挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织及性能影响的研究开题报告.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）开题报告题目：挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织，及性能影响的研究系（部）机电工程系专业材料成型及控制工程学生刘树成学号1069360118班号0693601指导教师刘树成开题报告日期2009年10月28哈工大华德学院开题报告引言镁是最轻的结构金属材料，密度为1.738g/cm3，为钢的1/4，铝的2/3，与钢和铝合金相比，镁合金具有更高的比刚度和比强度，良好的散热性能、减震性能和电磁屏蔽性能，因而在航空航天，汽车以及3C产品领域有着广阔的应用前景，被认为是21世纪有色金色材料中最具开发和应用前途的金属材料。AZ31镁合金却是目前应用最广泛的变形镁合金，因此本文针对AZ31变形镁合金进行了室温挤压变形研究。冷挤压变形是目前在镁合金领域研究得较少的变形方式。此项研究对扩大镁合金的实际应用领域，具有深远的现实意义。一、国内外研究现状及分析本课题主要围绕AZ31B变形镁合金的室温冷挤压变形的研究，揭示冷塑性变形和中高温退火中的显微组织变化、塑性变形机理及其力学性能的变化等，因此下面主要从镁合金在高温热变形中存在的优缺点和冷塑性变形存在的困难等，以及低温塑性变形机理比如滑移、孪生等和组织细化的研究现状及其进展等方面进行分析总结，阐明本课题研究的必要性和迫切性。二、变形镁合金的晶粒细化目前变形镁合金的晶粒细化多是采用大塑性变形方法，ECAE/ECAR是研究得较早也比较成熟的工艺之一。根据ECAE模角、和外侧圆弧半径R的不同，每道次的应变量也从0.45到1.15不等，由于变形量稍大，因此用该方法成形的镁合金都需要在200以上，但是随着变形温度的提高晶粒细化的效果逐渐减弱。图1-1所示为10-ACB得到显微组织及其对应的力学性能曲线。图1-110-ACB(ECAE)挤压得到的显微组织(d=0.37m)及其力学性能变形镁合金晶粒细化工艺的一个共同特征是，通过多道次变形（挤压，扭转，叠轧等）获得大塑性变形，从而使其发生动态再结晶。但是该过程由于生热较多，同时镁合金的成形又多在一定温度下进行，因而会很容易在晶粒形核的同时发生晶粒的长大，所以控制变形温度以及及时导出变形热是变形镁合金晶粒细化的关键。但是上述方法的一个最大不足就是，不能生产较大型的制件，其材料利用率很低尤其是ECAE方法材料利用率更低，或者要生产大制件必须用更大更复杂的加热设备，这都对工业生产成本的降低不利，因而目前这些方法都还停留在实验室阶段。三、细晶镁合金的塑性变形机制研究上述几种工艺方法都获得了晶粒细小的镁合金组织，同时材料性能得到了大幅度提高。晶粒细化在提高强度的同时，也可以改善镁合金的塑性，主要体现在三个方面，一是可以使位错滑移程缩短，变形更分散均匀；二是使晶粒转动和晶界移动变得容易，晶粒转动可使晶粒取向发生变化，使其更有利于变形；三是能激活镁合金中棱柱面和锥面等潜在的滑移系，细晶镁合金中非基面滑移系的激活是其塑性大幅度改善的最根本原因。镁合金的塑性变形机制主要有：基面滑移、非基面滑移、变形孪晶和晶界滑移。有研究表明，当晶粒尺寸细小时(d<2m)，随着变形量的增加，晶界滑移变得容易，甚至成为主要的塑性变形机理。一般都是通过拉伸测试来研究细晶镁合金的变形机制。图1-2c表明，细晶镁合金的屈服强度、显微硬度以及R值与晶粒度的关系均符合Hall-Petch关系，虽然并非成线性关系，但也表明了晶粒细化对板材的强化效果。图1-2细晶AZ31的性能，其中(a)真实应力-应变曲线，(b)真实加工硬化率-真实应变关系曲线，(c)强度等-晶粒度关系曲线在UFG细晶镁合金中，孪晶变形对塑性变形仍其重要作用。同时在变形初始阶段加工硬化率很低，此时孪晶数量尚少，这也表明孪晶的形成需要一定的应力，孪晶对加工硬化贡献很大。但是由于在显微组织中没有观察到孪晶，而是出现了大量的位错，这表明，位错滑移甚至交滑移在UFG镁合金的室温塑性变形中起到的作用才是至关重要的。图1-3为几种不同晶粒度的AZ31镁合金的拉伸和压缩力学性能对比。图1-3不同晶粒度AZ31的性能比较：(a)室温压缩真实应力-应变曲线，虚线为拉伸曲线，应变速率为0.01s-1；(b)室温强度与晶粒度关系。总之，细晶强化镁合金力学性能的优势很明显。