（材料物理与化学专业论文）普通凝固zk60镁合金往复挤压组织与性能研究.pdf

摘要 论文题目：普通凝固z k 6 0 镁合金往复挤压组织与性能研究 学科专业：材料物理与化学 研究生：姜婷 指导教师：郭学锋教授 摘要 签名：薹盛 签号盘盼 z k 6 0 镁合金作为目前商用变形镁合金中强度最高者，提高塑性对扩大其应用至关重 要。本论文采用往复挤压和热处理，改善合金组织，优化性能。首先对普通凝固z k 6 0 镁 合金进行了不同工艺往复挤压，研究往复挤压前后z k 6 0 镁台金的组织和性能；然后对往 复挤压合金进行热处理，分析热处理对合金组织和性能的影响。实验使用光镜( o m ) 、透 射电镜( t e m ) 、扫描电镜( s e m ) 、x 射线衍射( x r d ) 、差热分析( d t a ) 、拉伸实验、硬度测 试和热机械分析f r m a ) 等方法观察显微组织，测试性能。经分析得到如下结论： ( 1 ) 往复挤压能够有教细化z k 6 0 镁合金组织，降低熔点，并使组织均匀、强化相弥 散分布。随往复挤压温度增加，晶粒先细化，后长大，析出相增加。3 3 5 * ( 2 是理想的往复 挤压温度，组织均匀细小，综合性能优良。往复挤压道次的增加有利于晶粒的细化和强化 相的析出。r e 4 e x z k 6 0 c t 镁合金晶粒约为6 p j a 的均匀等轴晶，析出相细小、均匀、 弥散分布。r e - n e x z k 6 0 c t 镁合金的最大特点是高塑性，r e 2 e x z k 6 0 c t 的伸长率 最高，为1 7 9 3 。 ( 2 ) r e - n - e x z k 6 0 一c t 镁合金合理的热处理工艺为1 2 0 x 1 2 h 的人工时效( t 5 ) 处理和 3 3 0 1 2 h 的完全退火( o ) 处理。在1 2 0 x 1 2 h 的t 5 处理后，r e 1 1 e x z k 6 0 - c t ( n 依次 为2 、4 和8 ) 镁合金的硬度分别为9 0 7 6 k g f m m 、8 2 5 8 k g f - m m 。2 和8 4 2 k g f - m m 。热处 理能够显著提高往复挤压z k 6 0 镁合金伸长率，r e 2 一e x - z k 6 0 一c t 镁合金经t 5 和o 处理 后，伸长率为2 4 8 7 。 f 3 ) 小模具往复挤压对z k 6 0 镁合金组织的细化更加显著，晶粒尺寸大约为 1 5 i _ t m - 5 p m 。经1 2 0 x 1 5 h 人工时效后，合金的伸长率高达4 0 ，强度与大模具往复挤 压合金人工时效后相当。r e - n - e x z k 6 0 一c t 镁合金的细化机制为动态再结晶细化和粒子 细化；动态再结晶形成机制以连续动态再结晶为主；变形机制以位错运动、晶界滑移和扩 散蠕变为主。 关键词：z k 6 0 镁合金；往复挤压；组织；力学性能；热性能 说明：本研究得到国家自然科学基金( 5 0 2 7 1 0 5 4 1 ；陕西省自然科学研究计划项目 但0 0 2 e 1 1 0 ) ；教育部留学回国人员科研启动基金的资助。 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：m i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e s0 fr e c i p r o c a t i n g e x t r u d e dz k 6 0a l l o y m a j o r ：p h y s i c sa n dc h e m i s t r yo fm a t e r i a l s n a m e ：t i n g 、j i a n gs i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f 。x u e f e n gg u o a b s t r a c t 甑l 硷 t h ec o m m e r c i a lz k 6 0m a g n e s i u ma l l o yh a st h eh i g h e s ts t r e n g t h i n c r e a s i n gi t sp l a s t i c i t y i sv e r ys i g n i f i c a n tf o re n l a r g e di t sa p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h em i c r o s t m c t u r e sw e r ei m p r o v e d b yr e c i p r o c a t i n ge x t r u s i o n ( m s ) a n dh e a tt r e a t m e n t ，w h i l et h ep r o p e r t i e sw e r eo p t i m i z e d f i r s t l y , z k 6 0m a g n e s i u m a