（材料加工工程专业论文）az91d镁合金温变形性能研究.pdf

中北大学学位论文 a z 9 1d 镁合金温变形性能研究 摘要 镁合金的塑性成形研究为材料领域的研究热点之一由于自身结构原因，镁合金在 常温下塑性较差，许多成形工艺须在温度较高的条件下进行。所以研究变形镁合金的温 变形行为，对认识和制定镁合金的成形工艺具有重大意义。 本文以工业中广泛应用的a z 9 1 d 镁合金为研究对象，通过热模拟压缩实验、常温拉 伸实验和微观组织分析，综合探讨了a z 9 1 d 镁合金在铸态及均匀化退火态下的变形行为 及组织变化规律，得出如下几项研究成果： 通过热模拟压缩实验，研究了a z 9 1 d 镁合金在铸态及均匀化退火态下热变形性能 及压缩后的组织变化规律，并对压缩后的试样进行了硬度分析。结果表明：两种状态下 的热变形都属于动态再结晶型；对同等变形条件下不同状态的应力一应变曲线进行比较 分析，发现均匀化处理对a z 9 1 d 镁合金在低温及低应变速率下( 2 0 0 ，0 0 0 1 s 1 o o l s 。1 ) 变形时的成形性能有改善作用，温度高于3 0 0 ( 2 时，均匀化处理对成形性能几乎无影响； 绘制了a z 9 1 d 镁合金在不同状态下变形时的试样宏观破裂程度一变形温度一应变速率的三 维图，可直观看出三者之间的关系；通过硬度分析，发现试样在应变速率为0 0 0 1 s - 1 及 o 1 s 1 变形时，温度为3 0 0 变形后硬度最高。最后根据实验结果确定出a z 9 1 d 镁合金 在不同状态下的合理变形条件，并建立了相应的变形抗力模型。 同时将a z 9 1 d 镁合金与a z 3 1 、z k 6 0 镁合金在同等变形条件下的变形行为做了比较 分析( 2 0 0 4 0 0 ，0 o l s 一0 1 s 1 ) ，结果显示：此变形条件下的a z 9 1 d 镁合金的高 温变形行为不如a z 3 1 镁合金，但比z k 6 0 镁合金要好。 在常温拉伸实验中，通过比较a z 9 1 d 镁合金在铸态及均匀化退态下的抗拉强度、屈 服强度及延伸率，发现经均匀化处理后的a z 9 1 d 镁合金塑性提高，强度下降。对拉伸断 口的观察也表明：经均匀化处理后的合金室温拉伸断口同铸态试样相比，虽同为准解理 断裂，但韧窝数量增多，塑性有所改善，与力学性能分析相一致。 关键词；a z 9 1 d 镁合金；均匀化退火；热模拟；拉伸性能；微观组织；断裂 中北大学学位论文 r e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so fw a r md e f o r m a t i o no fm a g n e s i u m a l l o y a z 9 1 d t h er e s e a r c ho ut h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no fm a g n e s i u ma l l o y si so n eo ft h eh o t s p o t so n t h em a t e r i a lf i e l d a st h e i rs t r u c t u r e ，m a g n e s i u ma l l o y sh a v et h es m a l l e rp l a s t i cd e f o r m a t i o na t t h en o r m a la t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e , a n dt h e i r m a n yf o r m i n gt e c l m o l o g i e ss h o u l db e p r o c e e d e da tt h eh i g h e rt e m p e r a t u r e i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ef o r m i n gt e c h n o l o g i e st o r e s e a r c ho nw a r md e f o r m i n gb e h a v i o ro ft h em a g n e s i u m a l l o y s t h i sa r t i c l et a k e st h em a g n e s i u ma l l o ya z 9 1 dm o s tw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya st h e r e s e a r c ho b j e c t ，t h r o u g ht h et h e r m a ls i m u l a t i o nc o m p r e s s i n ge x p e r i m e n t , t h en o r m a lp u l l i n g e x p e r i m e n t , a n