（材料学专业论文）变形镁合金的形变加工工艺研究.pdf

中文摘璺 变形镁合金的形变加工工艺研究 摘要 镁合金具有高的比强度和比刚度，机械加工方便，同时具有优良的综合性能，特别 适用于轻质结构件。但由于镁合金本身强度低和塑性变形能力差的特点限制其作为结构 利料的应用范围。为了克服这些缺点，使其更广泛的应用，发展变形镁合金材料成为必 然。经过挤压、锻造、轧制等工艺生产出的变形产品具有较高的强度、良好的延展性和 力学性能，i , j 以满足实际情况的需求。本文在有关变形镁合金形变加工技术的基础上， 对a z 3 1 台余进行挤压、轧制等加工工艺方面的实验，并针对加工后的热处理工艺作了 大量的探索性工作。运用光学金相分析( o m ) ，扫描电镜( s e m ) ，x 射线衍射分析，等 离子耦合光i 普0 c p ) 等多种分析和测试手段，较系统和深入地研究了形变加工工艺及厉续 热处理工艺对变形镁合金a z 31 组织结构和力学性能的影响及其作用机理。 研究发现，采用热挤压加工可以使a z 3 1 合金铸态组织明显细化，形成沿挤压方向 分布的剪切条纹平行流线，挤压过程中由于放热等原因导致合金中出现部分再结晶。挤 压加工的工艺对合金的组织也有影响，在热挤压温度区域，坯料保温温度越低、模具温 度越低以及挤压比越大合金加工后的晶粒越细小。同时，挤压加工使合金的强度有明显 提高。坯判保温温度越低、模具温度越低以及挤压比越大合金加工后的强度增加越多， 塑性下降越明显。 本文巾采用了合理的轧制工艺，将a z 3 1 基合金加工成了型材，并得到理想的形变 组织。热轧制能够使a z 3 t 合金铸态组织得到明显的细化。铸锭直接轧制后，加工态的 组织与铸态h , j 的组织存在明显的不同，加工态具有更细小的晶粒。挤压坯进行轧制加工 后，加工念的组织与挤压时形成的纤维组织相比变得更细。轧制后合金的强度有较大提 高，无论是铸锭直接轧制成的板材，还是挤压坯轧制成的板材，抗拉强度均达到3 0 0 m p a 以上。 本文对形变加工后的a z 3 l 合金的热处理工艺进行了一系列的研究，对合金加工态 试样退火处理后的研究结果表明：合金的再结晶温度在2 5 0 。c 左右。低于再结晶温度 退火时，发生高温回复( 15 0 ) 或部分再结晶( 2 0 0 ) 。随着退火温度的提高， 各台金的强度逐步下降，延伸率逐步上升。 同时，本文在总结有关镁合金各种晶粒细化技术的基础上，用c a s i 复合、a l ，t 1 和 s b 作为晶粒细化剂在a z 3 1 中进行了系列工艺实验。在a z 3 1 合金中加入c a 和s i 复合 细化剂、a 1 3 t i 和s b 晶粒细化剂能显著地细化合金的铸态组织，显著提高合金的强度。 采用合理的r 艺，将加入各种细化剂的a z 3 1 合金进行形变加工。加入各晶粒细化剂的 合会强度高于基体a z 3 1 合金，而且加入细化剂的各合金在形变加工后的塑性同基体合 金比较没有 蝈屈的下降。 关键词：a z 3 1 ，形变加工，挤压，轧制，退火处理，晶粒细化剂，c a 和s i ，a 1 3 t i ， s b ，显微组织，力学性能， a b s t r a c t d e f o r m a t i o n t e c h n o l o g yo fw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sp r o v i d ew i t hh i g hs p e c i a ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，g o o dm e c h a n i c a l b e h a v i o u r ，a n dg o o dp r o p e r t i e s ，h a v eb e e nw i d e l yu s e da st h el i g h ts t r u c t u r em a t e r i a t s h o w e v er _ m a g n e s i u ma l l o y sh a sl o ws t r e n g t ha n de l o n g a t i o n ，w h i c hl i m i ti t sa p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lp r o d u c t s i no r d e rt o o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g ，a n dm a k em a g n e s i u ma l l o y su t i l i t ym o r ew i d e l y , i ti s n e c e s s a r yo f d e v e l o p i n gm a g n e s i u ma l l o y s h o td e f o r m a t i o n ( e x t r u s i o nm a dr o l l i n g ) h a st a k e nt oa z 3 1 h i g h e r s t r e n