但是影响镁合金力学性能的因素很多，除平均晶粒度之外，晶粒分布均匀度、组织形态、织构类型以及测试条件（比如拉伸时的应变速率、温度）等均能影响其力学性能。因此要比较不同镁合金的性能，一定要在条件相同的前提下。但是对应常规变形工艺方法制得的镁合金，晶粒越细小，其强度、延伸率、各向异性等越好。细晶镁合金为其后续加工也带来了便利。目前看来，细晶镁合金强度还是要高于粗晶镁合金的，而基面织构强度（或密度）越低，其室温拉伸呢延伸率相当越高。四、镁合金的室温冷塑性变形研究进展镁合金的低温尤其是室温成型性能差，但仍有很多学者对其进行了深入的、锲而不舍的研究。这些研究按照成形工艺划分，主要有铸态镁合金的锻造，铸态和变形态镁合金的轧制（常规轧制、连续铸轧、累积叠轧、等径角轧制ECAR等）、挤压（常规挤压、ECAE等）、冲压，以及变形镁合金的挤压、拉拔等。按板材类型划分主要有板材、棒材、管材以及线材的室温成形等。目前关于镁合金型材的室温成形尚未见到相关报道。本节主要按其成形工艺来概述镁合金目前用到的室温冷塑性变形方法及其研究进展。五、镁合金的塑性成形根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类。前者主要通过铸造、获得镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年来，铸造领域中一些新的生产工艺和技术，如压力铸造技术，都被用来开发新型镁合金材料，并取得了很大的进展，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多结构件的需要。六、镁合金的室温挤压工艺镁合金的常规挤压变形是指对放在挤压筒内坯料的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。金属在挤压变形中受到三向压应力作用，可以充分发挥其塑性，提高变形能力，获得较大的变形量。因此，对于镁合金这种难变形金属，尤其是室温塑性极差的金属，挤压变形是最容易实现的塑性变形，镁(b)合金管材、棒材、型材、带材等产品主要采用挤压的方法加工。影响镁合金挤压变形的因素有很多，如挤压温度包括模具温度和坯料温度、挤压速度已经挤压比等。七、镁合金的再结晶退火研究镁合金在热变形过程中容易发生动态再结晶，受各种因素的影响，动态再结晶有时候进行的不充分会降低其力学性能，因此需要进行后续的静态再结晶退火处理。而冷变形后的镁合金更容易形成高密度位错、剪切变形带、变形孪晶、强织构等，因此为改善其组织，对其进行静态再结晶处理也是很有必要的。1、退火时间对变形镁合金组织的影响冷变形金属在随后的再结晶退火过程中，织构组分发生变化而形成再结晶织构。研究表明，再结晶过程中的定向形核及核心的选择生长是导致形成结晶织构的根本原因。选择生长理论认为，形变基体内存在的所有晶核，在退火中几乎同时开始生长，但是晶核之间的长大速率并不相同，其中某些取向的晶核容易发生晶界迁移而长得最快，其余晶粒由于长大较慢而被吞并，最终形成再结晶织构。2、退火时间对变形镁合金力学性能的影响在整个退火保温过程中，AZ31镁合金硬度值渐渐降低，并且硬度值均较低。变形量大的试样硬度值下降的多并且快，这说明350保温的过程中，随着保温时间的增加，变形量大的试样内晶粒发生再结晶，由于位错密度显著降低，故硬度明显下降；小变形量的试样硬度值变化不大，仅仅发生了回复，没有再结晶的发生。随着退火温度的升高，硬度值下降速度变快，回复再结晶的发生速度加快。随着保温时间的继续增加，硬度值下降不大，此时AZ31镁合金试样内的冷加工组织己完全消除，晶粒已发生大量再结晶。八、课题研究的目的、意义，及主要研究内容镁合金是目前最轻的合金，而且不仅具有高比刚度、高冲击韧性，还具有优良的磁屏蔽、防震等性能，是21世纪最有前途的绿色金属。变形镁合金能够获得比铸造镁合金更高的强度和延展性，从而满足多种结构件的需要。但是镁具有密排六方（HCP）晶格结构，室温下可启动的滑移系有限，通常在室温下表现出低的成形性能。镁合金的冷成形仅限于普通弯曲半径的小的变形。本文通过对AZ31镁合金的挤压工艺，在室温获得了很高的冷变形量，在此基础上研究了中高温退火对镁合金变形后显微组织的影响。其目的在于，通过合适的退火工艺控制显微组织的变化，从而改善其力学性能。本课题的主要研究内容如下：1.挤压工艺对AZ31镁合金显微组织的影响；2.退火工艺对挤压AZ31镁合金显微组织的影响；3.退火工艺对四种挤压速度棒材组织的影响；4.退火工艺对AZ31挤压镁合金力学性能的影响。