dt h ea n a l y s i so fm i c r o s t r u t n r e , s y n t h e t i c a l l yd i s c u s s e st h ed e f o r m i n gb e h a v i o r a n dm i c r o s t r u t a r ec h a n g i n gr o l eo fm a g n e s i u ma l l o ya z 9 1 da tt h ea s - c a s ta n dh o m o g e n i z i n g a n n e a l i n gs t a t e s ，t h ef o l l o w i n gf i n d i n g sa r eo b t a i n e d ： t h r o u g ht h et h e r m a ls i m u l a t i o nc o m p r e s s i n ge x p e r i m e n t , as t i l d yi sc a r r i e do u tt h a ti so n h o td e f o r m i n gb e h a v i o ra n dm i c r o s t r u t u r ec h a n g i n gr o l eo fm a g n e s i u ma l l o ya z 9 1 da tt h e a s - c a s ta n dh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gs t a t e s a f t e rt h ea n a l y s i so ft h eh a r d n e s si sd o n et ot h e c o m p r e s s e ds a m p l e s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eh o td e f o r m a t i o n so ft h et w os t a t e sh a v et h e c h a r a c t e ro fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；t h es t r e s s - s t r a i nc u r v e so ft h ed i f f e r e n ts t a t ei nt h e s a m ed e f o r m i n gc o n d i t i o na r ea n a l y z e da n df o u n dt h a tt h eh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gp r o c e s s ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ff i g u r a t i o na tt h el o wt e m p e r a t u r ea n dl o ws t r a i nr a t e ( b e l o w 2 0 0 c ，0 0 0 1 s 1 o 0 1 s 1 、b u ti th a sl i t t l ee f f e c to nt h ec a p a b i l i t yo ff i g u r a t i o nw h e nt h e d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei so v e r3 0 0 1 2t h et h r e e - d i m e n s i o n a lp l o t so ft h es a m p l e sr u p t u r e d e g r e e s t r a i nr a t e - d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo fm a g n e s i u ma l l o ya z 9 1 da tt h ed i f f e r e n ts t a t e a r ed r a w e da n dt h er e l a t i o u sb e t w e e nt h et r i p l ea r ep e r c e i v e dv i s u a l l y ：t h eh a r d n e s so ft h e c o m p r e s s e ds a m p l e si st h eb e s ta t3 0 0 ca n d0 0 0 1 s 1a n do 1 s 1s t r a i nr a t e f i n a l l yw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h er e a s o n a b l ed e f o r m a t