈服强度间的数学关系量化模型，并进一步联立Hall-Petch经典方程，建立了抗拉强度与晶粒尺寸间的数学关系量化模型。研究表明，所构建的抗拉强度与晶粒尺寸关系模型对大压下轧制AZ31B板坯以及铸造AZ80板坯均具有很好的适用性。
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