g t ha n de l o n g a t i o n ，b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t y s ot h et e c h n i q u eo fh o td e f o r m a i o ns h o u l db e r e s e a r c h e dd e e o l yt h r o u g hr e v i e w i n gt h el i t e r a t u r ei nt h i sa r e a , t h et e c h n o l o g yo fe x t r u s i o na n dr o l l i n g w e r es t u d i e do na z 31 - b f i s e dw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s i nt h es a m et i m e ，t h et e c h n o l o g yo fh e a t t r e a t m e n t ( a n n e a l i n g ) w e r es t u d i e da l s o t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a z 3 1a l l o y s h a v eb e e ni n v e s l i g a t e db yu s i n go p t i c a l m i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，x - r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) a n di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( i c p ) t h er e s u l t si n d i c a t et h a th o te x t r u s i o nr e f i n e st h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r er e m a r k a b l yo fa z 31 w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s o nt h ep r o c e s so fh o te x t r u s i o n ，b e c a u s eo fl i b e r a t i o no ft h eh e a t ， d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nh f i sh a p p e n e d t h et e c h n o l o g yo f e x t r u s i o nc a i le f f e c tt h em i c r o s t r u c t u r e o fa z 31a l l o y st h el o w e rh o l d i n gt e m p e r a t u r eo fa z 31 ，l o w e rp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo fm o u l d ，a n d h i g h e re x t r u s i o n 】 a t i om a k et h es i z eo fc r y s t a lm o r es m a l l t h eh o te x t r u s i o na l s oc a ni n c r e a s e m e c h a n i c a lp l o p e r t yo fa z 31 b a s e dw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fp h y s i c a l m e t a l l u r g y , t h el o w e rh o l d i n gt e m p e r a t u r eo fa z 31 ，l o w e rp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo fm o u l d ，a n dh i g h e r e x t r u s i o nr a t i oc a l li n c r e a s em e c h a n i c a lp r o p e n yo fa z 31m o r er e m a r k a b b yu s i n gp r o p e rd e f o r m a t i o nt e c h n i q u e s ，t h ec a s ti n g o to fa z 31w a sp r o c e s s e ds e c t i o n a lm a t e r i a lh o t r