l l o yw a sp r e p a r e db yr e c i p r o c a t i n g e x t r u s i o no nd i f f e r e n tp r o c e s s e s ， m i c r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e s b e f o r ea n da f t e re x t r u s i o nw e r es t u d i e d t h e n r e - n - e x - z k 6 0 - c tm a g n e s i u ma l l o y sw e r eh e a t t r e a t e d ，t h ee f f e c t so fh e a tt r e a t m e n to nt h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e d o m ，s e m ，t e m ，x r d ，d t a , t e n s i l et e s t s ， h a r d n e s st e s t sa n dt m aw e r eu s e dt oo b s e r v em i c r o s t r u c t u r e sa n de v a l u a t ep r o p e r t i e s ， r e s p e c t i v e l y t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e c i p r o c a t i n ge x t r u s i o nc a nr e f i n et h em i c r o s t r u c t u r e so fz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y s e f f e c t i v e l y , a n dd e c r e a s em e l t i n gp o i n ti ns o m ed e g r e e ，a n dm i c r o s t m c t u r e sw e r eu n i f o r m i t y , a n dr e i n f o r c e m e n tp h a s e sa r ed i s p e r s e d w i t ht h ei n c r e a s eo fe x t r u s i o nt e m p e r a t u r e s ，g r a i n s w e r ef i n e d ，a n dt h e ng r o w nu p ，p r e c i p i t a t e dp h a s e sf r a c t i o nw a si n c r e a s e d 3 3 5 。cw a st h ei d e a l e x t r u s i o nt e m p e r a t u r e ，t h em i c r o s t r u c t u r e sw e r ef i n ea n du n i f o r m ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e t h eb e s tp r o c e s s e da tt h i st e m p e r a t u r e w i t ht h ei n c r e a s eo fe x t r u s i o np a s s e s ，g r a i n sw e r e r e f i n e m e n ta n dr e i n f o r c e m e n tp h a s e sw e r ep r e c i p i t a t e d f o rr e 4 e x - z k 6 0 - c tm a g n e s i u m a l l o y , g r a i n sw e r ea b o u t6 t m ae q u i a x e dg r a i n ，p r e c i p i t a t e sw e r ef i n e ，u n i f o r m t h em o s tf e a t u r e o fr e n e x z k 6 0 - c t m a g n e s i u ma l l o y s i si t s h i g hp l a s t i c i t y , t h ee l o n g a t i o n o f r e 一2 一e x - z k 6 0 一c tm a g n e s i u ma l l o yi st h eh i g h e s t ，a b o u t1 7 9 3 ( 2 ) t h er e a s o n a b l eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e sw e r e1 