（材料加工工程专业论文）mg6al1zn镁合金高温塑性变形行为及管材热挤压研究.pdf

上海交通丈学博士学位论文 摘要 本文采用单遂次、双道次高温等湿压缩及管材热挤压试验譬方法，研究了m g - 6 a i - t z n 镁含金的高温塑性变形行为及管材热挤压成形性。通过o m 、x r d 和t e m 等手段，深入 研究了m g - 6 a 1 。1 z n 金高温塑性变形过程中的流变应力、应变速率和温度的相关性及动态 再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶及高温塑性变形机制。利用回归分析的方法，建立了镁 合金高温塑性变形静本构方程，并将高温塑性交形本构方程g | 入塑性有限元计算中。采用 m a r c 计算软件，模拟了镁合金管材热挤压过程中的应力分布、应变分布和温度分布并分 析了挤压条件对挤压载荷的影响；利用镁台金高温塑性变形本构方程计算了m g 一6 a 1 1 z n 镁 合金篱材热按压戒形极限鹜。扔步探骥了挤压温发、接压速度和按压比慰m g - 6 a i - 1 z n 镁台 金管材熟挤压成形性、组织与性能的影响。结果表明： 1 m g + 6 a i 1 z n 镁合金高温塑性变形存在稳态变形特征。变形过程为受位错运幼控制的热 激活过程。等温条传下的流变应力秘应变速率之闻满足包含热激滔和材料常数在内的双鳇 正弦函数，可用温度补偿因子z e n e r - h o l l o m o n 参数来描述其高漱塑性变形过程中的流变应 力、成变速率和温度的相互关系。 2 m g - 6 a i - i z n 镁合金高温塑性变形流变应力随变形滠度、应变速攀和应变量的变化而变化。 在较离温度3 5 0 - 4 0 0 c 嚣情况下，可用传统流变成力方程摧述；针对m g - 6 a i - 1 z n 镁合金提 出了包含软化因子和激活能在内的、适合各种变形条件下的流变庶力数学模型。 3 m g - 6 a i 1 z n 镁合众的再结晶温度为2 1 4 c ，在此温度以上动态再结晶发生的临界应变与 变形条件? 参数之间满足1 3 x 1 0 。z “表达式。稳态流变阶段形成的再结晶平均晶粒尺 寸d 和z 成线性关系且再结晶体积分数可用a v r a m i 方程来表示。当变形温度较低时亚晶形 成，平均亚晶尺寸d 郛z 也满足线憔关系。荐结熬形核行为研究袭明，形核机剿主要有李 晶机制、晶界弓出机制( 晶界形核或应变诱发晶界迁移形核) 和位错塞积区形核。台金中第 2 7 相( m g l 7 a 1 1 2 ) 的存在，有利于并结晶形核。 4 m g - 6 a i 1 z n 镁会金高温塑性变形机制随温度两变化。变形溢度低于2 5 0 时，主要是基 面滑移和少：的菲基面滑移；变形温度在2 5 0 3 5 0 c 时，主要是基面滑移、非基顾滑移和位 错的交叉滑移：在温度较高时( 4 0 0 。c ) ，主要是非基面滑移以及位错的交滑移或多系滑移。 挛晶麴演化与变形溢度和应变寿关。演亿援律为，初始李晶演化成二次孪晶，= 次孪鑫的长 大及= 次孪晶相互交叉导致孪晶变大和阶梯状边界出现，最终可能演化成亚晶粒。 上海交通大学博士学位论文 5 m g 6 a 1 1 z n 镁台金双道次压缩变形时，变形间隔内发生相当强的动态软化和奇异的静 态软化，其静态软化分数随着变形激度和道次闻保温及停留时间的增加丽增加，但当停留时 闻大予或等于l o 移酵软化分数并不菠时间的增热丽增加，其静态荐结晶的凌力学也满足 a v r a m i 方程。 6 m g ，6 a i 1 z n 镁台金管材数值模拟研究结果袋明，当挤压变形条件一定时，等效应力在 接近变影锥约入口熊疑大量分毒不均；等效应变捺变形雅瑟及模子工作带最大 滠升鼠变形 锥的入口到模子的工作带逐渐增大，工作带的温度达到最高。增加挤压温度、降低挤压速度 或挤压比都降低挤压峰值载荷；最大温升随着挤压温度、挤压速度和挤压比的增加而增加， 健它们之间不存在线性关系。 7 m g - 6 a t 1 z n 镁合金热挤压管材对，再结晶龉粒尺寸d 和z 参数成线性关系；当挤歪温 度降低时( 2 5 0 ( 2 盘右) ，显微结构中有亚晶存在# 当挤压温度大于3 0 0 c ，显徽结构中没育 发现豫晶，只有尺寸较小的孪晶。镁合金管材的挝伸性能随着挤压温度的降低和挤压比酊增 大磊增大，握影响精度不是很大。 8 m g - 6 a 1 1 z n 镁台盒管材挤压成形性由挤压温度、挤压速度和挤压比决定。提高挤压速度 导致挤压力和温升的幅度增大。由此缩小了镁台金管材的挤压温度和挤压速度范围。在低温 挤魇时按压力是主要考虑的因素，搿温挤压时滠势燕主要豹影确因素。试验著袋用塑性本够 方程计算了m g - 6 a i 1 z n 合金管材挤压过程中的挤压力极限曲线和温度极限曲线，根据计算 结果和实测结果粗略绘出m g - 6 a 1 1 z n 合金管材挤压极限图。 关键调：m g - 6 a i - i z n 镁台金，离滋塑性变形，流变应力，动态再结晶，亚动态再结晶，静 态再结晶，位错，李磊，管材，数值模攒，挤压，挤压成形授限图。 