i o nc o n d i t i o no fm a g n e s i u ma l l o y sa z 9 1 da tt h e 2 中北大学学位论文 d i f f e r e n ts t a t ei sa s c 洲n e da n dt h em o d e l so ft h ed e f o r m i n gr e s i s t i v es t r 璐sa r ee s t a b l i s h e d m 哪c o v e r , t h eh o td e f o r m i n gb e h a v i o ro fm a g n e s i u ma l l o ya z 9 1 di sc o m p a r e dw i t h m a g n e s i u ma l l o ya z 3 1a n dz k 6 0a tt h es a m ed e f o r m i n gc o n d i t i o n ( 2 枷a n d o 0 1 9 1 o 1 s 1 1 t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eh o td e f o r m i n gb e h a v i o ro fm a g n e s i u ma l l o y a z 9 1 di si n f e r i o rt om a g n e s i u ma l l o ya z 3 1 ，h o w e v e r , i ti ss u p e r i o rt om a g n e s i u ma l l o y z 】i 【6 0 i nt h ep u l l i n ge x p e r i m e n t , i ti sf o u n dt h a tt h ep l a s t i c i t yi sh i g h e rw h i l et h es t r e n g t hi s l o w e rb yc o m p a r i n gw i t ht h et e n s i l es t r e n g t h , y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fm a g n e s i u m a l l o ya z 9 1 d a tt h ea s - c a s ta n dh o m o g e n i z i n ga n n e x i n gs t a t e s f r a c t o g r a p h i e so ft h et e n s i l e f r a c t u r e sa l s od e m o n s t r a t et h a tt h o u g hb o t ht h et e n s i l ef r a c t u r e sa th o m o g e n i z i n ga n n e a l i n g a n dt h ea s - c a s ts t a t eb e l o n gt oq u a s i - c l e a v a g e 丘a c 眦b u tt h en u m b e ro ft h ed u c t i l ed i m p l ea t h o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gs t a t ei sm o r el a r g e r , a n ds ot h ep l a s t i c i t yo fa s - c a s ta z 9 1 d m a g n e s i u ma l l o ya tn o r m a t e m p e r a t u r ei si m p r o v e da n dt h er e s u l t i sc o n s i s t e n tw i t ht h e m e c h a n i c sa n a l y s i s k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o ya z 9 1 d ；h o m o g e n i z i n g ：t h e r m a ls i m u l a t i o n ：t e n s i l e 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明劭用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 盔鏊幽 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全都或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 签 导师签名： 越 日期： 旦：兰：2 中北大学学位论文 第一章绪论 1 1 镁合金材科简介 1 1 1 镁合金的性能特点 金属镁及其合金是迄今在工程上应用的最轻的结构材料“1 ，具有其它金属材料不可 替代的优越性。