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挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织及性能影响的研究【无图】【研究类】

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关键词：: 挤压以及退火工艺对于 az31 镁合金组织性能机能影响研究钻研

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挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织及性能影响的研究

30页-14000字数+说明书+开题报告+中期报告+答辩稿

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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

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挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织及性能影响的研究论文.doc

摘要

　　　由于AZ31镁合金是密排六方晶体结构，滑移系少，室温下塑性较差，目前人们主要通过细化晶粒来提高其强度和塑性。开发新的高性能镁合金系列是目前研究的主要趋势，但对现有镁合金系统进行适当的工艺处理也可能成为改善材料性能的廉价而有效的方式。

　　　由于低温挤压过程中容易导致裂纹的产生，加之镁合金塑性较差，因此有关镁合金在低温情况下的研究很少，为此，本文分别在不同的挤压速度下对AZ31镁合金棒材进行实验研究，分析挤压速度对AZ31镁合金的晶粒细化方面的影响和原因。初步探索获得细晶镁合金的工艺途径。

　　　热处理是结构金属材料获得产品性能的主要方法。本文对不同速度下挤压变形得到的棒材进行退火处理。分别通过低、中温退火工艺，采用光学显微镜（OM）研究了不同挤压速度下的棒材退火前后的显微组织，对不同挤压速度下的棒材进行室温拉伸性能分析。逐步优化工艺，最终得到了择优的退火工艺路线，实现了镁合金的晶粒细化，改善了棒材的综合性能。最高延伸率可达33%，最高的强度为430MPa.