i i 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ep l a s t i cb e h a v i o ma n dm b ef o r m a l i t yo fm g - 6 a i - 1 z nm a g n e s i u ma l l o yh a v e b e e n i n v e s t i g a t e db ys i n g l e ，d o u b l ec o m p r e s s i o na n dh o te x t r u s i o nt e s t s i t i sf o u n dt h a td y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ，m e t d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n so c c u r , w h i c ha r ea n a l y z e d b yo m ，x r a ya n dt e m 1 褂o u g hs i n g l ec o m p r e s s i o nd a t a , ac o n s t i t u t i v em o d e li sd e v e l o p e d ， w h i c hi si n t r o d u c e di n t on u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( f e m ) o fe x t r u s i o np r o c e s sf o rs t u d y i n gt h e d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e ，e f f e c t i v es t r e s s ，p l a s t i cs t r a i n ，a n dt h ee f f e c to fd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n o ne x t r u s i o nl o a d s o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n , i n d u s t r i a le x t r u s i o nh a sb e e nc a r r i e do u td u r i n g w h i c ht h ee f f e c to fe x t r u s i o n c o n d i t i o no nm i c r o s t r u c t u r e ，t e n s i l ep r o p e r t i e sa n de x t r u d e d f o r m a b i l i t , lo fm g - 6 a i i z na l l o yh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wa s f o l l o w s 1 d u r i n gh o td e f o r m a t i o n , t h es t e a d yc h a r a c t e r i s t i c so f f l o ws 仃e s se x i s t t h er e l a t i o no f s t r e s s 静d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t eh a sb e e nc o r r e c t e db yt h eh y p e r b o l i ct e r mo ft h e n a t u r a ll o g a r i t h mo f z p a r a m e t e ri n c o r p o r a t i n g w i t hm a t e r i a l sc o n s t a n t s 2 d u r i n gh o td e f o r m a t i o na tt e m p e r a t u r eo f 3 5 0 - 4 0 0 ，t h ec o n s t i t u t i v em o d e lf o rm g - 6 a i - 1 z n a l l o yc a r lb ee x p r e s s e db yc o n d i t i o n a le q u a t i o n 。n e v e r t h e l e s s ，i na l ld e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s ，a n e wc o n s t i t u t i v em o d e lh a sb e e nd e v e l o p e di na c c o r d a n c ew i t hs t r a i ns o f t e n i n gc o e f f i c i e n t a n dd e f o r m a t i o na c t i v m i o ne n e r g y 3 ，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 r eh a sb e e nd e t e r m i n e db yan e wm e t h o d 鹪2 1 4 。