o l l i n gr e f i n e st h e a s c a s tm i c r o s t r u c t u r er e m a r k a b l yo fa z 31w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s ，w h e nc a s ti n g o t w a sr o l l e dd i r e c t l y ，t h em i c r o s t r u c t u r eb e t w e e nc a s ts t r u c t u r ea n dr o l l i n gs t r u c t u r ew e r es i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e t h es i z eo fr o l l i n g c r y s t a lw a ss m a l l e rt h a nc a s tc r y s t a lw h e ne x t r u s i o ni n g o tw a sr o l l e d ，t h e m i c r o s t r u c t u r es i z eo fe x t r u s i o ni n g o tw a sr e f i n e dr e m a r k a b l y t h et e n s f l es t r e n g t ho ft h ea z 3i a l l o y s i n c r e a s er e m a t k a b l yb yu s i n gh o tr o l l i n gt e c h n i q u e s ，a n dt h ei n c r e a s eo fy i e l ds t r e n g t hw i t hr e d u c t i o no f g r a i ns i z ei nt h ea l l o y sw e l la c c o r d sw i t ht h eh a l l - - p e t c hf o r m u l a t h et e n s i l es i r e n g t ho fr o l l i n gs t a t ec a n r e a c l l3 0 0 m p a t h et e c h n o l o g yo f h e a tt r e a t m e n t ( m m e a l i n g ) w e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a t t h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u t e so ft h e a l l o y sa r e2 5 0 c r e c o v e r i n go ft h ea l l o y so c c u rw h e nt h e e x t r u s i o n sa n dr o l l e ds a m p l e sa r ea n n e a l e da t15 0 i ft h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sr a i s e dt o 2 0 0 ，t h el l l icr os tr u c t ur es 】1 0 w sp a r t i a lr e c r ys t a l l i z a t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a i i u g t e m p e r a t u r e i hes t r e n g t ho ft h ea l l o y sd e cr e a s e s ，w h i l et h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e s t h r o u g hr e v i e w i n gt h el i t e r a t u r ei na d d i n gg r a i nr e f i n e r st oa l l o y s ，t h r e ek i n d so f g r a i nr e f i n e r s ( c aa n ds i ， a h t i ，s b ) h a v eb e e nu s e d t oa z 3 1 - b a s e dw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sa n dt h e i rt h em i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h r e ek i n d so f g r a i nr e f i n e r sa d d i t i o nt o a z 3 1r e f i n e st