6061铝合金作为一种中高强度铝合金,在工业中正在受到越来越广泛的应用,为了提高其强度和硬度来适用于更多种的场合,尽量改善其力学性能就成了目前的迫切需求。多向锻造技术是强塑性变形方法中的一种代表性工艺,通过反复变形从而积累较大应变使金属材料产生剧烈的塑性变形,以达到强烈细化晶粒的效果,作为制备超细晶材料的一种成本较低容易实现的工艺方法具有很大的发展前景。因此研究6061铝合金的多向锻造成形工艺对于制备超细晶材料和应用到实际工业具有重要意义。本文为了研究多向锻造工艺对6061铝合金力学行为的影响和晶粒细化的程度,并且通过有限元数值仿真的方法来实现6061铝合金多向锻造成形过程及其微观组织演化的精确模拟,旨在为制备性能优异的超细晶变形铝合金的成形工艺参数及其优化提供有效的理论依据和参考,以6061铝合金作为研究对象,进行热压缩和多向锻造试验,利用等温热压缩试验所获得的实验数据绘制出6061铝合金的20条基于不同温度和应变速率下的真应力-真应变曲线,然后根据曲线和材料微观组织金相图,经过线性回归以及计算,建立其流变应力本构模型和基于JAMK理论的动态再结晶动力学模型,借助DEFORM-3D软件平台中针对6061铝合金多向锻造工艺过程进行仿真模拟和研究,通过比较分析确定最合适的锻造工艺。然后再采用元胞自动机的方法,按照建立的模型借助软件后处理中的Microstructure模块对铝合金锻件多向锻造过程中微观组织晶粒演化进行了模拟分析,并将结果与之前基于JAMK理论的微观组织动态再结晶仿真结果以及经仿真确定工艺方案的多向锻造试验前后的金相显微组织进行对照分析,实现了 6061铝合金多向锻造的仿真模拟与试验的结合以及对锻后组织结构的预测。最后再通过常温拉伸试验验证多向锻造对铝合金力学性能的改善作用。具体研究成果如下所示:首先,在研究根据等温热压缩试验所获实验数据绘制出的6061铝合金的基于不同温度和应变速率下的真应力-真应变曲线时,结果发现6061铝合金在试验条件下的热塑性变形过程中的流变应力具有正应变速率敏感性,会随着应变速率的提高而不断升高,峰值应力也随之增大;随着变形温度的升高而呈现明显降低的趋势。在这之后,利用DEFORM-3D软件来模拟不同工艺参数下的6061铝合金多向锻造成形过程,研究相关力学行为的变化情况和成形规律,在始锻温度为300℃的情况下,结果表明,等效应变的累积和分布大致遵循热压缩变形的基本特征,心部和端部外缘属于大变形区,端部中心属于等效应变最小的难变形区,而且随着锻压过程的进行,应变分布的梯度在逐渐增大,不均匀性逐渐突出,中心区域的应变增长最快,最终在剖切面形成了大致环状分布的等效应变场。由于锻造使得外力做功以及材料内部反复摩擦作用,两者产生的热量令整体铝合金试样的温度不断上升,温度分布表现出从中心向顶部和边缘呈递减趋势。多向锻造工艺对细化晶粒尺寸和改善材料性能有着显著的作用,在第一个循环道次结束时,试样就已经发生了动态再结晶,并且会随着时间推移而使得再结晶程度越来越高,坯料各个区域逐步发生充分的变形,到锻造结束时,材料内部绝大部分区域已经基本发生了动态再结晶,进行得十分充分,晶粒均匀细化的效果十分明显,已经呈现出超细晶组织的状态,最终最小的晶粒尺寸已经达到0.580μm,平均晶粒尺寸为1.79μm左右。最终对比不同始锻温度和循环道次的影响,确定了最佳锻造工艺。最后,建立了基于元胞自动机理论的包括初始的微观组织,位错密度演化模型,再结晶形核与长大模型等等在内的二维动态再结晶模型,线性回归和计算出了模型中的各项参数,对6061铝合金多向锻造过程微观组织动态再结晶演化进行了仿真模拟分析。结果表明,随着有效应变的增加,温度不断升高,在原始铸态合金中晶粒的晶界处开始破碎产生大量的等轴状的细小新晶粒,在母相大晶粒四周形成了一圈典型的项链状组织,并随着锻压过程的进行,原始粗大晶粒逐渐被吞噬取代,晶粒得到显著的细化,动态再结晶会逐渐趋于缓慢,再结晶细化晶粒的效果也在逐渐减弱。与之前基于JAMK理论的动态再结晶动力学微观组织仿真结果对照,晶粒尺寸大致相同。这验证了本文建立的元胞自动机模型可以比较准确的仿真和预测6061铝合金在多向锻造过程中的动态再结晶晶粒尺寸分布和演化,而且通过确定的多向锻造工艺方案会在实际试验中确实对6061铝合金的微观组织产生剧烈的晶粒细化效果,常温拉伸实验的对比结果也说明多向锻造会显著提升铝合金的力学性能,通过仿真模拟结合试验分析,最终对运用到工业生产中制备超细晶材料具有重要参考价值和指导意义。