c w h e n d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r s ，t h ec r i t i c a ls t r a i n ( s c ) f b rd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nc a l lb e p r e s e n t e di nzp a r a m e t e ro f1 3x 1 0 3z o w i t hw h i c ht h er e c r y s t a l l i z e dg r a i n sh a v ea l i n e a rs h i p ，a n dt h er e c r y s t a l l i z e dv o l u m ef r a c t i o nc a r lb ee x p r e s s e db ya w a m ie q u a t i o n w h e nd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei sr e l a t i v e l yl o w , t h es u b g r a i n sa r ef o r m e d , a n dt h es i z eo f s u b g r a l n sh a sa l s ob e e nal i n e a rs h i pw i t hzp a r a m e t e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft e m ，i ti s f o u n d t h a t t h e r e a r e t h r e e k i n d s o f n u c l e u s m e c h a n i s m i n t e r m so fs u b g r a l nb o u n d a r y m o v i n g ( s u b g r a l nm e r g e r ) ，t w i n s i n t e r a c t i o na n dd i s l o c a t i o np i l e s u p t h ed i s l o c a t i o np i l e s - u pm a y b ec a u s e db ys e c o n dp h a s efm g l t a i l 2 ) t h a tp l a y sa ni m p o r t a n tr u l ef o ri m p e d i n gg r a i n b o u n d a r ym o v i n g 4 t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mc h a n g e sw i t hd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e w h e nd e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n2 5 0 c ，t h eb a s a ls l i pa n dl e s sn o - b a s a ls l i pi sm a n d a t o r y ；w h e n d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n2 5 0 a n d3 5 0 t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m sa r eb a s a l s l i p ，n o - b a s a ls l i pa n dc r o s ss e c t i o no fd i s l o c a t i o no rm u l t i p l es l i p o fd i s l o c a t i o n ；w h e n t e m p e r a t u r ei sr e l a t i v e l y 硅g h ( 4 0 0 y 2 ) ，t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m sa r en o b a s a ls l i pa n d c r o s ss e c t i o no fd i s l o c a t i o no rm u l t i p l es l i po fd i s l o c a t i o n t h eo c c u r r e n c eo ft w i n sh a s d e p e n d e n c eo nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i n w h e ns t r a i ni n c r e a s e s ，i n i t i a lt w i n se v o l v ei n t o s e c o n d a r yt w i n s h o w e v e r , s e c o n d a r yt w i n sg r o wu pw i t ht e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ；s o m e s e c o n d a r yt w i n se v o l v ei n t os u b g r a l n s i i i 圭堡至塑查堂鳗老堂垡笙苎 5 d u r i n gd o u b l ec o m p r e s s i o nt e s tf o rm g - 6 a i l z na l l o y , s 竹o n gd y n a m i cs o f t e n i n ga n dc u r i o u s s t a t es o f t e n i n ga r ef o u n db e t w e e np a s s e s v c h e nd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dp a s si n t e r v a l s i n c r e a s e ，s o f t e n i n gf r a c t i o n so fr e c r y s t a l l i z a t i o ni n c r e a s e s h o w e v e r , s o f t e n i n gf r a c t i o nd o e s n o tc h a n g ea sp a s st i m ei so v e r1 0s e c o n d s s e e m l y , t h ek i n e t i co f r e c r y s t a l l i z a t i o nc a na l s o b ee x p r e s s e db ys e l t a r se q u a t i o n 6 t h et u b eh o te x t r u s i o np r o c e s s e sa r es i m u l a t e db yi n t r o d u c i n gp r o p o s e dc o n s t i t u t i v em o d e l i n t of i n i t ee l e m e n tm e t h o d s t r e s si sr e l a t i v e l yh i g ha r o u n dt h ee n t r a n c eo f t h ec o n i c a ld i ea n d n o th o m o g e n o u sf r o me n t r a n c et oe x i to ft h ec o n i c a ld i e ，w h e r e a st h em a x i m u ms t r a i n a p p e a r sb o t ha i o n gt h ep y r a m i d a lp l a no fc o n i c a ld i ea n dn e a rt h ee x i to fc o n i c a ld i e t h e d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ei sf r o mt o wo f t h ee n t r a n c et ot h em a x i m u mo ft h ew o r k i n gl a n d w h e ne x t r u s i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，a n de x l m s i o nr a t i o no re x t r u s i o ns p e e dd e c r e a s e t b e p e a i e x t r u s i o nl o a d sd e c r e a s e ，w h e r e a sm a x i m u mt e m p e r a t u r er i s i n gi n c r e a s ew i t he x t r u s i o n t e m p e r a t u r e , e x t r u s i o nr a t i o na n de x t r u s i o ns p e e di n c r e a s i n g , w h i c hh a sn o ta n yr e l a t i o ns h i p b e t w e e nt h e m ，o nt h eb a s i so ft h ep e a ke x t r u s i o nl o a d ，e x t r u s i o nt e