2 0 * c x l 2 ha r t i f i c i a la g i n gf r 5 ) a n d 3 3 0 * c x l 2 hc o m p l e t ea n n e a l i n g ( o ) a f t e r1 2 09 c x l 2 ha r t i f i c i a la g i n g ，t h eh a r d n e s so f r e - n - e x z k 6 0 一c t ( na r e2 ，4a n d8 ，r e s p e c t i v e l y ) m a g n e s i u ma l l o y sw e r e9 0 7 6 h v 5 ，8 2 5 8 h v 5 a n d8 4 2 h v 5 ，r e s p e c t i v e l y h e a tt r e a t m e n tc a nd r a m a t i ci n c r e a s et h ee l o n g a t i o n so ft h er e ! ! ! ! ! ! ! ! z k 6 0m a g n e s i u ma l l o y , t h ee l o n g a t i o no fr e 一2 一e x z k 6 0 一c tm a g n e s i u ma l l o yw a s2 4 8 7 a f t e rt 5a n doh e a tt r e a t m e n t s 0 1a f t e rr e c i p r o c a t i o ne x t r u d e db ys m a l lm o u l d ，t h er e f i n e m e n t so fm i c r o s t m c t u r e sw e r e o b v i o u s g r a i ns i z e sw e r e1 5 1 u n 5 岫a f t e r1 2 0 。cx 1 5 ha r t i f i c i a la g i n g ，t h ee l o n g a t i o no f a l l o y sw a s4 0 ，t h es t r e n g t h sw e r ee q u i v a l e n c et ot h a ta f t e rr ea n dt 5f r o mb i gm o u l d t h e r e f i n em e c h a n i co fr e n - e x - z k 6 0 一c tm a g n e s i u ma l l o y sw a sd r xr e f i n i n g a n dp a r t i d e r e f i n i n g ；t h ef o r m e dm e c h a n i co fd r x w a sm a i no fc o n t i n u o u sd r x ；t h em o s t l yd e f o r m e d m e c h a n i cw a sd i s l o c a t i o nm o v i n g ，g r a i nb o u n d a r ys l i d i n ga n dd i f f u s i o nc r e e p i n g k e y w o r d s ：z k 6 0m a g n e s i u ma l l o y ；r e c i p r o c a t i n ge x t r u s i o n ( r e ) ；m i c r o s t r u c t u r e ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；t h e r m a lb e h a v i o r a c k n o w l e d g e m e n t ：t h i sw o r kw a sf i n a n c i a l l ys u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 2 7 1 0 5 4 ) ；n a t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c to fs h a a n x ip r o v i n c ei n c h i n a ( 2 0 0 2 e 1 1 0 ) ；t h es c i e n t i f i cr e s e a r c hf o u n d a t i o nf o rt h er e t u r n e d o v e r s e a sc h i n e s e s c h o l a r s ，s t a t ee d u c a t i o nm i n i s t r yo fc h i n a m 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：壶叠傅3 月j 鲴 学位论文使用授权声明 本人姜立在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括讨登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 敝储张：越铷鹤潲 妒啼 1 前言 1 前言 进入2 1 世纪，资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题。