镁合金的优越性主要表现在：密度小，只及钢铁的1 4 ，铝合金的2 3 ； 是最轻的结构合金，能有效降低部件重量，节省能源；比强度大，略低于比强度最高的纤 维增强材料；比刚度与铝合金、钢铁基本持平，远高于工程塑料；阻尼性能好，吸收能量 能力强，具有好的减震性，可用于震动的场合，用在汽车上可增强汽车的安全性和舒适 性；导热性好，虽稍逊色于一般铝合金，却是工程塑料的3 0 0 倍，且温度依赖性低，可用于 制造要求散热性能好的电子产品；镁合金是非磁性材料，电磁屏蔽性能好，抗电磁波干扰 能力强，可用于手机等通讯产品；加工成型性好，外观质感好，可制作笔记本电脑、照相 机等用品的外壳；线收缩率很小，尺寸稳定，不易因环境改变而改变。此外，镁合金还可 全回收再利用，是有利于环保的一种绿色金属。卅。 尽管镁合金有很多优异性能，但是目前镁合金的开发应用仍很有限，其潜力尚未充 分挖掘出来。这主要是因为镁合金在应用中还存在着很多问题，限制其应用的主要方面 之一就是低温变形困难。纯镁的晶体结构为密排六方( h c p ) a = o 3 2 0 9 n m , c = o 5 2 1 1 r i m , c a = 1 6 2 3 6 ，与理论值1 6 3 3 十分接近。与铝的晶体结构相比，镁的有效滑移距离和铝 的相似，但两相邻滑移面的垂直距离大约是铝的4 倍。就滑移系而言，铝或铝合金有1 2 个滑移系，而镁或镁合金只有3 个滑移系。由于晶体发生塑性变形时滑移面总是原子排 列的最密面，而滑移方向总是原子排列的最密方向，因此多晶密排六方结构的镁，室温 下只在基面( 0 0 0 1 ) 产生滑移，容易脆裂，难以进行塑性变形嘲；在低于4 9 8 k 时仅限于基 面( 0 0 0 1 ) ( 1 1 2 0 ) 滑移及锥面 1 0 1 2 ) ( 1 0 1 1 ) 孪生。所以，与其它常用金属相比，如 铝( f c c 结构) 、铁( b c c 结构) 、铜( f c c 结构) ，镁合金室温和低温塑性较差。在较高温 度下，由于晶体中 1 0 1 1 ( 1 1 2 1 ) 滑移可以出现，可使镁在高温下的塑性增加“”“1 。 此外，耐磨性差、耐蚀性差( 尤其是耐海水腐蚀性能很差) 、在高温下极易燃烧以 及高温性能差等也是限制镁合金的广泛应用的主要因素“”1 。 中北大学学位论文 1 。1 2 镁合金分类及其应用 1 镁合金的分类 镁合金的分类方法一般有三种方式：合金的化学成分、成形工艺和是否含锆。 镁合金按合金化组元数目可分为二元、三元和多元合金体系常见的镁合金体系一 般都含有不止一种合金元素。但在实际中，为了分析方便，简化和突出合金中主合金元 素的作用，可以把镁合金分为m g _ 如、l i g a l 、l i g r e 、m g - t h 、m g _ l i 和m g - a g 等合金系列。 按合金中是否含锆，镁合金有可划分为含锆和不含锆两大类。最常见的含锆镁合金 系列为：m g - z n - z r 、m g r e z r 、m g - t h - z r 、m g a g - z r 系列。不含锆镁合金有：m g - z n 、 m g - m n 和m g a 1 系列。目前应用最多的是不含锆压铸镁合金m g - a i 系列。含锆和不含锆镁 合金中均既包含着变形镁合金，又包含着铸造镁合金。锆在镁合金中的主要作用就是细 化镁合金晶粒。含锆镁合金具有优良的室温性能和高温性能。遗憾的是z r 不能用于所有 的工业合金中，对于i l g a l 和m g m n 合金，由于冶炼时z r 与a 1 及形成稳定的化合物，并 沉入坩埚底部，无法起到细化晶粒的作用。 按成形工艺镁合金可分为两大类，即变形镁合金和铸造镁合金。变形镁合金是指可 用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工的镁合金。铸造镁合金是指适合采用铸 造的方式进行制备和生产出铸件直接使用的镁合金“”。变形镁合金和铸造镁合金在成 分、组织和性能上存在着很大的差异。目前，铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛， 但与铸造工艺相比，镁合金热变形后合金的组织得到细化，铸造缺陷消除，产品的综合 机械性能大大提高，比铸造镁合金材料具有更高的强度、更好的延展性及更多样化的力 学性能。因此，变形镁合金具有更大的应用前景。 2 合金元素在镁合金中的作用 镁合金是以金属镁为基，通过添加一些合金元素形成的合金系，镁合金中的合金元 素主要有a 1 、z n 、m n 、s i 、z r 、c a 、l i 等“”。 a 1m g 合金的有效合金化元素，在镁中具有较大的固溶度，在共晶温度4 3 7 时最大 固溶度达1 2 隅，且随温度降低固溶度变化明显，不仅可以产生固溶强化作用，而且可 以进行淬火、时效热处理，产生沉淀强化。主要用于提高合金强度和塑性，改善铸造性 能。但有形成显微缩松的偏向，含量不能过高，一般控制在1 0 以下“”。 2 中北大学学位论文 z n 能增加熔体的流动性，改善铸件品质。