h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r er e m a r k a b l y , a n di n c r e a s et h es t r e n g t ho ft h ea z 3 1a j i o y s t h e i n g o t so ft h ea l l o f tw i t hd i f f e r e n tr e f i n e ra d d i t i o n sa r ee x t r u d e da n dr o | | e di n t os h e e t sb yu s i n gp r o p e r d e f o r m a t i o nt e c h n i q u e st h eg r a i nr e f j n er sa d d i t i o n st ot h ea z 31a i i o yi n cr e a s et h es t r e n g t ho f t h ea 1 1 0 y sb o t l li na s r o l l e d i na s e x t r u s i o na n di na n n e a l e dc o n d i t i o n s a b s t r a c t k e y w o r d s ：a z 3 1 ，d e f o r m a t i o nt e c h n i q u e s ，e x t r u s i o n ，r o l l i n g ，a n n e a l i n g ，g r a i nr e f i n e r s ，c a & s i ，a 1 3 t i ， s b ，m i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， 学位论文独创性说明 狮4 44 j 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的利料。与我一同工作的同志列本研究所做的任伺贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：亟室 日期 关于学位论文使用授权的说明 1 z i w 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电f 文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质沦文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 签名：萋纽 一一导师签名 东南大学硼i 学位论文第一常绪论 1 1 镁合金概述 第一章绪论 金属镁及其台金足迄今在r 程中应用的最轻的结构材料。常规镁台金比铝合金轻3 0 5 0 ， 比钢铁轻7 0 以上，应用在上稗中可大大减轻结构件质量。同时，镁合金具有高的比强度和l 睇j i j 度， 尺寸稳定性高，阻尼减震性能好，机械加工方便，尤其易于同收利用，具有环保特性。可见镁台金 具有优良的综台性能，特别适用丁轻质结构件。镁的这些优点使其被誉为“2 1 世纪绿色工挥金属结 构材料”，刀_ 哿成为2 】世纪重要的商用轻质结构材料。目前，发达国家己着手镁合金材料的火力丌 发与研究镬及镁台金被应用z l ! 航天航空、国防军l ：、交通运输、电子器件壳体、体育器材利办公 用品等领域，加速开发镁的应用已经成为必然趋势”2 1 。 1 1 1 镁及镁合金特性 一、镁的基本特性1 3 i 镁是元袭周期表中第二周! c f ；j 第二主族元素，电子壳层结构为ls 2 2 s 2 p 6 3 s 2 。它的基本特性是密度 小，膨胀系数较大，弹性模量较低。镁的主要物理化学性能如表【1 1 】所示。 表【1 1 】镁的主要物理化学性能【4 性能 单位 量值 密度 g c m 。3 1 7 3 8 熔点 6 4 9 6 5 1 原子体积 c m 。僖a t o m 】3 9 9 密度( 2 0 。c k g c m 17 4 1 0 3 熔化潜热 k j t o o l89 5 4 沸点 1 1 0 7 蒸发潜热 k j m o l1 2 74 0 开始再结品温度 15 0 在态f 的收缩率 20 弹性模晕em p a4 5 0 0 0 导热率 j k1 1 1 0 12 4 8 9 n ( s o ) j k m o i 3 2 6 8 从微观结构上分析，镁晶体为密排六方的h o p 结构，配位数是1 2 ，c a 轴比为1 6 3 2 5 。其晶体结 构及主要原子而见剧【l l 】，它的主要参数列于表【1 - - 2 中。 表【1 2 】镁的晶格参数5 东南人学碗i 学位论文 笫一亭绪论 二、镁合金的基本特性 幽【1 1 】镁的晶格及主要原子面i ( i ) 优点：镁是最轻的i ：程结构材料。依合金成分不同，镁合金的密度通常在1 7 4 1 9 0 9 e m 范同i x j 。镁台金的强度和弹性模量比钢和铝合金要低，但它的比强度明显高于铝合金和钢，比 刚度则与铝合金和钢人致相同i 6 7 i 。 镁合金的弹性模量较小i 矧此，它能吸收更人的弹性变形功，从而能承受更大的冲击载荷。