随着金属材料消耗量 的急剧上升和科学技术的飞速发展，大规模生产工艺的出现和广泛使用，使地球表壳的 资源日趋贫化。为了适应制造业和高技术发展的需要，在大力发展与电子信息产业相关 的半导体、磁性材料、储氢合金、锂离子二次电池材料、形状记忆合金、高温超导、传 感器、智能材料及生物工程材料的同时，正在全力以赴、不遗余力地为提高有色金属产 品的种类、质量、性能而进行大量的研究。镁作为一种轻质工程材料，其潜力尚未充 分挖掘出来，开发利用技术远不如钢铁、铜、铝等成熟t 2 。镁合金是结构材料中密度最 小的，并具有良好的生物兼容性、最高的比强度和比刚度、优异的工艺性能、较好的耐 腐蚀性能、良好的导热、减振及电磁屏蔽性，被认为是制备电器产品壳体、运输工具和 航天飞行器等零部件最具前途的材料，4 l 。 1 1 镁合金 镁是地壳中含量较多的元素之一，按含量排序为第八，占地壳质量的2 1 。镁在地 壳中分布较广，主要以碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、卤化物和氢氧化物等形式存在。镁是 银白色金属，具有良好的导热性、导电性、机械性能，能够铸造、轧制和机加工，能够 制造出薄壁零部件、且铸件表面平整光滑，适于高速切削，易于精整加工，焊接性能良 好，可以制造多种零部件，是最轻的结构材料t 5 j 。 镁可以通过合金化的方法来改善组织，提高性能。根据合金化原理，明确各种元素 在镁中产生的作用，针对不同的需要对镁合金添加适当的微量合金元素，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理，从而达到细化晶粒，调整 组织，提高和改善镁合金性能的目的瞄1 。如舢、z n 、l i 、z r 和c a 等元素在镁中有较大 的极限固溶度，而且随温度下降，固溶度减小并生成弥散沉淀相。根据沉淀强化原理， 这些元素能够提高镁合金的强度1 9 l 。而有些表面活性元素，可以减小粗大相的形成，起 到细化晶粒的作用，甚至可以生成弥散相阻碍晶界的滑移。z r 元素在镁合金中就是一种 最有效的晶粒细化剂。同时资料n 显示：通过在m g z n 合金中添加适量的c a ，在晶界 形成c a 2 m 9 6 z n 3 相，钉扎晶界细化晶粒，改善镁合金的室温力学性能。在镁合金中添加 稀土元素( r e ) 能够显著提高镁合金的耐热性，细化晶粒，减少显微疏松和热裂倾向，改善 铸造性能、焊接性能、高温抗拉和蠕变性能。常用的稀土元素有y 、c e 、n d 和l a 等 3 1 。 对镁合金性能的改善除了合金化之外，还有其它一些行之有效的方法。如：许光明 等人“”在镁合金的凝固过程中，通过施加低频交变电磁场或静态磁场影响合金元素在晶 粒内和晶界的分布，细化晶粒，并且使晶界的网状共晶组织变得不连续，提高了镁合金 的成形性能和综合性能。 镁合金性能的改善和提高，促进了镁合金的应用和发展n 2 1 3 1 。例如，在纺织和印刷 设备中，镁合金可以减轻高速运转零件的重量，以便减少惯性力。在物资运输设备方面， 西安理工大学硕士学位论文 镁合金可用于码头板、谷物铲、重力输送机，以减轻重量。汽车工业中用于制造轮毂、 方向盘、表盘、座椅框架、发动机箱体、驾驶杆等，以减轻重量，节省能耗，汽车行业 的催化作用，推动了镁合金的开发研究，同时也大大降低了使用成本，并推动了镁合金 在计算机、通讯、家电等其它领域的广泛应用。用镁合金制成的笔记本电脑、手机等电 子产品外壳，不仅外观优美，更有壁薄、微型、电磁屏蔽、散热、环保等优点。 1 1 1 变形镁合金 大多数镁合金具有密排六方饵c p ) 结构，一般认为镁合金属于难塑性加工，成形性 差的金属材料。由于大多数镁合金同时具有较好的铸造性能，因此，目前镁合金产品 以铸件为主，特别是压铸件居多。然而，铸件的力学性能不够理想，易产生组织缺陷， 导致镁合金应用受到限制t 1 4 。研究表明t l $ l 变形镁合金的力学性能明显优于铸造镁 合金。尽管镁的密排六方结构特征使镁合金变形材料的制备具有很大困难，但其优异 的性能以及在不同领域中特殊的用途，使其成为镁合金材料研究与开发领域中不可或 缺的重要组成部分。 变形镁合金的力学性能与加工工艺、热处理状态等有很大的关系，尤其是加工温 度会导致材料的力学性能在很宽的范围内变化。在4 0 0 以上挤压，挤压合金已发生再 结晶。在3 0 0 进行温挤压，材料内部保留了许多温加工的显微组织特征，如高密度位 错或孪生组织。在再结晶温度以下挤压可使挤压制品获得更好的力学性能1 3 , 5 1 。变形镁 合金材料的生产主要通过挤压、轧制、锻造等工艺实现。