主要用于提高铸件的抗蠕变性能，但z n 含量大于2 砩时则对合金的防腐性能有负面影响，且会增大热裂倾向n 町。因此，原则上z n 含量一般控制在2 9 l 以下 蜘能细化镁的晶粒，提高焊接性能，但对铸造工艺性能不利在镁合金中加入 1 2 5 m n 的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和改善合金 的焊接性能，同时可略微提高合金的熔点 s i s i 不固溶于m g ，可形成化合物m g 。s i ( 熔点为1 0 8 5 ) ，是有效的强化相s i 还能与合金中的其他合金元素形成稳定的硅化物洲主要用于改善压铸件的热稳定性与 抗蠕变性能 z r z r 在镁中的固溶度小，不与m g 形成化合物，对镁的强化作用小，主要起细化晶 粒，提高机械性能和耐蚀性的作用在镁合金中加入0 5 o 8 的z r ，其细化晶粒效果 最好，而且它也是阻燃镁合金的主要添加元素 c a c a 在m g 中的固溶度极微，没有固溶强化和时效强化作用但c a 可细化组织，使 蠕变抗力有所提高，并进一步降低成本。另一个主要作用是明显提高镁合金的燃点 l i 在镁中的固溶度大，并随温度下降固溶度变化不大，起固溶强化作用。此外还 可降低密度，提高延伸率，并能强烈地降低耐腐蚀性。 稀土可以细化晶粒，改善铸造性能。能提高合金室温强度，改善高温抗拉、蠕变 性能、耐蚀性能。 3 镁合金的应用 从2 0 世纪4 0 年代开始，镁合金被广泛地应用在汽车、航空、航天等领域，进入9 0 年代 后期，随着国内镁应用市场的不断拓宽，镁合金产品开始用于自行车、电子产品以及其 它民用领域。 在航空航天领域，镁合金由于密度小、刚性高、强韧性好，且能够有效减轻重量，很 早就应用于航空航天工业，特别是m g - l i 合金，具有很高的强度、韧性和塑性，是航空航天 领域最有前途的材料，如座舱架、座椅、轮毂、吸气管、导弹舱段、避板、副蒙皮、直 升机上机匣等都用m g l i 合金制作。2 0 0 5 年西安航空制动科技公司研制出了飞行器用镁 合金关键仪器舱和尾舱，已批量生产。同时还研制成功z m - 6 镁合金导弹舱体，实现了“伊 尔一7 6 ”机轮用镁合金国产化。 3 中北大学学位论文 在汽车工业中，镁合金可用来制成车身零件，用热锻、热冲压成型工艺生产汽车底盘 等承载件。在汽车上使用镁合金零件可以降低汽车启动和行驶惯性，提高加速和减速性 能，减少行驶过程中的振动以及减少油耗等。据预测，由于节能和环保的压力，从2 0 0 0 年 到2 0 0 8 年，全球用于汽车的镁合金仍将以1 5 以上的速度强劲增长。据统计，汽车尾气捧 放占大气污染总量的6 5 ，而汽车自重每减轻1 0 0k g ，燃油效率就会提高5 乜1 1 ，所以各大 汽车公司纷纷寻求促进汽车轻量化的办法，镁合金无疑是理想的选择目前，已有很多汽 车开始采用镁合金制造的部件。 在自行车领域，由于镁合金密度小、比强度高、耐冲击、阻尼性好，制造的自行车 轻便、舒服、速度快，用镁合金制作的自行车车架仅重1 4 k g ，所以镁合金已在自行车 中投入使用。北京首特钢远东生产的镁合金自行车，累计出口2 0 万辆，国内销售1 0 万辆。 重庆镁业科技有限公司的1 2 种摩托车用镁合金压铸件，目前已累计装车1 0 0 万辆 镁合金在3 c 产业中的应用，表现在这类产品轻、薄、美观、传热性好和防电磁屏蔽 的能力强，具有环保、健康等优点，更具有时代的气息，符合人们追求时尚的心理，已成为 人们生活不可分割的一部分镁合金电脑外壳，不仅质量轻，外形美观，且解决了工程塑 料传热差的问题。目前3 8 m m 以下机种已全部采用镁合金外壳。我国联想和华硕也部分采 用镁合金外壳。以往移动电话机壳大多采用工程塑料，内壁涂镀铜或铬来屏蔽电磁，但屏 蔽效果不好，另外，回收利用困难，最终造成环境污染。镁合金具有良好的防电磁性，对消 除消费者手机电磁波是否对人体有害的疑虑上具有极大吸引力，且镁合金质量与工程塑 料相当，又可完全回收利用，因此镁合金代替工程塑料将会是手机的发展趋势嘲 镁合金在其他电子产品上也有很多的应用，如帅播放机外壳，相机顶盖和前盖， 电视和摄影机外壳等也开始使用镁合金制造。新近上海交大采用挤压技术生产的高品质 镁合金型材，用于专用型材、纺织机械、照像机三角架，开创了镁合金应用的新领域。 1 2 变形镁合金材料的研究进展 由于经变形后的镁合金材料比铸造镁合金具有更好的力学性能，可以满足不同场 合结构件的使用要求。因此，开发变形镁合金，是其未来更长远的发展趋势1 。新型变 形镁合金及其成型工艺的开发，已受到国内外材料工作者的高度重视。最近几年国际上 对变形镁合金进行了大量的研究，为变形镁合金的应用提供了一定的基础。其研究成果 4 中北大学学位论文 主要集中在以下几个方面： 通过调整和控制变形镁合金的晶粒取向，抑制基面织构的形成或削弱基面织构的强 度来提高镁合金的塑性变形能力及其使用性能。采取的工艺措施主要有等径角挤压、等 径角轧制、异步轧制、交叉轧制等捌。 通过细化晶粒，促进晶界协调滑移变形能力，提高镁合金的力学性能和塑性变形能 力特别是低温和室温的变形能力。