m p e r a t u r e ，e x t r u s i o n r a t i o na n de x t r u s i o ns p e e dc a l lb ed e t e r m i n e db yi n t e r p o l a t i o nm e t h o d 7 d u r i n gt u b eh o te x t r u s i o no f m g 一6 a i - 1 z na l l o ya th i g ht e m p e r a t u r e ，d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i n o c o u r sc o m p l e t e l y i ti sf o u n dt h a tt h er e c r y s t a l l i z e dg r a i n sa l s oh a v eb e e nal i n e a rs h i pw i t h zp a r a m e t e r w h e ne x t r u s i o nt e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n2 5 0 ( 2 ，s u bg r a i n sa r ef o r m e d h o w e v e r , n os u b g r a i n sa r ef o u n da b o v e3 0 0 c ，a n dt h e r ei so n l yt w i n se x i s t e dw i t has m a l l s i z eo ft h e ms ot h a tt h et e n s i l ep r o p e r t i e so fe x t r u s i o nt u b e sa r ei n c r e a s e dw i t h r i s i n g e x t r u s i o nr a t i o na n dl o w i n ge x t r u s i o nt e m p e r a t u r e 。 8 b a s e do nt h ec o n s t i t u t i v em o d e lo ff l o ws t r e s s 。t i l ee x t r u s i o ni i m i td i a g r a mi sc a l c u l a t e d r o u g h l yf o rt h em g - 6 a i - 1 z na l l o y , w h i c hi sc o m p o s e do f t e m p e r a t u r el i m i td i a g r a ma n dl o a d l i m i td i a g r a m f r o mt h ee x t r u s i o nl i m i td i a g r a m , i ti sf o u n dt h a te x t r u s i o n t e m p e r a t u r er i s i n g i sc a u s e db yi n c r e a s i n ge x t r u s i o nr a t i oa n ds p e e d ，w h i c hl i m i t st u b ee x t r u s i o ni nn a r r o w t e m p e r a t u r ea n ds p e e d w h e ne x t r u s i o ni sa t1 0 wt e m p e r a t u r e , t h ee x t r u s i o nl o a di sm o s t i n l p o r l 2 n tf a c t o r i n v e r s e l y , e x t r u s i o nt e m p e r a t u r er i s i n gi sm a s ti m p o r t a n tf a c t o r t h et e n s i l e p r o p e r t i e so ft h et u b ef o rm g - 6 a i t z na l l o yi n c r e a s ew i t hl o we x t r u s i o nt e m p e r a t u r ea n d l a r g ee x t r u s i o nr a t i o 。