变形镁合金产品具有两个特 殊性质n 酣；其一，变形时镁的弹性模量择优取向不敏感，因此在不同变形方向上，弹 性模量的变化不明显：其二，变形镁合金压缩屈服强度低于其拉伸屈服强度，魄：啦 _ 0 5 - 0 7 ，因此在涉及到如弯曲等不均匀塑性变形情况下时应特别注意。 在变形镁合金中，常用的变形镁合金系是以m g a 1 z n 系与m g z n z r 系两大类为 主。m g a 1 z n 系变形镁合金的主要特点n 7 1 是强度高，能够进行热处理强化，并具有 良好的铸造和加工性能，但耐蚀性和耐热性较差，且抗拉强度和屈服强度相差很大， 约1 0 0 m p a ，常用于制作承力较大的零件。m g z n z r 系合金一般属于高强度变形镁合 金，常采用挤压、轧制、锻造等工艺生产，典型合金为z k 6 0 镁合金。 1 1 2z k 6 0 镁合金 z k 6 0 镁合金是m g z n z r 系合金中最具代表性的合金，其合金主要成分为 5 0 - 6 0 w t z n ，0 3 - 0 9 w t z r ，余量为m g 。z n 作为合金的主要元素，在镁合金中的极 限溶解度约为6 2 ，其溶解度随温度的降低而显著减小。z i l 可提高镁合金强度，增加熔 体流动性，有形成显微疏松倾向，是弱的晶粒细化剂，有沉淀硬化作用，对腐蚀性能影 响较小。但当z n 含量大于3 时，有产生疏松和高温脆性的倾向。因此，m g - z n 合金的 迸一步发展，需要寻找第三种合金元素来细化晶粒，减少显微疏松的产生倾向。z r 在镁 合金中的极限溶解度为3 8 ，是高熔点金属，其熔点为1 8 8 5 。z f 与m g 具有相同的晶 2 1 前言 体结构1 1 8 1 m g - z r 合金在凝固时，能够析出m z r ，作为结晶时的非自发形核核心，细化 晶粒1 6 1 。在镁合金中加入0 5 - - 0 8 的z r ，其细化效果最佳。z r 可减少热裂倾向，提高 力学性能和耐蚀性，降低应力腐蚀敏感性。z r 与s i 、砧和m n 不相容，可从熔体中清除 f c 、a l 和s i 等杂质，改善室温抗拉性能。 根据m g - z n 二元相图( 如图1 - 1 ) 可知， 在平衡结晶时，当温度降低到3 4 0 时发生 共晶反应l - - - _ a - m g + m g t z n 3 。m g t z n 3 相属 于介稳定相，在随后冷却过程中，当温度降。 到3 2 5 c 时m 9 7 z n 3 分解为a - m g 和m g z n 。 墨 也有文章报道m g t z n 3 ( m 9 5 l z n 2 0 ) 在鼍 3 1 5 一3 1 7 之间要发生分解，分解产物为暑 薄片状m g z n 相，颗粒状的m g z n 2 相和a - m g 玺 楣。m g z n 相在分解前期形成，而m g z n 2 蓉 相和a - m g 相在分解后期形成n 。 从图1 2 的m g z r 二元相图可知， m g z r 二元系为包晶反应，z r 在液态镁中的 溶解度很小( 0 6 w t ) ，合金凝固时z r 首先 以a - z r 质点的形式析出，在6 5 4 时发生包 晶反应：n 僻z r _ m g ，a - m g 包覆在a - z r 质点的外部形成包晶组织。由于a - z r 和 a - m g 均为密排六方晶体结构，晶格常数很 接近( a m g = o 3 2 0 n m ，c m g = o 5 2 0 n m ； a z , - - 0 。3 2 3 n m ，c z t = 0 5 1 4 n m ) ，结构尺寸匹配， 因此a - z r 可成为a - m g 的结晶核心嘞，从 而细化晶粒。 许多科研工作者对z k 6 0 镁合金的显微 组织已进行了大量研究，但至今仍没有一个 统一的说法。由于没有m g - z n z r 三元合金 相图，故对z k 6 0 镁合金组织的研究只能依 靠m g - z n 、m g - z r 、z n - z r 二元合金相图进 行分析，主要是通过对m g z n 相图的分析来 确定相组成。有人认为z k 6 0 镁合金中仅包 含薄片状的m g z n 相，颗粒状的m g z n 2 相和 w e i g h tp e r c e n tz n a t o m i c p e r c e n tz n 图1 1m g - z n - t _ - - 元相图 f i g 1 1m g - z np h a s ed i a g r a m 图1 - 2 m g - z r 二元相图 f i g 1 2m g - z rp h a s ed i a g r a m a - m g 相：也有人认为合金中除了以上合金相外，还存在m 9 2 z n 3 亚稳相，四方结构的z n 2 z r 3 相和z n z r 2 相；在z k 6 0 镁合金挤压件中存在z n z r 2 相和z r h 2 1 9 1 。同时对普通凝固z k 6 0 3 西安理工大学硕士学位论文 镁合金中富z n 相的种类，时效硬化效果的诱因以及合金元素z r 对合金相的影响作用均 不确定，热处理后合金相的形态和种类发生了不同程度的变化陀。 z k 6 0 镁合金之所以受到人们的青睐，主要因为它在商用镁合金中强度最高，而镁合 金比重小，因此z k 6 0 镁合金几乎是所有材料中比强度最高的。