这方面主要研究了细晶对镁合金塑性变形机制的影响 以及动态再结晶形核机制，材料制备工艺对晶粒细化的影响规律，对材料如何实现微观 组织结构的控制。采取的工艺措施有快速凝固、动态再结晶、等径角挤压和等径角轧制 等 对孪晶在镁合金塑性变形中的作用进行研究。通过控制变形镁合金中孪晶形态，研 究合金中的孪生模式、孪晶形貌、孪晶之间的相互关系及其与塑性变形和断裂之间的内 在联系，揭示镁合金孪生变形的位错机理嘲。 对镁合金超塑性变形的机理和规律进行了研究研究了粗晶镁合金多阶段超塑性变 形机制和成形工艺，确定了各阶段成形过程中最佳的变形温度、变形速度和变形程度， 以实现粗晶超塑性、开发低温、高应变速率超塑性成形技术哪矧 进行变形镁合金成分设计，开发新型镁合金，以制备超高强度、超轻、阻燃、耐蚀、 高温性能优良的合金，揭示合金元素对材料强韧性、耐热性能等的影响规律及机理。美 国成功研制了各种系列的变形镁合金产品，如采用快速凝固( r s ) + 粉末冶金( p m ) + 热挤 压工艺开发的m g a 卜z n 系e a 5 5 r s 变形镁合金，成为迄今报道的性能最佳的镁合金，其性 能不但大大超过常规镁合金，比强度甚至超过7 0 7 5 铝合金。且具有超塑性( 3 0 0 ，4 3 6 ) ，腐蚀速率与2 0 2 4 - t 6 铝合金相当渊。 对锻造、挤压、轧制和冲压过程中金属的流动规律，裂纹和切变带的形成机理进行 研究，建立完善的镁合金塑性加工图，制定出镁合金合理的塑性加工工艺”“1 。 1 3 镁合金的塑性变形行为 1 3 1 镁合金的塑性变形机制 镁合金塑性变形时有多种变形机制，其中起主要影响的变形机制有三种：滑移、孪 生、晶界滑动变形。 5 中北大学学位论文 滑移是一种常见的金属塑性变形机制。多晶镁合金在外力作用下发生塑性变形时， 会沿滑移面发生滑移，滑移的本质是位错的运动啪晶体开始滑移必须有一定大小的 临界切应力。镁在不同滑移面上的临界切应力与温度有密切关系在室温下，产生基面 0 0 0 1 ( 1 1 2 0 ) 滑移的临界切应力要比棱柱滑移面的临界切应力低一个数量级，因此只 有基面滑移产生在较高温度( 4 9 3 k ) 下，棱柱滑移面的临界切应力下降，才产生 0 0 0 1 0 o l s “) 试样均发生了破断。在较低的应变速率下( = o 0 0 1 $ - s o o l s l ) ， 随着温度升高( 温度高于2 5 0 ) ，试样未发生破断。而在高的应变速率下( e = 1s ， 中北大学学位论文 5 s - 1 ) ，即使变形温度为4 0 0 1 2 ，试样还是发生破断 因此，可将铸态试样热压缩时的流变应力变化趋势归纳为以下几点： ( 1 ) 在温度较低时( t = 2 0 0 c ) ，随着变形量的增加，材料的应力不断升高应变 速率越大，应力升高越快，其最高值也越高，材料发生破断的时间越短，破断前的变 形量也越少。c - - - - 0 0 0 1 s 1 时，峰值应力为1 6 5 5 2 7 m p a ；c = o o l s l 时，峰值应力为 2 0 7 6 1 0m p a ，提高了4 2 0 8 3m p a ，并在压缩过程中周围开裂 0 o l s 1 时，峰值应 力随着应变速率增大而增大，最大达到2 4 1 6 9m p a 并在变形过程中发生破断；在该 条件下，发生破断的原因可能是由于试样在低温下变形，加工硬化成为影响材料组织 性能的主要因素，应变速率越大，加工硬化越快，所以随c 增加，流交应力增加很快， 材料发生破断。 ( 2 ) 随着温度升高( 3 0 0 c 4 0 0 c ) ，在应变速率为0 0 0 1 s 1 ls - t 下，材料呈现 出稳态流变的特性，峰值应力不再明显，材料的应变值超过0 6 仍不破断由于流变 应力在此条件下维持一个稳定值，说明除加工硬化发生作用外，高温下动态软化作用 也剧烈。在应变速率提高到c - - - - 5 s 一，未出现稳态流变现象，材料在最终发生破裂可 见材料的流变应力受应变速率与温度的影响都很大。 ( 3 ) 在整个变形过程中，流变应力都是超过一个应变值c 后下降，表明材料在该 温度下加工，已发生了动态再结晶，在流变应力达到峰值时，加工硬化和动态再结晶 软化达到平衡，而且随着温度升高，变形速率越小，动态再结晶的临界应变值e 变小， 即表示材料在高温下动态再结晶很快发生 通过以上分析可知，铸态合金在2 0 0 ( 2 以下变形困难，加工硬化严重。在2 0 0 c 3 0 0 1 2 时，软化作用以动态回复软化过程为主，变形情况不好，容易出现裂纹，在3 0 0 c 4 0 0 c 之间，动态再结晶起主要软化作用有利于合金成形。因此，综合各种因素， 铸态情况下，合理变形条件应选择在温度在3 0 0 c 4 0 0 c 之间，应变速率为0 0 0 1 s 一 l s l 之间变形较好。 3 a z 9 1 d 镁合金经均匀化处理后压缩时的应力一应变曲线变化分析 - 经均匀化处理后的a z 9 1 d 镁合金热模拟曲线其变化规律大体与铸态相似，总体规 律表现为： ( 1 ) 在同一温度下，随着应变速率的增大，应力值升高。