这 一特性可使受力构件的应力分布更为均匀，在一定场合下有利于避免过高的应力集中。同时， 由于镁合金在弹性模量方面的特性，决定了镁台金本身具有很高的振动阻尼容量，即减振性【8 9 j 镁台金具有优良的切削加上性，其切削速度可人于其它金属。另外，镁合金具有的散热快、 抗电磁干扰能力强以及吸振性能好等特性i 。 ( 2 ) 缺 i ：辟管高纯m g 住空气和海水环境i 、的一般抗腐蚀性能要好t - a 3 8 0 铝合金，但它的 电化学腐蚀性能较著，在科应川中要予以注意l ，“。 镁合金的刃一个缺点是它们的抗蠕变性能鞍筹，因此，具有高抗蠕变性能的新型低成本耐热m g 合金的研究也是材料学界关注的个重点。 1 1 2 镁及镁台金应用1 1 3 - 1 5 i 镁可以席向领域十分广泛。在l 世纪八十年代以前，镁合金作为结构材料主要用于航空领域。 随着镁台金技术的发展，镁台金的应用也越来越趋向于民用化。由于汽车工业减轻能耗，提高燃 料燃烧效率的要求，镁合金在交通运输领域的虑州不断扩大。而且随着电子工业尤其是通讯业 的飞速发展，对电子器材的薄壤轻量化提出了更高的要求，镁合金作为壳体零件在这个领域的应 用呈现强劲的发展趋势，这也给镁台金的发展带来了巨大锲机。因此镁台金的开发和应删还具订 很大的发展满力。 由丁全球范羽内的能源紧缺，汽车( 尤其是轿币) 的轻量化已经是世界范闱内汽车t 业发展 的基本趋势。为了节约能源、提高运输效率，各国的汽车制造商都想方设法尽量减轻汽车白重， 因而对高性能轻质结构材料的需求比以往任何时候更迫切。近几年内，镁台金( 主要是压铸镁 合金件) 在轿1 ：上应用的高述发展正是在这样的背景下形成的。图【i 一2 】及图【1 3 】为此 美汽车行业枉镁台金应用上的情况，其中图【i 一2 】为采用的产品，图【1 3 】为上世纪九_ l 年代北美汽下_ j 镁量趋势图| 1 “，从图中的数据即可看出镁合金使用情况。 东南大学钡卜 位沦史第一市绪论 削【l - 2 】m g 合金的部件图【1 - 3 】北哭囤汽下俐镬量趋甜幽 通讯和电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是新兴的镁合金应削领域。电子t 业中对 镁台金的需求缘| _ f 二镁台金在减轻重量、剐度性能优于塑料产品和具有良好的薄壁铸造性能等方 面的优点：同时，其导热性、电磁屏蔽特性和阻尼性能良好以及易回收等特性，也是电子行业 将目光投向镁合金的重要原因”j 。 镁合金的心j ：； 已经获得r 良好的社会效益乖i 经济效益，应用于各个行业后受到了，泛的芙 注，在一定剧度上进一步刺激了镁合金工业的发展。随着新技术的开发与研制，压铸镁合金i 艺、快速成形化与切削加二r 技术、连接技术和半固态成型工艺等技术的进一步完善，镁合金的 开发和应用还凡有很人的发展潜力。 1 2 变形镁合金 1 2 1 铸造镁合金与变形镁合金的基本力学性能差别 根据加t 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火类”1 。前者通过铸造 获得镁合金产品。传统的铸造一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、半刚态成型技术以及t h i x o m o l d i n g 专利技术，都被用来开发新型镁合金材料，并取得了 很大的进展”“。与这些 - 艺生产的铸态材料相比，变形镁台金材料更具发展前途与潜力。经过挤 压、锻造、轧制等i i ：i 艺生产出的变形产品具有较高的强度、良好的延展性和力学性能，可以满足实 际情况的需求。通过变形可以生产尺寸多样的扳、棒、管、型材及锻件产l 销，并且可以通过村料组 织的控制和热处理一l 艺的应片j ，获得更高的强度，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。因此研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，生产高质量的 变形镁合金产品，是发展镁台金材料的最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划”1 。 1 2 2 变形镁合金的基本特性 一、镁的形变特性 镁的弹性模鼙e = 4 5 g p a ，切变模量k = 1 7 g p a ，以及比弹性模量e p = 2 5 g p a c m 3 g ，均小丁纯铝 ( 纯铝的值分别为7 1 g w a 、2 6 g p a 、2 7 g p ac m 3 g ) 。此外，在低 i4 9 8k 时，多晶密排六方结构镁 东南大学坝i 。= 剐 论文第一常绪论 的塑性变形限r 基面 0 0 0 1 及锥面 0 1 2 i ( 见幽【1 4 】) 。因此，发生塑性变 形时，镁晶体只有三个几侗滑移系和两个独立滑移系( 铝晶体有十二个几何滑移及五个独立滑移系) 剐。因此，镁比铝有更人的懊度值，这也是多晶镁及其合金在常温下难产生宏观屈服而易在品界j m 生大应力集中的一个原因。由r 易产生晶间断裂，所以纯镁及常规铸造镁台金具有脆化倾向。 