z k 6 0 镁合金人工时效态i f 5 ) 的室温力学性能见表1 1 2 2 1 。 表1 1z k 6 0 镁合金人工时效f r 5 ) 的室温力学性能 t a b 1 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fz k 6 0m a g n e s i u ma h o yt 5a tr o o mt e m p e r a t u r e 注t 选自镁合金成形加工技术 许多研究者路蕊1 采用合金化来改善合金强度和塑性。主要是因为合金元素的加入能 够有效细化组织，形成细小强化相，改善综合性能。 与铝合金相比，晶粒细化对镁合金强度和塑性的改善效果更加明显。晶粒细化不仅 能提高镁合金的强度和韧性，而且会产生低温高应变速率超塑性。根据h a l l p e t c h 公式： 仃，一吼+ 缸f 叫2 ，式中口。为材料的屈服强度，为对应材料的单晶体屈服极限，置为为 表征晶界对材料屈服强度影响程度的系数，d 为晶粒直径。研究表明3 1 ，常用镁合金的k 值为2 8 0 3 2 0 m p a ( p t m ) 忱，而铝的k 值仅为6 8 m p a ( p m ) 1 ，2 。可见晶粒细化对镁合金力学性 能提高的潜力远远大于铝合金，因此晶粒细化技术在镁合金中的应用能够大幅改善力学 性能，应受到重视和应用。 当晶粒细化到一定程度时，能够促进多晶镁合金的脆性延性转变。纯镁的晶粒尺寸 细化到8 1 a m 以下时，其延性转变温度可降至室温。若采用适当合金化及快速凝固工艺细 化到l l m a 时，甚至在室温下镁合金亦具有超塑性，其延伸率超过1 0 0 0 1 1 6 1 , 因此研究镁 合金晶粒细化，可以调整材料的组织结构性能，获得变形性能优良的材料。 目前镁合金超塑性研究，同样对镁合金的扩大应用和技术提高具有重要作用。文献 记载对超塑性的研究主要集中在超塑性变形机理啪1 、超塑性能力馏2 9 1 和超塑性变形中 的应力应变啪上。马洪涛等人啪1 通过对热挤压态m b 2 6 镁合金超塑性变形过程中显微 组织进行观察与分析，证实该合金的超塑性变形机制是以位错运动和扩散蠕变协调作用 的晶界滑移为主的变形机制。h i r o y u k iw a t a n a b e 等人啷1 对z k 6 0 镁合金进行等径角挤压后， 表现出低温超塑性，当变形温度为2 0 0 ，应变速率e = l x l o - s s - 1 时，超塑性伸长率可达到 1 0 8 3 。丁水等人3 研究表明；轧制态z k 6 0 镁合金超塑性变形的最佳变形温度3 4 0 c 。 应变速率= 5 5 6 x 1 0 - 。1 时，获得应变速率敏感指数m 值为0 5 1 ，伸长率硝4 1 5 ，此时 流动应力。仅为1 1 m p a 。 目前对于z k 6 0 镁合金普通凝固和热挤压组织与性能的研究在不断增加，但是仍存在 4 1 前言 争议。同时对其塑性变形能力的研究主要集中在超塑性方面，而对室温塑性变形能力的 研究较少。因此需要对z k 6 0 镁合金室温塑性变形能力进行深入、全面的探索。 1 2 镁合金的塑性变形 塑性是金属材料的重要力学性能指标之一，它决定材料，零件和构件的塑性成形性 能和使用性能。金属塑性变形的主要优点有3 1 皿1 ： ( 1 ) 金属材料经过相应的塑性加工后，其组织、性能都能得到改善和提高，特别是铸 态，效果更为显著。 ( 2 ) 金属塑性成形是金属在固体状态下体积的转移过程，是一种无屑成形方法。因而 可以获得合理的流线分稚和较高的材料利用率。 ( 3 ) 利用塑性成形方法得到的工件，可以达到较高的精度。 ( 4 ) 塑性成形方法有很高的生产效率。 镁合金在室温下塑性很低，伸长率只有4 一5 。挤压加工是理想的成形方法，轧制 加工则比较困难。挤压工艺较适用于低塑性材料的成形加工。 多晶材料由于相邻晶粒的取向不同，晶粒之间存在晶界，因此多晶体的塑性变形具 有以下特点”： ( 1 ) 在承受一定外力时，作用于不同晶粒上不同方向的分切应力是不相同的，各晶粒 在变形过程中存在不均匀性和不等时性。然而通过晶粒的转动，可使晶粒之间的变形得 到协调。 ( 由于晶界处原子排列不规则、点阵畸变大，容易吸附各种杂质元素，晶界对位错 运动具有阻碍作用，塑性变形时，易在晶界前沿出现位错塞积。通过晶粒细化，可使位 错滑移程和位错塞积群长度缩短，减少晶界附近的应力集中。 1 2 1 镁合金的塑性变形机制 纯镁的晶体结构为h c p ( 图1 3 所示) ，咖= 1 6 2 3 6 ，与理论值1 6 3 3 十分接近。由 于晶体发生塑性变形时，滑移面总是原子排列的最密排面，而滑移方向总是原予排列的 最密排方向。在低温下，h c p 晶体结构材料的变形特点是晶体学滑移和变形孪生同时发 生。镁合金在低于2 2 5 时仅限于基面 o 0 0 1 滑移及锥面 1 0 i 2 孪生t 1 6 1 。 两种无弹性变形机制的相互作用强烈地影响着材料最终的机械性能。由于剪切不同于晶 体学滑移，传统的滑移是在一个滑移面上沿着一个滑移方向发生；与孪生相联系的剪切 在本质上是一种极化。