在同一应变速率下，随 中北大学学位论文 着温度的升高，应力值下降，加工硬化阶段不再明显，出现稳态流变应力，峰值应力与 稳态应力差值减小，峰值应力向应变减小的方向移动 ( 2 ) 在所有的试验温度下( 2 0 0 c 4 0 0 c ) ，应变速率为0 0 0 1 s 1 时，压缩后的试 样均较好( 参见图2 5 ) 。而应变速率在0 0 1 o 1s 之间时，低温下( 2 0 0 c 2 5 0 c ) ， 压缩试样周围有褶皱且部分出现细小裂纹；温度升高到3 0 0 4 0 0 c ，压缩后的试样较好。 应变速率为5 s 1 时，即使温度在4 0 0 1 2 ，试样也发生破裂。在所有的变形中，温度为2 0 0 ，应变速率为5 s 1 时，峰值应力最大，加工硬化最严重 经分析可知，a z 9 1 d 镁合金铸棒经均匀化处理后，要获得良好的塑性变形能力，合 理变形条件与铸态一样，即温度在3 0 0 c 4 0 0 c 之间，应变速率为0 0 0 1 s 1 1s 1 之间 变形较好 4 两种状态下的应力一应交曲线比较 ( i ) 在应变速率为o 0 0 1 s 一o o l s 1 下，温度为2 0 0 c 时，均匀化处理后的应力值 比同等条件下的铸态应力值要低；温度为2 5 0 1 2 时，经均匀化处理后的应力应变曲线加 工硬化阶段的曲线斜率比铸态要小：而温度为3 0 0 1 2 时，两者的应力值相差不大，但经 均匀化处理后的应力一应变曲线加工硬化阶段的曲线斜率比铸态要小，且前者达到峰值 应力时的应变约为0 。1 ，而后者e 约为0 0 5 ；温度在3 0 0 c 4 0 0 c 之间时，两者曲 线差别不大，4 0 0 1 2 时，均匀化处理后曲线锯齿状比较明显。 ( 2 ) 在应变速率为0 i s l 下，温度为3 0 0 1 2 4 0 0 c 之闻时，均匀化处理后的峰值 应力值均比铸态情况下稍高，达到峰值后曲线下降趋势比铸态的要明显。且对应的加工 硬化阶段曲线斜率也要大一些。 ( 3 ) 在应变速率为i s l 5 s 1 下，温度为3 0 0 c 3 5 0 c 之间，铸态的应力一应变曲 线均比均匀化的要平缓，且同等条件下对应的应力值耍稍小。 ( 4 ) 综合分析，均匀化处理对a z g l d 镁合金在应变速率较低，温度较低的条件下 有改善作用，应变速率较低，温度升高时，影响不大。应变速率较高，温度较高的情况 下，变形情况要比铸态稍差。 5 三维模型建立 综合以上实验结果，可以建立a z 9 1 d 镁合金不同状态变形时峰值应力与变形温度及 应变速率的三维关系图，见图3 3 与3 4 。 中北大学学位论文 图3 3 铸态压缩时峰值应力一变形温度一应变速率三维关系图 图3 4 均匀化处理后压缩时峰值应力一变形温度一应变速率三维关系图 观察图3 3 与3 4 以及结合前面的分析可以直观发现： ( 1 ) 随着温度的升高，应变速率的降低，峰值应力值o ，逐渐减少，即材料的变形抗 力变小，容易加工成形。该结论与前面的宏观组织观察现象相符合。 ( 2 ) 随着应变速率的升高，峰值应力值o ，上升，但不同温度之间的峰值应力差值逐 中北大学学位论文 渐减少 ( 3 ) 高温时不同应变速率试样的应力峰值差值较小，低温时不同应变速率的应力峰 值差值较大 ( 4 ) 在低温及高的应变速率下，经均匀化退火后的试样压缩时的峰值应力区要比铸 态时要小，说明在这个范围内，a z 9 1 d 镁合金经均匀化退火后的塑性得到了改善。 3 1 3 变形力学模型的建立与分析 1 应变速率对流变应力的影响 金属材料热变形过程中，在任何应变下的高温稳态流变应力盯都取决于变形温度t 和应变速率矗，对不同热加工数据的研究表明，低应力水平下，稳态流变应力和应变速 率之间的关系可用指数关系描述： 虹4 矿 ( 3 1 ) 式中4 与n 均为与温度无关的常数。 在高应力水平下稳态流变应力和应变速率跎间的关系可用幂指数关系描述： 如一z 础小x 一品) ( 3 - 2 ) 式中4 和均为与温度无关的常数 在整个应力水平下可采用包括变形变形激活能q 和温度t 的双曲函数关系描述： 如爿( s i n h a a y e x p ( 一番) 洚。， 式中4 、口是常数；一是应力指数，并有万一卢肛；q 是热变形激活能，反映材料变形 的难易程度，r 是气体常数。 常数口、芦、一之间满足 _ 卢c l ( 3 4 ) 综合温度与应变速率的影响，采用z e n e r h 0 1 1 0 m o n 参数来表示，其物理意义是温 度补偿的变形速率因子，z 值与变形温度和应变速率的关系如下： 中北大学学位论文 z 4 拉p 曙) ( 3 - 5 ) 式中，a 为常数，仅与应变有关，肼为应变速率敏感指数，r 为气体常数( 8 3 1j 啪1 1 ) ， r 为绝对温度，q 为变形激活能。 当温度恒定时( q 恒定) ，则得到 h 盯坐+ c 3 ( 3 - 6 ) 尼 - 警+ c ( 3 z ) 通过恒温下的h 盯与h s 或盯与l n e 曲线，可求得n 与口( 见图3 5 和3 6 ) 由于温度对稳态流变应力的影响规律与峰值应力相似，放采用峰值应力来计算。 