h o w e v e r , t h et e n s i l ep m p e r t i e so ft h et u b ed on o tv a r yl a r g e l ya t e x t r u s i o nt e m p e r a t u r eo f 3 0 0 - 3 5 0 c k e yw o r d s ：m a g n e s i u m ，h o tc o m p r e s s i o n , p l a s t i cd e f o r m a t i o n , f l o ws t r e s s ，d y n a m i c r e c r y s t a i l i z a t i o n ，s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n , d i s l o c a t i o n , t w i n ，t u b e ，n u m e r a ls i m u l a t i o n ， h o te x t r u s i o n , e x t r u s i o nl i m i td i a g r a m i v 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 弼意学校保留并向国家有关郝门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位敝储躲脚魂指导教师签玎毒t 1 日期：沪。悔 月r 曰 日期：矽年严月宇曰 f 上海交通大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出熏要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢融 日期：砂一u 年) 月p 日 上海交通大学学位论文答辩决议书 串谚案l瘸海涛l 掰在学科( 专泣) i i材辩加工王程l 论文题目| 峥a 卜z n 镁合会高温塑性变形行为及管材热挤压研究m i 答辩日期8 2 0 0 4 0 7 0 1 0答辩地点0上海交通大学i 答辩委员会成员 担任职务 姓名l 职称i所在工作单位 l备注签名 i 主席 林栋梁0 教授i上海交通大学 校内7 i i 黝 委员 叶以富8 教授l华东理工大学 校外噶心l 委员l 汪莞l 教授l 巨海中毒季貌硅酸研究所校终1 1 譬翟】 委员l 邓康教授l | 上海大学校外1 秣缆| 委员i l 彭颖红0 教授i i 上海交通大学校内卅嗍潲m 评语和决议： 周海涛同学采魇压缩模羧试验鄹熟挤压管奉孝等方法，研究7 隗一6 a i 一1 z n 镁合 金的高温塑性变形行为，获得的塑性变形研究结果可用于指导工业生产，具有重 要理论意义和工业应用价值。针对镁合金流变软化特征，提出了包含软化因子和 激活能在内的流变应力计算数学模型，建立了m g - 6 a 1 1 z n 高温愿缩变形应力戍变 关系：采壤了连续冷却蘧缩试验测定镁合金豹再终鹾温度的方法，确定了m g 一6 a i - 1 z n 发生动态再结晶的疆界条件与变形条件之阔的关系，建立了静态和动态孵结晶 的动力学方程：计算并获得了m g - 6 a l - i z n 管材挤臌过程中的挤臁力极限曲线和温 度极限曲线( 特定挤压比) ，绘制了挤压极限图。论文内容率富、数据可靠、讨 论分析深入、条理清晰，有创新。答辩过程中，表达清楚，回答问题正确。以上表 明周海湾阏学其有坚实翡基础理论和宽广的专业知识，具有缀强的独立从枣科学 研究鹃莪力。经答辩委员会讨论和投票一致通过嗣海涛弼学的博士学位论文答 辩，并建议授予簿士学位，同时，建议推荐为西浆优秀博士学位论文。 勰雾嚎潞瑟黝谍淫辅雾 橼蠊豁噱刚孵龛黧懋兹勰 触年7 月9 丑 上海交遵大学博士学位论文 第一章文献综述 第一章概述 1 1 变形镁台金及其应用 金属镁及其合众是目前可殿用的最轻的结构材料，具有铝和钢不可替代的性 能，翔离眈强度、商眈雾性模鳖、蜀阻尼减震性、高导熟嬖芝、高静电屏簸性、高 机械加工性和极低的密度( 1 7 4 9 c m 3 ) 。常规镁合金比铝合金轻3 0 5 0 ，比钢 铁轻7 0 以上，它们被广泛的应用于航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等 行业。采用镁合会用来制作汽车稚飞枫零件肘，可大大减辍重量，降低燃油消耗； 采用镁合金制造手机、笔记本溉脑和一些家用电器的外壳时，能显著壤强产品的 散热能力和抗震能力，并能有效地减轻对人体和周围环境的电磁辐射。目前，大 多数镁合金产品主震是通过铸造的生产方式获得( 包括传统的铸造工艺和新型的 半嚣态铸造工艺) ，箍交形产晶很少。与铸造镁合金产县相鹾：，变形镁舍金产是( 磐 挤压、轧制、锻造) 组织细密，铸造缺陷消除，综合机械性能大大提高，对环境 的污染很小。因此，变形镁合金比铸造镁合金具有更高的强度、更高的延性、更 多样化的力学性能，有望成为本世纪新型的离性能结构材料“。1 。 1 1 2 镁及镁合金塑性变形的结构特性 缝镁的基本特拣如表1 - 1 阳1 。 表1 - 1 纯镁的基本性质 t a b l e1 - 1s o m eb a s i cp r o p e r t i e so f u n a u o y c dm a g n e s i u m r e l 啦i v ee l e c t r i c a lr o s i s t i v i t y a t o m i cn u m b e r c r y s t a ls t r u c t u r e ( 2 9 8 鼬t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( w m - i + k _ 1 ) a t o m i c m l s s( 2 9 3k ) m ) 3 0 0 k8 0 0 k 上海变通大学博士学位论文第一章文献综述 图1 - 1 是镁的晶体结构示意图，为密排六方结构，其中，a = o 。