藉豢吩寨 彳磊j 翻岛刈少鼠蠹焉磊i 辫个上攒咎珊 豳腻 川7 固 图【l 一4 】密排六方镁的滑移面和滑移方向 二、镁合金的主要合金元素 由于纯镁的强度低，无法作为结构材料在工业上应用。因此，一个多世纪来，材料科学界 ! ： ： 致力丁采用合金化技术开发：l 一业镁合金f 2 2 , 2 3 。经过适当的合金化后，镁的强度可以得到显著的提高。 镁合金中，依据不同应用情况，常用台金元素主要有a i 、z n 、m n 、稀土金属元素( r e 、 n d 、y 等) 、l i 、a g 、眠z r 、t h 等。以下简单介缁儿种合金元素的作用。 a l 是m g 合金中最主要的合金元素之。a 】与m g 可以形成有限蚓溶体。在共晶温度4 3 7 时，a l 在m g 中的溶解度为l 2 6 ，溶解度随温度降低而显著减小。因此，可以通过热处理 手段使台金强度得到较大提高。而且，a i 的熔点与m g 相近，易_ 】二熔炼。a l 的密度也较小， 因此加入a 1 后台金的密度增加不大。 ( 2 ) z n l 8 ，1 3 2 2 5 m g 台金的男一个重要合金化元素是z n 。z n 在m g 中的圃溶度为8 4 ，可以起到闹溶强 化和时效强化的作用。适量的z n 加入可以提高镁合金的强度和塑性。但z n 含量大于5 5 时， 塑性开始下降。 ( 3 ) 稀土金属1 2 6 , 2 7 , 2 8 】 稀土金属元素能够改善m g 合金的综合性能，尤其是合金的耐热性能，是目前可以提高镁 合金高温抗蠕变性能的最主要的一类合金元素，并与镁形成了一些重要的耐热合金系mj 。稀十 金属元素在镁l 卜l 的咧溶度随原子序数增加而增加，固溶和时效强化效果也随之提高。镁一稀十 系合金的吲干u 线黼度及再站品温度较高，而且能够析出弥敞分布的质点，均匀分布1 ：品内和曲 界，这也是含柿r 金属元素台金在高温_ f 保持市月对高的强度的主要因素。 m n 也是镁合金中的一个重要合金元素，可使合金的强度有所提高。但除了a m 系列合金 东南j ： _ = 学硕j 学位论_ 文 第一章绪论 外，m n 的加入一般是为了除去金属液中的有害杂质元素f e 。m n 与台金中的f e 元素可生成化 合物而进入渣中，从而使合金的耐蚀性得到提高。 c a 是最近儿年在镁合金中研究最多的一个合金元素。其中，一个很有应用前景的结果是川 c a 微合金化m g a i s i 合金，使该台金中的粗大m 9 2 s i 相转变为细小的颗粒状，从而使该合金 力学性能不足得到改善【3 0 。同时，在当前耐热镁合金的研究中，c a 是一个十分有益的元素， 如在m g a i c a m g z n c a 系等合金的研究中得到大量的应用，也是目前成本相对较低而耐热 性能相对较蚶的合金系。 l ，在赢湍l 、可起固溶强化作用，并可降低台金密度，提高延展性但降低耐蚀性。另外 l i 的成本高，在镁合金中加l i 的1 _ 艺也很复杂，所以m g l i 合金的应用i i - r ；k 的局限性。 此外，镁台金中的杂质元素主要为f e 、c u 、n i 等，在腐蚀环境中，它们形成的沉淀析出 成为局部腐蚀电极，大大影响了台金的耐蚀性，所以必须严格l b l l w i l 的含量。 到目前为j r ，国际上已经形成了以m g a i 、m g - z n 、m g a i z n 和m g r e 为基，加入z r 、 m n 、 s i 、c a 、t h 等台金元素的铸造和l 变形镁台金系列f 16 , 2 4 , 3 2 1 。 1 2 3 变形镁合金的研究进展 尽管镁的结构特征使镁台金变形材料的制备具有很大的困难，但变形镁台金优异的性能以及在 不同领域的特 l l l a , 使其成为镁合金材料研究与开发领域中不可缺少的一个重要组成部分，并具有 先进性与挑战性。根据i n t e r n a t i o n a l m a g n e s i u m a s s o c i a t i o n 提出的镁工业发展战略图，与目前较成熟 的生产技术( 如常规台金的传统铸造工艺) 以及一些止在发展的技术相比，镁合金的挤压与轧制等塑性 变形技术更，l 挑战性2 ”。 、变形镁合金的成分设计 金属纯镁 h 少直接作为结构材料使用，必须通过添加合金元素，并进行显微组织和结构设计， 引入固溶强化、沉淀强化或弥散强化等机制，使镁合金的力学性能得到改善与提高，从而使镁合金 可以按需要廊川在不同领域。因此明确镁台金的台金化原理，对了解各种合金元素在镁基体中的 作用，指导新龠金的设计十分重要吼 材料的宏剃性能与其显微组织紧密相关冈此根据合金化原理，u j 以针对需要，采用细化晶粒、 添加微合金化元素、控制变形稃度和热处理工艺等手段达到调整镁合金组织、提高和改善合金性能 的目的。同时j 以借鉴合金化原理在其它合金设计中已取得的成功经验米指导镁合金的合金设训。 根据镁基一元相刚”，s n 、s b 、b i 和p b 等元素在镁中有较大的极限固溶度，而且随温度的h 降，固溶度减小i t - 生成弥散沉淀相。根据沉淀强化原理，这些元素无疑可提高镁合金的强度。根据 文献报道“，r ka 1 一s i 合金中微量的s r 、s b 和c a 等元素有明显的变质作用，这是冈为这些元 素属于表面活性元素，可以减小粗大相的形成，细化晶粒，甚至可以生成弥散相阻碍晶界的滑移”i 。 