这与多晶h c p 金属的大量初始织构在机械性能上的反应有着重要 的相承关系。 在各种变形机制中，镁合金的滑移、交滑移和孪生均属晶粒内部变形机制。在多晶 镁合金中应该同时考虑晶界在塑性变形过程中的作用。晶界结构的特殊性导致在其附近 容易发生位错攀移及原子扩散等活动，并吸收滑移至晶界的位错。因此塑性变形机制主 要分为晶粒内部和晶粒之间。实际加工材料时也存在不同的情况，室温下以位错滑移机 5 西安理工大学硕士学位论文 制为主，而高温下则是扩散蠕变机制 3 4 1 。 f 又o 。 、 、 ，。 了 l a y e r i 删霄 岍 埘m( t i 图1 - 3 金属镁的晶体结构 f i g 1 - 3u n i tc e l lc r y s t a lo fm a g n e s i u m ( a ) - a t o m i cp o s i t i o n s ；( b ) - b a s a lp l a n e ，af a c ep l a n ea n dp r i n c i p a lp l a n eo f 【1 21 0 z o n e ； ( c ) - p r i n c i p a lp l a n e so f a i 0 0 z o n e $ ( d ) - p r i n c i p a l d i r e c t i o n s 注：选自变形镁合金的研究，开发及应用) a 晶粒内部的变形机制 金属材料的塑性变形主要通过位错运动来实现，表现为滑移和孪生。一般来说，滑 移只能沿一定的滑移面和滑移方向发生，滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列 最紧密的晶面和晶向。在其他条件相同时，滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取 向就越多，位错不容易产生塞积，塑性越好。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分 发生均匀切变的过程。孪生的形成方式主要有两种：一种是通过晶体长大过程的形核和 核心长大而形成，一般为退火孪晶和相变孪晶：另一种是通过塑性变形而形成，称之为 变形孪晶。大部分情况下，孪生的形成都伴随着滑移的进行。孪生变形能够改变晶体的 位向，使晶体易于继续滑移；而晶体滑移变形在晶界等障碍物前易形成塞积，产生较高 的应力集中，或晶体处于不利于滑移的条件下时能促使孪晶生成。 在h c p 单晶体中，易实现的晶体学滑移方向是三个 方向和 密排方向。低温 下的三个包含滑移方向的主要滑移面是 0 0 0 l 基面、三个 1 0 1 0 棱面和六个 1 0 1 1 锥面。 在h c p 单晶体中，晶体学滑移一般发生在基面和棱面滑移系中。因为相邻晶粒之间存在取 向差，在多晶体中锥面滑移系的激活发生在大应力产生的晶界区，所有易发生的 滑移方向均与c 轴正交，因此以上列出的该系滑移不会在平行于c 轴方向产生任何地延伸和 缩短。为了供应c 方向上的应变，具有 滑移孪生方向的滑移和孪生必须开动。在 低温下变形孪晶是主要的机制，它允许在c 轴方向上发生非弹性形状变化”1 。 b 晶粒之间的变形机制 在多晶合金中，非弹性变形来源于变形晶粒内的滑移和孪生，就像其他的晶粒内变 形模式一样，它所显示的与相邻晶粒相关的滑移和分离现象变的非常重要。非弹性变形 最重要的晶问变形机制是晶粒之间的相互滑动和转动。多晶体受力变形时，沿晶界处可 能产生切应力，当该切应力足以克服晶粒彼此间相对滑移的阻力时，便发生相对滑动。 6 1 前言 其次，由于各晶粒所处位向不同，其变形情况及难易程度亦不相同。这样在相邻晶粒之 间必然引起力的相互作用，而造成品粒间的相互转动3 ”。镁合金最重要的晶间变形机制 是相邻晶粒之间的相对滑动即晶界滑移( g r a i nb o u n d a r ys l i d i n g ，g b s ) 机制。g b s 的主要 特征为：即使在很大的应变下，晶粒也不会被拉长，而是保持等轴状：变形样品表面微 观形貌呈现凹凸不平的台阶；晶界取向差分布不会发生明显变化等。 c 其他变形机制3 7 3 9 1 材料在不同温度下，变形机制是不同的。对于金属材料的塑性变形，除了以上晶粒 内部变形和晶粒之间变形外，还有ag a l i y c v 的控制机制、不对称变向、扩散塑性变形机 制等。 丸g a l i y e v 的研究表明：横向滑移和高温攀移是变形镁合金大塑性变形的控制机制。 换句话说，位错的横向滑移和攀移在塑性变形过程的动态回复阶段很重要。连续的动态 再结晶发生在横向滑移控制塑性变形速率的区域。当高温攀移控制塑性变形速率时，变 形镁合金中发生传统的动态再结晶。低温动态再结晶发生在指数性的蠕变区，能够发现 基面滑移，孪生和局部的f r i e d e l e s c a i g 横向滑移。 在塑性变形中，孪生变形点阵的再取向是有规律的，变形晶体与未变形晶体以孪生 面为对称面。当变形条件既不利于滑移又不利于孪生时，晶体点阵则以非对称的方向变 形，称为不对称变向。变形部分对未变形部分的取向是无规律的，并不成对称关系。常 以扭折带和形变带的形式出现。