3 2 0 9 n m ，c = o 5 2 1n m ， c a = 1 6 2 3 6 ，接近于理论值1 6 3 3 。由于晶体发生塑性变形时滑移面和滑移方向总 是原子排列的最密捧面和最密摔方向，因此多晶密排六方结构的镁，其塑性变形 在低于2 2 5 。c 时仅限子基面淆移( 0 0 0 1 ) 及锥面( 1 t o o ) 孪生疆“。， 即孪晶参与协调变形。 监叫2 1 ( c ) 图1 - 1h e p 晶体的滑移系糸意图 f i g 1 - 1s l i ps y s t e mo f h c p s t r u c t u r e ( a ) 主滑移系f o 0 0 1 ) 和棱柱恧漏移系f 1 0 1 0 ) ； ( b ) b u r g e r 矢量为a 3 的一级锥面 1 0 1 1 ，和 i 0 1 2 滑移系； ( c ) b u r g e r 矢量ni 3 ( c + 鑫) 豹一级锥瑟 1 1 2 1 帮二级锥蟊1 1 2 2 滑移系。 研究表明，具有丽心立方晶体结构的铝合金有1 2 个滑移系统和5 个独立 滑移系，可以满足大塑性交形扔调的要求“3 。鞭镁及其含金最常见的滢移系为a 稻 氏矢量的基面 0 0 0 1 ) 和棱匾滑移系 l t o o ) ，共提供5 个几何滑 移系和4 个独立滑移方向，室温下只有基面滑移系滑移，而棱面漕移系很难滑移。 当变形濑度较高对，c + a 柏氏矢量豹锥面滑移系开劝参与变形，此时锥馘滑移体系 又提供五个独立的滑移系。掇据m i s s e s 屈服准则，这五个独立的游移系开动后才 满足变形时的屈服条件。但是，锥面滑移系的c + a 柏氏矢量较大，晶面间距小， 因而位错宽度较窄，滑移不易发生，只有温度较高对才得以进行。f r i e d e l 提出， 在瘦力作用下基匿上分勰熬a 位错可以在一个足够长的范围瘫重新结合以便能够 在棱面上滑移( 交滑移) ；具有刃型分量的位错通过在棱面上交滑移，赢至穿过整 个晶面，与正负相反的位错结合或遇到阻滞，则螺型位错自动分解为纂面上的分 量以降低能量，此时基瑟上豹刃型分量不断羹薪组合良便在棱面上形成螺型位错， 滑移才一能持续进行“”1 。 对于具有h c p 结构的镁及镁合金来说，变形孪晶在变形中起着熏要作用。 在低温的情况下，一般只有基面滑移系参与滑移，即三个几何滑移系统，它们的 2 掩一， 辟 伯勘一p 上海交通大学博士学位论文第一章文献综述 临界分切应力比其它类型滑移系统低得多，但是只有三个滑移系统不可能协调有 c 轴方向拉伸和压缩廒变产生的任何变形。实验观察表明，c 轴方向拉伸和压缩应 变产生的任何变形是遁过机械孪生来协调，而诱发孪生所需的应力小予激活其它 滑移系所需的应力且在晶体中观察到的c 轴压缩变形与拉伸变形所引发的机械孪 生属于两种孪生系统，其分别为诱发聪缩孪晶和拉 率孪晶“”。孪黼本身对塑性交 形的贡献并不大，但它可以使不利于滑移和孪生方向的晶粒重排，从而便晶粒取 得蠢列的位嚣，以便避一步潺移耨孪生。当孪霸达至l 一定比铡瞳，初生挛晶内部 的二次滑移和孪晶可以产生较大的应变，使得滑移一孪晶和孪晶一孪晶的交互作用 从熊量上变得可行。 总之，低温时镁会金的变形机制烹要是基面滑移和协调变形的孪晶；牛高温 时启动棱面滑移系和锥面滑移系，伴随有交滑移。在更高温度时，位错攀移也参 与变形。 1 1 3 变形镁合金系 镁合金品种是逶过合金化形成的。瑟根据溶质漂予与溶剂半径差来决定所形 成合金的性能。一些常用的合金元素脊铝、锌、锰、锂、银、稀土、锆、硅、钙 等，大约有2 8 秸元素胃与镁形成合佥系“3 。其中，变形镁舍金有m g - a i 系、 m g - z n 系、m g - m n 系、m g - r e 系、m g - t h 系、m g l i 系等。按热处理的强化效 果可分为可热处理强化和不可热处理强化镁合金。又可分为；m g - m n 系、m g - a l - z n 系、m g z n - z r 系、m g - l i 系、m g - t h 系、m g - m n - r e 系、m g - z n z r r e 系、m g a 1 - r e 系、m g z n r e 系、m g r e 系。 m g m n 系舍盒有莨好的| | 5 于蚀往锈和最好的焊接髓，但其强度不高，o r 0 2 为 1 4 0 - 2 0 0 m p a ，a b 为2 4 0 2 8 0 m p a ，可加工成板材、型材和锻件，用来制作承力不大 豹零件。 m g a 1 z n 系变形镁合金的主要特点是强度高，能够进行熟处理强化，并且有 良好的铸造朔加工性能，但澍蚀性和耐热性较差，虽与，相差很大，约 1 0 0 m p a ，该合金可加工成板材、管材、型材和锻件，用来制作承力较大的零件。 m g - z n 。z r 系舍盒具有离的强度、嶷好的塑性及耐蚀性，是嗣前应用最多的变 形镁合金之一，如z k 6 0 合金的c r o ，为2 5 0 3 0 0m p a ，吼为3 0 0 + 3 5 0 m p a ，蕨c r o2 与 盯。