那么t 可以预测在a 一s j 合金中具有上述特点的元素同样可以在镁合金中发挥同样的作用，一些最新 的研究工作恰恰汪实了c a 对m g s i 合金存在变质作用和提高抗蠕变、高温性能的作用【3 8 j 。所以， 明确各种元素住镁中产生的作用，对开发与设计新合金、提高镁台金性能非常重要。对比再种合金 元素在镁中的存在形式，考虑二元镁台金的力学性能，镁中合金元素可以划分为以下3 类m4 0 】： 第1 类是吲时提高镁的强度与塑性的元素，按强度递增顺序为：a i 、z n 、c a 、a g 、c e 、g a 、 n i 、c u 、t h ：拔塑性递增顺序为：t b 、g a 、z n 、a g 、c e 、c a 、a i 、n i 、c u ； 东南大学坝f 学位论文第一市绪论 第2 类介盒元素是只提高镁的颦性，而对强度影响很小，有c d 、t i 和l 第3 类越牺牲耀性，而捉l 岛镁强度的兀素，有s f l 、p b 、b i 利s b 。 二、常用变形镁合金的进展情况 在变形镁台金中，常用的合金系是m g a i 系与m g z n z r 系”1 。m g a i 系变形合金一股属丁中 等强度、塑性较高的变形材料，铝在镁中的含量为0 8 ，典型合金为az3 1 、az6 1 和az8 0 台金，由于m g a i 合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀综合性能，而且价格较低，因此是最常j l j 的 合金系。m g z n z r 系台会一股属丁高强度材料，其变形能力不如m g a i 系合金，一般采埘挤乐l 艺 生产，典型台金为zk6 0 合金。5 3 # i - m g - l i 系台金及m g t h 系合金也是常用的变形镁合金的牌号。 a 、m g a i z n 系列4 2 m g a i z n ( a z ) 系台金具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性能，它们的屈服强度较高， 是目前应用最j 的变形镁合金系列。m g a 1 系中添加少量z n 是为了提高合金元素的固溶度， 从而提高热处理强化效果。, 9 口k01 0 5 w t 的m n 是为了提高抗蚀性。室温下m g - a i z n 系合 金主要是通过品界强化相f 3 ( m g l7 a 1 12 ) 起沉淀强化作用。目前常用的凡种牌号( 美国牌号) 为 a z 3 l ( 3 a i - 1 z n 一03 m n ) 、a z 6 1 ( 6 5 a i - 】z n 一03 m n ) na z s 0 ( 8 5 a i 一05 z n - 03 m n ) 。 b 、m g z n z r 系列9 1 4 j m g z n z r 系列中常用的合金牌号( 美国牌号) 为z k 3 1 ( 3 z n 06 z r ) ；t l ：lz k 6 1 ( 6 z n 08 z r ) 。该系列台 金的主要特点是强度( 包括抗拉强度和屈服强度) 很高，同时成型性和阻尼性好。可删r 制备 成挤压什和锻爪什。但该台金系列熔炼、铸造制难，一般仅是用丁砂聚铸造。这个系列台金的 压铸 + 艺性较叠，也限制了它的应用【4 ”。 c 、m g l i 系列。2 4 4 4 m g l i 系台金是迄今最轻的金属结构材料。其共晶成分范罔合金具有极优的变形性能雨l 超颦性。 图【1 5 】表示了m g l i 合金典型的伸长性能。最典型的m g 一1 4 g l i 一1 a l ( l a l 4 1 a ) 合金以o 体 心立方为基体，密度为13 5 9 c m 3 ，抗拉强度为1 3 0 m p a ，屈服强度1 0 3 m p a ，伸长率1 2 【4 5 】，杨氏 模董4 2 7 g p a ，佃如前所述，m g - l i 合金的成本和r 艺方面的限制，目前只用于航空领域中。 警 鼍 挺 肇 h c 参 。 麓慧链酝 儿二 - _ - 曲 o481 21 6筠款 w f “) ， 幽【1 5 】m g l i ：元合金典型的伸k = 性能 d 、m g t b 系列h 2 4 m g t h 系列中伟刖的合金牌号( 美国牌号) 为h k 3 1 ( 32 t h 0 7 z t ) 、h m 2 1 ( 2 t h 08 m n ) 利 h z l l ( 08 t h 0 6 z n 06 z r ) 。这儿种台金的主要特点是高温抗蠕变性能好，可用于制备成挤压件、锻件 - 6 - m 黼 瓣 猫 瑚 。 东南大学硕f 学位论义 第一章绪论 和板材。该系合金在强度方而也表现较好，但因含有放射性元素t h 而难以民用化1 s , 2 9 1 。 三、其他变形镁合金技术 ( 1 ) 、半固态成形工艺 半固态成形足一种新型的热加工工艺。它是将原料加热到固液相线之间的温度，然厉将其压入型 腔中使之成形。、 吲态成形1 艺能产生细小的组织结构，减少微观收缩，使铸制：具有较高的方向性， 是一种优良的铸造工艺。在半固态成形前要对试样进行一定量的压缩变形，以免在变形时开裂。