镁合金的冷拉拔变形机理与性能研究

镁合金的冷拉拔变形机理与性能研究镁合金作为密度最小的金属结构材料,在许多工业和技术领域里得到了广泛的应用。近年来随着生物医学技术的快速发展,人体植入材料成为材料科学前沿的一个重要分支。镁合金由于良好的生物相容性和可降解性,在人体植入材料领域展示出可观的潜在应用前景。虽然镁合金的开发和应用已经有了百年历史,主要工业国家都形成了多种牌号的商用镁合金和相应的技术标准,但是作为生物医学材料所需的镁合金细丝,在合金成分、加工工艺、力学行为以及成分、工艺和性能相互之间的关系尚缺乏深入细致的研究。因此对镁合金丝材的成型加工工艺和作为医用材料所需的性能研究是近年来生物医用材料领域的关注热点之一。本学位论文综合运用各种宏观和微观分析方法,系统研究了纯Mg、三种Mg-Zn二元合金(Mg-2wt%Zn(Z2)、Mg-4wt%Zn(Z4)、Mg-6wt%Zn(Z6)),和Mg-4.7wt%Gd(G4.7)二元合金在各种加工状态下的显微组织和力学性能,以及热处理对合金组织和性能的影响。重点探讨了合金在冷拉拔过程中织构的演变和高温热处理过程中静态再结晶的规律和微观机制,获得的结论对深入认识镁合金的形变行为和扩展镁合金的应用均具有重要的意义。研究发现,纯镁的冷形变行为与一般的金属材料不同。挤压态的纯镁在冷拉拔形变量达到34%时,发生了动态再结晶,丝材的显微组织中出现了细小的等轴晶粒,而力学性能上也出现了明显的软化现象,即屈服强度和显微硬度同时下降。随着应变量的持续增加,强度和硬度逐渐达到一平衡值。在纯Mg中添加少量Zn后显微组织细化,随着Zn含量的增加,合金丝材的强度上升,而塑性和变形能力则呈下降的趋势。与纯Mg不同,添加了Zn的二元合金Mg-Zn在冷拉拔过程中没有发生动态再结晶现象,只是在Zn含量较低(2wt%)的Z2合金冷拉拔形变量高达91%时,显微组织中观察到少量亚晶。较高形变量时,Z4形成沿拉拔方向的纤维状组织;Z6晶粒沿拉拔方向被拉长,但晶界依然可以辨识。随着形变量的加大,三种Mg-Zn合金显微组织中位错密度升高,在力学性能上呈现典型的加工硬化现象。Gd的添加对纯镁改善Mg的形变行为具有显著的作用,G4.7合金的最大冷拉拔变形量可达165%,远高于相同加工条件下的纯Mg和Mg-Zn二元合金。大拉拔变形G4.7合金显微组织的TEM观察中发现了少量纳米晶,但未发生动态再结晶。本文研究的纯Mg、Mg-Zn和Mg-Gd二元合金在经大变形量冷拉拔加工后,显微组织中均形成了<10(?)0>平行于拉拔方向(DD)的丝织构。然而纯镁、Mg-Zn合金和Mg-Gd合金在拉拔过程中织构演变的规律并不相同。纯镁的织构演变主要分为三个阶段:当变形量在0~28%时,纯镁由挤压态较强的基面织构转为<10(?)0>//DD丝织构;进一步加大变形量至34%时,由于发生了动态再结晶,丝织构减弱,又转为较强的基面织构。继续加大变形量时,又逐渐形成较弱的<10(?)0>//DD丝织构。三种Mg-Zn二元合金在冷拉拔后期均形成了<10(?)0>//DD丝织构。不同的是,含Zn量较低的Z2合金随着应变量的增大出现了一个基面织构{0002}//DD先增强后减弱的过程,而含Zn量较高的Z6合金在挤压态除了具有较强的基面织构外,同时含有较弱的非基面织构。Zn的加入促进了非基面织构的形成。与纯镁和Mg-Zn二元合金不同,挤压态G4.7合金中未形成基面织构,而是在与TD、DD成~45°处呈现较弱的织构组分,这有利于后续的冷拉拔变形。随着冷拉拔应变量的增加,G4.7合金中晶粒围绕丝材的DD进行转动,逐渐靠近TD方向,最后形成显著的<10(?)0>//DD丝织构。系统的热处理工艺试验显示,冷拉拔加工后的纯Mg、Z2和G4.7合金的静态再结晶温度分别为250℃、200℃和350℃,再结晶激活能Q_R分别为91kJ/mol、77kJ/mol和136kJ/mol。纯Mg、Z2和G4.7合金分别经300℃、225℃、375℃退火后,组织均匀、晶粒细小,丝材获得了较好的后续冷拉拔塑性变形能力。在稍高温度下进行热处理时,尽管退火后晶粒有所粗化,但纯Mg和Z2丝材的形变能力进一步提高。退火处理后,纯Mg、Z2和G4.7合金显微组织中均出现了不同的再结晶织构。纯Mg经低温退火后,形成较弱的基面织构,随着温度的升高或时间的延长,基面取向明显。经低温退火后的Z2合金中主要织构组分为<11(?)0>//DD,提高退火温度或延长退火时间后,<11(?)0>//DD减弱,同时出现了一个较弱的织构组分<10(?)0>//DD,更高退火温度下,基面织构较强。低温退火后的G4.7合