关键词: 镁合金，挤压，再结晶退火，显微组织，力学性能

摘要2

Abstract3

第1章绪论4

1.1引言4

1.2 国内外研究现状及分析4

1.2.1 变形镁合金的晶粒细化4

1.2.2细晶镁合金的塑性变形机制研究5

1.3 镁合金的室温冷塑性变形研究进展6

1.3.1镁合金的塑性成形7

1.3.2 镁合金的室温挤压工艺7

1.4 镁合金的再结晶退火研究7

1.4.1 退火时间对变形镁合金组织的影响7

1.4.2 退火时间对变形镁合金力学性能的影响7

1.5 课题研究的目的及意义8

第2章实验材料及实验方法9

2.1 实验材料9

2.2 实验及检测设备9

2.2.1 挤压实验设备9

2.2.2 金相组织分析方法10

2.2.3 拉伸试验分析方法10

第3章挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织的影响11

3.1 引言11

3.2 挤压工艺对AZ31镁合金显微组织的影响11

3.3 退火工艺对挤压AZ31镁合金显微组织的影响13

3.3.1 退火温度对AZ31镁合金棒材组织的影响13

3.3.2 退火时间对AZ31镁合金棒材组织的影响15

3.3.3 退火工艺对四种温挤压速度棒材组织影响18

3.4 退火工艺对AZ31挤压镁合金力学性能的影响20

第4章结论25

参考文献26

致谢29

内容简介：: 哈尔滨工业大学华德应用技术院毕业设计（论文）中期报告题目：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 指导教师晁红颍中期报告日期 2009年11月27日哈工大华德学院说明一、中期报告应包括下列主要内容：1论文工作是否按开题报告预定的内容及进度安排进行；2目前已完成的研究工作及成果；3后期拟完成的研究工作及进度安排；4存在的困难与问题；5如期完成全部论文工作的可能性。二、中期报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。指导教师评语：指导教师签字：检查日期：第2章实验材料及实验方法2.1 实验材料本实验研究原材料选择AZ31镁合金一次挤压棒材，规格尺寸为1640mm圆柱棒。坯料的成分如表2-1，力学性能指标如表2-2，组织见图2-1。表2-1 AZ31镁合金的热挤压棒坯化学成分（%）AlZnMnFeSiCuNiBeMg3.280.460.270.0180.0260.050.0050.01其余表2-2 实验用材料力学性能棒材直径/mm抗拉强度/Mpa屈服强度/Mpa延伸率/%挤压比162401551410图2-1 AZ31镁合金原始坯料组织2.2 实验及检测设备2.2.1 挤压实验设备镁合金属于低塑性材料，所以最好是液压机上挤压。液压机的行程速度比较慢，可以保证镁合金挤压时有良好的变形速度条件；只要变形温度合适，不管应力状态如何，镁合金都具有较高的塑性，可以挤出所需形状、尺寸的挤压件。本实验共得到了4种挤压速度下的AZ31镁合金，之后对其进行不同温度和时间的退火实验，测定退火温度和时间对其显微组织和力学性能的影响。挤压冲头的速度为0.5mm/s20mm/s。2.2.2 金相组织分析方法金相组织观察在蔡司倒置式金相显微镜(Optical Microscopy, OM)上进行。对AZ31镁合金棒材通过室温镶嵌、磨光、抛光后，采用5ml醋酸+10ml水+5.5g苦味酸+90 ml乙醇的腐蚀液进行腐蚀。腐蚀时，试样应不断地轻微晃动，使腐蚀液能均匀腐蚀整个试样。腐蚀时间为数秒至数十秒不等，以在光学显微镜观察中能清晰地显示组织为宜。腐蚀完毕用2%的醋酸酒精冲洗掉试样上所附腐蚀剂，然后用电热风吹干。在光学显微镜下观察AZ31棒材在温挤压状态和退火处理状态下的金相组织。金属平均晶粒度测定采用截线法。2.2.3 拉伸试验分析方法通过室温拉伸实验的方法来评价不同挤压速度对AZ31镁合金拉伸力学性能的影响，包括抗拉强度、屈服强度和延伸率。拉伸试验在INSTRON-5569试验机上进行。试验时横梁移动速度为1mm/min。拉伸试样规格尺寸如图2-2所示。图2-2 室温拉伸试样尺寸第3章挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织的影响3.1 引言与铝等高层错能金属相比，镁合金在热变形过程中易发生动态再结晶（DRX）,动态再结晶作为一种重要的软化和晶粒细化机制，对控制镁合金变形组织、改善塑性成形能力以及提高材料力学性能具有重要的意义。再结晶的驱动力主要来自于金属在塑性变形过程中的储存能，这部分能量主要集中在位错密度大缺陷严重的区域，因而这部分缺陷由于能量较高而处于不稳定的状态。在位错塞积和交割等的区域容易率先形核，发生动态再结晶。再结晶的形成与变形量、退火温度、退火时间、材料的成分等因素有关。本实验中，AZ31镁合金在较高的速度20mm/s下得到的棒材，由第三章可知虽然发生了较多的再结晶，但仍有较多的变形组织，因而对四种速度下得到的棒材分别进行退火研究退火温度和退火时间对其力学性能和组织的影响具有一定的意义。3.2 挤压工艺对AZ31镁合金显微组织的影响图3-1给出不同挤压速度下得到的AZ31镁合金的金相组织照片，从图中可以看出，挤压速度为0.5mm/s时，得到的棒材的组织大部分是变形组织，有较多的变形带，不同的变形带沿着挤压的方向形成纤维组织，这说明此种速度挤压过程中，由于产生的热量较少，不足以或很少发生了动态再结晶。挤压速度为3mm/s时，组织中仍然有较多的变形带和纤维组织，沿变形组织的周围分布着许多细小的晶粒，这些晶粒尚未长大，呈等轴状，主要是动态再结晶形成的细小晶粒。