半划 态成形的温度可以应片j 差热分析( d t a ) 方程来确定：t = t l ( t l t s ) f s 2 ( t s 为合金的固相温度，t l 为台金 的液态温度，f s 为同相百分含量) 【4 6 j 。 对m g z n a i c a 合金的研究发现4 8 1 ：当试样被加热到小同态成形的温度时，由于对试样的压缩 变形，使得qm g 发牛再结晶，1 4 c 一m g 与共晶化合物间的界面发生溶解。吲此，再结晶晶粒边界处的 am g 破碎成儿乎为球形的微小颗粒。随着z n 利a l 含量的增加，共晶化合物m g l2 ( a i ，z n ) a 。利m g z n 的数量增加，俐态颗粒平均尺寸减少，最小可达3 7 # m 4 ”，这使得半崮态成形：r 艺成为一种有效的品粒 细化手段。 ( 2 ) 、快n n n 成型技术1 2 4 i 采用快速凝方法开发新型变形镁合金是最新发展起来的一项新一e 艺，它使镁合金的各项性能 都得到很大群度的改善和提高，引起了材料科学：r 作者的重视 快速凝吲i 艺开发和生产商业镁合金集中在两个发展阶段：第一阶段是从1 9 5 0 1 9 6 0 年，由d o w c h e m i c a lc o 采用气体雾化法和旋转冷却盘进行的研究开发工作第二阶段是从1 9 8 4 年至现在，由 a l l i e ds i b n a l 公司开发的平面流法( p f c ) 生产的快速凝固合金材料。目前，美、日等国开始重视这 方面的t 作。 ( 3 ) 、粉末冶金成形工艺 由于快述凝固时的冷却速度很大，因而可获得细小的粉末晶粒。将粉末晶粒除气和热压矧结后 再经轧制、挤压和锻造等粉末冶金成形t 艺便可以得到细晶材料。据报道，对a z 9 1 和z k 6 0 快速凝蚓 镁台金粉末进行粉末冶金成形处理后可获得尺寸约为l 删的细晶组织，且粉末冶金成形的镁台金在 应变速率为0 】s 的拉伸试验中表现山超塑性。由丁快速凝崮粉末中弥散分布的细小氧化物阻甜高 温时晶粒的长人，因此粉末冶金成形工艺是一种获得细晶组织的有效方法。目前，已经有人利j ：l = | 镁台 金机加工碎眉经粉末冶金成形的方法来制取镁台金产品 5 0 o 最新的研究结果表明p | j ：在2 5 0 条什r 对z k 6 1 镁台金快速凝同粉末进行热挤压可获得品粒尺寸约为0 5 “m 的细晶组织，该镁合金在2 0 0 。0 时应变速率为1 0 。s 的拉伸试验中表现出超塑性。 1 3 变形镁合金的加工技术研究现状 1 3 1 形变加工技术概况 一、挤压加工 型材棒材的加r ：镁合金挤压型材、棒丰才在一股卧式油压机上即可实现，可供外接圆3 0 0 r a m 以 下。但是镁台金型材、棒材与锅台金型材、棒材生产有报多不同。典型镁合金挤压型、棒材生产i 艺流程： 东南大学硕i 学位论文第一章绪论 蚓【1 6 】生产l ：艺流程 镁合金挤压材t 艺与铝合金挤压材工艺不同点，加热方式：镁合金只准许在空气电阻炉中加 热；铝合金在空气电阻炉和感应炉中加热即可。挤压温度：镁合金挤压温度稍低，为防止镁锭燃 烧，各种合金允许加热的最高温度只达到4 7 0 。c ：铝合金最高加热温度达到5 5 0 。c 。挤压速度：镁 合金挤压速度稍快，最高挤压速度达2 0 m m i n ，铝合金挤压速度稍慢。模具尺寸：镁合金热挤压 材的收缩率比锅台金大。 管材加i 。：在世界工业实际中，挤压方法生产主要用来生产轻合金管子。它被广泛用来制造铝台 金制品。就制造镁合金管子而言，特别是薄壁和高精度的镁合金管子，目前对挤压方法的研究尚不够， 应用规模十分囱限。 二、轧制加工 与挤n d l ii ：相比，轧制加i 相对比较幽难”1 。如前所述，室温f 密# i i p 方晶体结构的镁基台金 塑性变形仅限丁在基面 0 0 0 1 ) 的3 个滑移系，本质上决定了镁合金的压力加 ：性能较差。 此外，a z 3 l 台金为两相台金，在d - m g 基体上分布有b m g l 7 a l l 2 相，该相会降低合金的塑性。随温 度的升高，一方面镁基体的滑移系增加刚： - 7 i n l 3 m 9 17 a 1 1 2 相的硬度f 降，而且在轧制前通过 对坯料预热及保淄可使偏聚的d - m g l7 a l l2 相部分溶解，从而减小了蕊相对塑性的影响，降低了合金 的变形抗力，消除了部分加耍化，提高了合金塑性。故镁合金可以采用热轧变形加 j 。 1 3 2 热处理技术概况1 5 5 经挤压、轧制后的形变态合金常保留全部或部分加工硬化，合金的延展性比较差。为了提高台 金的延展性改善合金的综台力学性能，必需对合金进行热处理。目前，对形变态合金的热处理i ： 艺研究主要集- 中这两个方面：1 ) 、再结晶退火处理：寻求适当的再结晶退火温度，将形变态台金在 该温度下保湍jd , m t ，使台金发生再结晶，消除部分或全部加工硬化；2 ) 、固溶时效处理：常_ l _ j 的 处理方法有人i 州效( t 5 ) 、吲溶处理及人 一时效( t 6 ) 和吲溶处理后冷变形并进行高温人：哪 效( t 8 ) 等。对于a z 31 合金，j 一业中常采用退火处理来改善合金的综合力学陆能。1 。 1 3 3 晶粒细化技术概况 镁合金的密排六方晶体结构决定了它塑性变形能力差。如何解决这问题是镁合金应崩的关键 之一。实践证明：细小等轴的品粒可改善镁台金的塑性