相差不大，约为5 0 m p a ，冲击值为5 m p a ，玎1 n 1 2 ，属于高强变形镁合金，可加工成 扳率雩、管材、型材和锻件，嗣来制作承受较大载荷的零件。在该合金系基础上加 入稀土后，力学性能极大提高，如m g z n 5 z r n d 2 y 1 5 合金吼：为3 8 0 m p a 、o - b 为 4 0 0 氛仔a 、延伟率为9 。 3 上海交避大学博士学位论文第一章文献综述 m g m n 、m g - a 1 一z n 及m g z n z r 系合金的共同缺点是：高温性能较麓，工 作温度般不能超过1 5 0 。遂三个变形镁合金系加入稀士后由于生成镁稀士强 化相和耐热相，能够满足高温使用要求。搬入稀土形成的m g m n r e 、 m g z n - z r - r e 、m g - a i r e 合金就是常见的耐热镁合金。 m g t h 系合金是一种高温下应用的合金，工作温度在3 0 0 - 4 0 0 0 ，主要用作 兢空结构传。该合金系可以热处理强纯，习溺子铸造生产，也可叛交形蕊王，有 较好的工艺性能和抗蚀性能。缺点是室温强度低，生产工艺比较复杂。 m g l i 系会金是辍合金材料中最轻的一种，比重比一般镁合愈小1 5 2 5 ， 而比强度比常用镁合金高，并有良好的冷热变形能力，是发展高强和超轻合金的 一个重要合金系。冷变形率可达5 0 以上，韧性好，焊接性好。在共晶成分附近 兵有良好的加工性能和怒塑性。最典型韵m g 1 4 l i 1 a 1 的l a t 4 i a 合金以8 体心立方为基体，其密度为1 3 5 9 ，c m 3 ，铸态吼为1 3 0 m p a ，c r 0 ，为1 0 3 m p a ，延伸 率为1 2 ，杨瑟模量4 2 7 g p a 。m g l i 系台金一般加工成教材，用来镧作飞橇零件 【l ，1 5 。1 6 ) 1 。1 。4 变形镁台余的应用现状 镁合金的发袋大致经历了下列几个时期：2 0 黩纪2 0 年代到5 0 年代是镁台金 发展的最快的时期，并在3 0 年代宋期和5 0 年代达到高峰，飞行器和汽车的兴起及 对轻重量熬要求暑经馒镁合金在汽车及航空航天土的瘟焉达至g 穗当规模；之焉，壶 于工程靼料的出现和广泛应用，减缓了镁合金的发腿，直到7 0 年代初，以减轻车重， 降低油耗，节约能源为方向的汽车工业又开始重新采用镁舍金来制造汽车部件；特 别是9 0 年代以来，由于环保的要求，镁合企在汽车上的应用迅速增加，在一定领域 已经可以代替黧料图1 2 表明了镁合金的应用领域。根据加工方式的不同，镁合 金可分为铸造镁合金和变形镁合众。传统的铸造工艺比较成熟，近年来铸造新技 术不但出现如压力铸造( d i e c a s f i n g ) “l s - 2 0 j 半固态成形( s e m i s o l i df o r m i n g ) “。嘲以及t h i x o m o l d i n g 等新技零也被成功应用于镁合金，毽与交形镁台金援毙， 其力学性能存在一定的不足。通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及 锻造产品。它们具有更高的强度更好的延展性，更多样的力学性能。图i - 3 是变 形镁合金与砂型、压铸镁合金性能比较。可见变形镁台金囊有更大的优势3 。 在航空航天领域，镁合金内于密度小、刚性好、强韧性好且能够有效减轻 重量，缀旱就应用于航空航天工波，特别是m g - l i 合金，爨有很高的强度、镯往 和塑性，是航空航天领域最有前途的材料。如座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、 酗蒙疫、壹升机上极匣等焉m g - l i 合金制作。 在汽车工业中，变形镁合金板材可用热冲压成型方法来制做车身零件，用 热锻和热冲压成型工艺生产汽车f 蔑盘等承载件。在汽车上使用镁合金零件可以降 4 上海交通犬学博士学位论文第一章文献综述 低汽车起动和行驶惯性，提高加速和减速性能，减少行驶过程中的振动以及减少 濑耗等。 在自行车行业，由于镁合金重量轻，比强度高，耐冲击，阻尼性好，制造的 自行车轻便、快速。阁镁合金制作自行车车架仪重1 a k g ，整车重4 k g 。嗣前美圈 已开发出符合a s t m b l0 7 规范要求的镁含金管件和槔材，成车有镁合金登山车和 折叠车，零件有曲柄、竖管、座管、夹嚣、车圈和车架附件。 镁合金在3 c 产业中的应用，使得这类产品轻便、美鼹、传热好和防电磁羼 蔽的能力强，具有环保及健康等优点。如笔记本电脑、移动电话外壳等o ”2 。 图1 - 2 金属镁的主要廊用领域 f i g i - 2c o n s u m p t i o no f m a g n e s i u m 圈1 - 3 变形镁台金与砂型、压铸镁合众性能 f i g 1 - 3t e n s i l ep r o p e r t i e so f m a g n e s i u ma l l o y s p r o d u c e dt h r o u g hd i f f e r e n tm e t h o d s 1 。2 镁及镁台金高温塑性变形行为及成型技术研究现状 镁及镁合金高温塑