随着挤压速度的增大，得到的棒材的组织越来越均匀，变形组织越来越少，如图3-1(c)图所示。在此过程中，由于挤压速度较高，挤压的热效应产生的热量足以使坯料发生动态再结晶，变形带附近形成的细小再结晶晶粒长大，但仍然有变形带出现，在挤压速度为20mm/s时，如图3-1(d)所示，挤压速度较高，在挤压过程中虽然发生动态再结晶但由于挤压过程产生的热量较多使得再结晶组织异常长大，导致了非常大的晶粒出现，但此种速度下坯料储存了较多的能量，为后续的热处理工艺和静态再结晶奠定能量基础。图3-1 四种挤压速度下的金相组织表3-1四种温挤压速度与晶粒大小关系挤压速度0.5mm/s3mm/s12mm/s20mm/s晶粒大小10m0.9m1.4m1.1m表3-1是四种挤压速度与晶粒大小之间的关系，随着挤压速度的增大，晶粒先增大后减小在挤压速度为3mm/s时，晶粒尺寸可细化到0.9m。速度为12mm/s时晶粒相对较大。其主要原因为在不同挤压速度下，挤压速度主要影响挤压热效应和变形组织的产生。挤压速度较大时，挤压的热效应产生热量较多，温升较高，坯料发生动态再结晶，得到的棒材组织将主要是等轴状的再结晶晶粒。但在0.5mm/s低速挤压时，挤压热效应产生的热量在较长的时间内均匀的散失，坯料吸收较少的热量，得到的组织大部分是变形组织和少部分的动态再结晶组织。而在3mm/s挤压时，热效应产生热量相对较多，动态再结晶组织主要在变形组织的周围形核长大，这种刚形核的再结晶组织越多，则得到的晶粒尺寸越细小。12mm/s挤压时，挤压过程中形核和长大的再结晶组织更多，由于在此挤压过程中产生的热量更多，因而晶粒长大相对较大，且均匀。20mm/s挤压时，由于挤压过程进行较快，在挤压时也产生了大量的热量，某些晶粒异常长大，而有些地方才刚开始形核，造成晶粒大小不均匀。3.3 退火工艺对挤压AZ31镁合金显微组织的影响AZ31镁合金的熔化温度在566632之间，根据金属学原理，再结晶温度Tf为（0.350.40）Tm，也即AZ31镁合金的再结晶温度在（198253）之间。对于四种挤压速度下得到的棒材，由于在挤压过程中有动态再结晶的发生，动态再结晶组织含有形变组织和再结晶组织，变形温度越高再结晶组织所占比例越大，形变组织较少，因而可以预见在退火的过程中由于挤压过程中动态再结晶使得已经形核的地方在退火工艺下继续长大，而挤压过程中没有形核的地方在退火的时候开始形核和长大，这就有可能造成了晶粒在退火后的不均匀，这种现象是由挤压过程中的动态再结晶决定的，动态再结晶越多，先形核长大的晶粒越多，退火后得到的组织一般情况下是不均匀的。但对于不同的挤压速度来说，退火对其影响也是不同的，较低速时，由于得到的棒材组织大部分为变形组织，退火时重新形核和长大的晶粒较多，可能得到细化的晶粒组织。3.3.1 退火温度对AZ31镁合金棒材组织的影响一次再结晶动力学明显与温度有关。对于给定的变形程度，退火温度对晶粒长大速率G的影响以阿累尼乌斯(Arrhenus)方程形式的指数公式来描述。GG0 exp(-QRT) （3-1）其中，Q是晶粒长大激活能，T是退火温度。从式（3-1）来看，温度越高，晶粒长大速率越快。但对于不同的挤压速度下，再结晶的温度不一样，从而退火后得到的组织也有很大的不同。图3-1给出的是挤压速度为0.5mm/s在不同温度下保温30分钟的退火组织。 (a) 180 (b)200 (c) 220 (d) 250图3-2 0.5mm/s保温30分钟不同温度退火后组织ABCDDL，m4.535.355.359.19DH，m3.705.285.288.15D平均，m4.15.35.38.7由图可看出，在退火温度为180退火后得到的组织大部分是变形组织，如图3-2(a)所示，晶粒沿着挤压方向呈纤维状分布，但有少许的细小晶粒出现，这是由于在挤压过程发生的动态再结晶产生，晶界弯曲较大。200和220退火后的组织如图3-2(b)、(c)所示，得到的大部分是等轴状的晶粒，晶界趋于平直，但晶粒大小不均匀，在大晶粒的旁边有许多小的晶粒的出现，这说明对于0.5mm/s挤压速度下得到的棒材在温度为220退火时并没有完全再结晶。温度为250退火后晶粒较大，完全再结晶，晶粒大小不均匀。AZ31镁合金的再结晶温度在198253之间，但在0.5mm/s挤压速度下得到的棒材在220保温30分钟尚未完全再结晶，这主要是由于挤压速度较慢，挤压过程中的热效应产生的热量大部分散失掉，温升较小，低速变形组织中并没有储存足够的可用来为再结晶形核和长大的能量，因此可知，保温30分钟对于0.5mm/s挤压后的棒料来说尚显得时间较短，虽然达到了AZ31镁合金的再结晶温度区间，但由于保温时间较短仍然不能得到完全的的再结晶组织。 (a) 180 (b) 200 (c) 220 (d) 250图3-3 12mm/s保温30分钟不同温度退火后组织ABCDDL，m2.644.594.227.79DH，m2.583.874.578.50D平均，m2.614.24.48.1图3-3显示的是挤压速度为12mm/s保温30分钟不同退火温度后的组织。由图可知挤压速度为12mm/s时退火温度为180时得到的棒材组织与挤压速度为0.5mm/s时的基本相同，只是12mm/s时得到的组织中有较多的孪晶，因为在较大的挤压速度下，交滑移和晶界滑移等主要由速度控制的塑性变形机制可能来不及进行，结果在晶界或第二相等处引发局部应力集中，从而促进孪生。特别是在较低温度附近高速变形时孪晶将成为镁合金塑性变形的主要机制。在变形带的附近出现非常多的细小的晶粒，挤压速度较高，挤压热效应产生的热量大部分被晶内和晶界基体吸收，

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