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镁及镁合金作为目前工业化应用最轻的金属结构材料,在航空航天、汽车、3C产品、化工和医疗器械等领域具有很好的应用潜力,被冠以“21世纪绿色基础工程材料”的称号。但是由于镁合金属于密排六方晶格,室温塑性差,高温下晶粒容易粗化,导致变形镁合金的应用受到限制,因此研究镁合金在热变形过程的微观组织演化对提高其性能具有重要的研究意义。本文以AZ31镁合金为研究对象,拟建立一种适用于模拟镁合金热变形过程中微观组织演化的有限元模型,通过数值模拟与实验相结合的方法来优化等通道转角挤压工艺(Equal Channel Angular Pressing,简称ECAP),改善镁合金的微观组织及力学性能。提出了一种模拟多道次热变形过程中微观组织演变的增量方法,建立了耦合微观组织演变的镁合金热-力有限元模型,模拟了镁合金双道次热镦粗以及ECAP变形过程的微观组织演化。通过设计简单的背压装置,实现更低温度下的ECAP实验,进一步优化ECAP工艺。主要内容如下:(1)针对多道次热变形等非稳态变形问题,建立了包含动态再结晶(DRX)、亚动态再结晶(MDRX)、静态再结晶(SRX)及晶粒长大(Grain Growth)的AZ31镁合金微观组织演变模型的增量形式,应用Fortran语言编写子程序实现“温度-变形-微观组织”耦合的有限元模拟。通过MARC商用有限元软件模拟了圆柱试样单道次和双道次热镦粗过程,定量比较了其对高温变形和微观组织演变的影响。结果表明,单道次和双道次热压时,晶粒尺寸分布呈现不均匀分布特征。与单道次热压缩相比,双道次热压缩时平均晶粒尺寸均值和均方差均略有减小。模拟结果与实验结果接近,表明所建立的集成增量形式的组织演变模拟是可行的。(2)通过Gleeble恒温恒应变速率热压缩和定量金相分析方法,得到了镁合金高温流动应力曲线和晶粒尺寸模型,建立了热-力-微观组织耦合的ECAP变形过程有限元模型,分析了 ECAP变形过程中的应变场以及微观组织演化。模拟结果表明,AZ31镁合金试样在经过模具转角时,会发生剧烈的剪切塑性变形和明显的动态再结晶,存在明显的应变梯度和晶粒尺寸梯度。ECAP变形过程对温度敏感,温度越低,晶粒尺寸和再结晶分数越小,但越易出现裂纹。而挤压速度的影响相对较小,当挤压速度较慢时,晶粒尺寸随着速度的降低而升高,晶粒尺寸均匀性越好。当挤压速度较快时,随着速度的增加,再结晶分数越小,晶粒尺寸分布均匀性越差。(3)采用自行设计的背压装置进行了镁合金中低温多道次ECAP实验,分析了 ECAP工艺参数对AZ31合金微观组织及力学性能的影响。结果表明,在微观组织方面,经200℃4道次挤压获得了晶粒尺寸约为3μm的等轴晶组织,晶粒尺寸分布也相当均匀。在力学性能方面,与挤压态相比,经ECAP后镁合金伸长率都有所增加,但抗拉强度在不同变形条件下各不相同。150 ℃下得到的镁合金强度最高,达到315MPa,但伸长率提升不多。200℃下得到的镁合金塑性最好,伸长率达到48%,并且强度也达到240MPa,略低于初始挤压态。综合以上分析得出当前背压条件下改善镁合金微观组织以及力学性能的最佳ECAP工艺为:200℃,4道次,1.5mm/s,背压。