扭折带的形成对塑性变形有协调和促进作用；形变带是 在变形晶体的某些微区中，其点阵相对原来点阵发生转动而形成的。 当金属在高温塑性变形时，扩散起着双重作用。一是极大的影响剪切塑性变形机制： 二是能够独立产生塑性流动。扩散塑性变形主要通过扩散位错( 也称扩散蠕变) 机制、 溶质原子定向溶解、定向空位流动来实现的。主要是原子非同步地、非连续地在应力场 和热激活的作用下，发生定向迁移的过程。大量原子的定向迁移将会引起宏观的塑性变 形，其切应力取决于变形速度和静水压力。由于晶界的原子排列很不规则，畸变严重， 塑性变形在多晶体的晶界进行的更为激烈。 各种交形机制往往不是单独进行的，而是相互联合发生作用。特别是在复杂受力条 件下的多晶体中，由于变形的不均匀性和不协调性，各晶粒内部的应力相当复杂，容易 引起多种变形机制的同时出现。 1 2 2 镁合金的塑性变形方式 晶粒细化作为提高镁合金综合性能和改善镁合金成形性的重要手段，目前已受到人 们的重视。晶粒细化对镁合金性能的影响主要体现在以下方面加1 ； ( 1 ) 镁合金为h c p 晶体结构金属，室温下只有三个独立的滑移系，塑性变形能力较 差，晶粒大小对其力学性能的影响，比体心立方( b c c ) 或面心立方( f c c ) 晶体结构合金更 为显著，而细小的晶粒则有助于提高合金的力学性能和塑性变形能力。 ( 2 ) 镁合金结晶温度范围宽、热导率较低、体收缩较大，晶粒粗化倾向严重，并且在 7 西安理工大学硕士学位论文 凝固过程中易产生疏松、热裂等铸造缺陷，而细小的晶粒则有助于减少热裂和疏松，从 而使合金性能提高。 ( 3 ) 细小晶粒有助于缩短镁合金组织中晶界上的合金相在热处理时的固溶和扩散距 离，从而使合金的热处理效率得到提高。此外，细小晶粒还有助于改善镁合金的耐腐蚀 性能和加工性能。 由于铸造法生产的镁合金晶粒不够细小，存在成分偏析，不能从根本上解决加工脆 性和耐腐蚀性差问题，难以制备出性能优良的镁合金。人们试图通过改变镁合金晶体结 构来克服其脆性，然而所添加的合金元素却降低了c a 值，同时固溶强化效果不显著，加 工硬化效应低，抗蚀性差，难于工业化应用。塑性变形不但可以改变金属材料的外形和 尺寸，而且能够使金属材料内部组织和各种性能发生变化，在形变的同时，伴随着性能 的改善。塑性变形是强化镁合金的主要手段之一。大量研究表明：除非采用大变形使晶 粒充分细化，以降低反方向应力，并借助晶界滑动来增强晶粒旋转，否则镁合金的室温 变形非常困难。 a 热挤压 镁合金的组织性能受塑性变形影响很大，因此可以通过塑性加工过程来控制或改善 镁合金坯料的组织性能，例如铸造镁合金的组织粗大，存在铸造缺陷，力学性能差，通 过采用不同的挤压温度、挤压比、挤压速度可以获得不同组织性能的镁合金，尤其通过 大挤压比( 变形量8 0 以上) 可以改善挤压棒材的晶粒度和各向异性 4 1 1 。在热挤压过程 中，材料的选择，预处理和挤压参数的确定至关重要。材料一般选择中高强度合金，以 提高其延展性；预处理使成分均匀化，并且尽可能的净化合金；挤压参数对材料的品质 和性能起到决定性的作用。 热挤压工艺对材料的组织、性能和变形机理的影响目前已有部分研究。t s u t o m u m u r a i 4 2 1 研究了挤压工艺对a z 3 1 b 镁合金的组织和性能的影响。上海交通大学的宋孚群4 3 等 人通过变形方法细化晶粒提高镁合金塑性。大挤压比( 1 0 0 ：1 ) 可获得细晶镁合金挤压薄板， 其晶粒尺寸为2 5 1 a n 一1 2 5 1 t m ；大挤压比+ 轧制可获得平均晶粒尺寸小于5 p m 的细晶镁合金 薄板。通过优化再结晶退火制度使镁合金具有最佳的组织结构和良好的力学性能。于翔 等人研究了挤压变形对m b l 5 镁合金组织性能的影响，认为挤压变形可以细化晶粒， 提高m b l 5 镁合金性能。马春江等人嘣1 研究发现富铈的混合稀土对降低挤压态z k 6 0 镁合 金的晶粒度有明显作用，同时改善了挤压态z k 6 0 - r e 镁合金的极限抗拉强度和屈服强度。 m n a k a n i s h i 等人1 研究表明，与铸件相比，热挤压切屑制得z k 6 0 镁合金的强度和屈服 应力得到提高，并随着挤压温度的降低而提高。另一方面，通过在高温下挤压镁合金， 韧性得到提高。m a r g a mc h a n d r a s e k a r a n 等人晰1 的研究探索了不同合金在不同温度挤压之 后的性能变化情况，为提高镁合金的低温成形性提供了依据。对于挤压态镁合金性能的研 究大多数集中在超塑性删方面，研究合金在不同温度、不同应变速率下的超塑性变形 行为特征、超塑性变形机制等。这主要是因为超塑性交形能够极大的发挥材料塑性潜力 8 1 前言 和大大降低变形抗力，变形时具有极好的流动性和充填性，从而有利于复杂零件的精确 成形。但是常规的挤压容易出现材料头部与尾部，心部与边缘组织的不均匀，从而使材 料性能的提高受到限制。 b 往复挤压 近年来对材料性能的改善主要通过元素合金化，快速凝固，粉末冶金5 等方法来实 现。元素合金化可以细化晶粒、改善性能，但容易形成元素偏析引起组织和成分的不均 匀，增加合金成本。快速凝固是利用液