根据上述公式，利用数据处理软件求得图3 5 与3 6 ，进而获得 铸态状态：开= 1 4 0 8 5 、，= 0 1 2 2 、口= o 0 0 8 6 8 。 均匀化退火态：一= 1 2 0 7 4 、卢= 0 0 9 9 5 8 ，a = o 0 0 8 2 5 。 4 0 1 0 01 砷t 柏 枷瑚2 4 0 枷 o ( a ) $ 1 1 4 04 24 44 4 s 6 , 4 l n o ( b ) 图3 5 铸态压缩时应变速率矗与峰值应力仃，的关系 ( a ：i n 毋盯b ：i n 扩i n o ) 中北大学学位论文 t 1 t o ( a ) 4 s “4 1 l n o ( b ) 图3 6 均匀化处理后压缩时应变速率鹞峰值应力盯，的关系 ( a ：h 矗一仃b ：i n 矗一i n 口) 2 温度对流变应力的影响 温度是影响流变应力的另一个重要因素。在相同应变速率下，真应力随温度提高而 降低。温度升高，热激活作用增加，原子阅临界切应力减弱，且动态回复及动态再结晶 引起的软化程度也随温度升高而增大，由式p 3 可得 h ；+ 鲁- l n a + 以玎陆b 仃) 】( 3 - 8 ) 即可得变形激活能公式如下 材料热变形激活能为： q：冀彗(3-9) 七2 式中为螂i n h ( 口口，) ) 一( 1 t ) 斜率，丘为l n ( s i n h ( 口口，) ) 一l n g 的斜率( 图3 7 和图 3 8 所示) ， 3 1 中北大学学位论文 _ o i 一 d o 捌rn r i 矿瑚矿t ，t o 刈咐r。 产 t 1 t l nc 图3 7 铸态压缩时峰值应力与变形温度t 及应变速率矗的关系 ( 8 ：t ( s i n h ( a a ，) ) 一( 1 db ：l n ( s i n h ( a a ，”一l n 露) 1 t ( a ) 1 o 3 量 5 l n i ( b ) 图3 8 均匀化处理后压缩时峰值应力盯，与变形温度t 及应变速率联系 ( a ：l n ( s i n h ( a a p ) ) 一( 1 db ：l n ( s i n h o a p ”一l n 矗) 根据恒定应变速率下l n ( s i l i l l 。盯，) ) 与；以及l n ( s i n h ( a ”与l n 盔曲线求出斜率，则可 计算出塑性变形激活能q ( 见表3 1 和3 2 ) 。并利用软件得出变形激活能q 与温度t 及应变速率的关系图( 见图3 9 ) 。 中北大学学位论文 表3 1a z 9 1 d 镁合金铸态压缩时不同温度不同应变速率下的激活能 、斑毫速率 0 0 0 1 s 一10 o l s 一1 0 i s 一1 1s 15 s - 主壶 2 0 0 3 l o 6 92 9 0 3 72 9 8 6 62 6 4 9 32 5 8 8 9 2 5 0 2 1 0 5 91 9 6 8 22 0 2 4 51 7 9 5 81 7 5 4 9 3 0 0 1 9 9 1 21 8 6 1 01 9 1 4 21 6 9 8 01 6 5 9 3 3 5 0 1 8 7 6 01 7 7 。3 01 8 0 。3 41 5 9 9 11 5 6 3 3 4 0 0 2 1 8 4 72 0 4 1 72 1 0 0 01 8 6 2 91 8 2 0 4 表3 2a z 9 1 d 镁合金经均匀化退火后压缩时不同温度不同应变速率下的变形激活能 、擞婆率 0 0 0 1 s 。1 0 o l s 。1 0 1 s 一 1 s 。1 5 s 川 温壶 2 0 0 2 3 0 9 61 9 9 1 71 9 7 3 61 8 0 0 51 4 1 2 4 2 5 0 2 3 3 3 42 0 1 2 51 9 9 4 21 8 1 9 31 4 2 7 2 3 0 0 1 7 8 4 61 5 3 9 01 5 2 4 91 3 9 1 21 0 9 1 3 3 5 0 1 6 0 9 51 3 8 8 01 3 7 5 31 2 5 4 19 8 4 3 4 0 0 1 5 1 9 31 3 1 0 21 2 9 8 21 1 8 4 4 mm目m 温度t ( a ) 差 差 m_m 温度t ( b ) 图3 9 变形激活能q 与温度t 及应变速率矗的关系 ( a ) 铸态( b ) 均匀化退火态 中北大学学位论文 从图3 9 ( a ) 中可以看出，在同一应变速率下，随着温度升高，曲线大致呈下降趋 势。不同变形温度的变形激活能相差较大，最大值为1 2 3 0 9k j m 0 1 在2 0 0 c 2 5 0 c 内，激活能下降比较剧烈。而在2 5 0 3 5 0 之间，下降平缓。温度升高到3 5 0 4 0 0 ，变形激活能呈上升趋势，但上升程度不大。在同一温度下，随着应变速率的升高， 激活能下降。2 0 0 | c 时，最大应变速率与最小应变速率的激活能相差最大，其值为5 1 8 0 k j m o l 。可见温度对铸态压缩时的变形激活能有很大影响，而应变速率则影响不大。 从图3 9 ( b ) 中可以看出，曲线基本也呈下降趋势。2 0 0 c 2 5 0 c 之间，变化很小， 2 5 0 c 3 0 0 c 时，下降较大。3 0 0 4