（材料科学与工程专业论文）az80变形镁合金组织与性能的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 镁及镁合金具有比重轻，比强度、比刚度高，阻尼性、切削加工性及导热性 好，电磁屏蔽能力强，易于回收等一系列优点，受到人们的极大关注，被誉为“2 l 世纪的绿色工程结构材料”。变形镁合金材料更具发展前途与潜力，通过变形可 以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制 和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合金材料更高的强度，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。由于镁及镁合金近些年来才成为 金属材料研究领域的一个热点，因而对其开发应用不够广泛，基础研究也不充分。 这就给镁合金的生产应用带来了很多问题。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以成为改善材料性 能廉价而有效的方式。 通过变形和热处理改变材料的微观组织结构，进而改善材料性能是一种提高 材料性能的主要途径。本课题通过把变形和热处理这两种改善材料性能的有效方 式结合起来，对目前研究尚不充分但很有潜力的a z 8 0 变形镁合金的挤压成型、热 处理研究、力学性能测试，以及对微观组织和断口形貌的分析等实验研究发现， 挤压成形过程使合金发生完全动态再结晶而获得均匀细小等轴晶，显著改善合金 力学性能；研究了a z 8 0 变形镁合金在不同固溶时间、时效时间下的力学性能，显 微组织以及它们与热处理条件之间的关系，并结合固溶时效强化理论，优化了 a z 8 0 变形镁合金的热处理工艺。其优化工艺：塑性要求较高时为挤压态+ 4 0 0 。c 固溶2 小时。而在强度要求比较高时推荐为挤压态4 - 4 0 0 0 c 固溶2 小时+ 1 7 0 。c 时效2 0 小时。 根据本研究成果的挤压与热处理工艺研制的a z 8 0 镁合金挤压棒材已成功地 试用在某军工产品上，一旦实际试射检验合格，将投入规模化生产，并推广应用 到其他工业领域。 关键词：a z 8 0 变形镁合金，热处理，组织，性能 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t l lm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gl o ws p e c i f i cg r a v i 锣；h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h 、 s p e c i f i cr i g i d i t y 、d a m p i n gc a p a c i t y 、p r o c e s sa b i l i t y ；e x c e l l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t y 、 e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ga n dr e c y c l a b i l i t y , m a g n e s i u ma l l o y s a r ec o n s i d e r e da s e e o s t r u c t u r a lm e t a lm a t e r i a li nt h e2 1 “c e n t u r ya n di n t e r e s tm a n yr e s e a r c h e r s b e c a u s e o fe x c e l l e n tp r o p e r t i e sb yt h ea p p l i c a t i o no fh e a tt r e a t m e n ta n dt h ec o n t r o lo f c o m p o s i t i o n sw r o u g h ta l l o ys h o u l db et h eb r i g h t e s ts t a ri nt e r m so fl o n g t e r mp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s t h ew r o u g h tp r o d u c t ss u c ha sp l a t e 、s t i c k 、p i p ee t cc a nf e e dav a r i e t yo f d i f f e r e n tn e e d s b u tb a s i ci n v e s t i g a t i o no i lm a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y si s n t i n s u f f i c i e n ta n di t sa p p l i c a t i o ni s n ta b r o a db e c a u s eo f t h es t u d yt i m eo f m a g n e s i u ma n d m a g n e s i u ma l l o y si s n tl o n g , t h ep r o d u c t i o no f m a g n e s i u ma l l o y ss t i l lh a sm a n ym a t t e r s t h ee x p l o i t a f i o no fm a g n e s i u ma l l o y ss e r i e sw i t he x c e l l e n tp r o p e r t i e si st h em o s t l y t r e n dc u r r e n t l y b u ti ti se f f e c t i v ew a yt h a tm a g n e s i u ma l l o y si ne x i s t e n c ea r e a p p r o p r i a t e l yt e c h n i c a lp r o c e s s e d i t i sam o s t l yw a yo fe n h a n c e m e n to fm a t e r i a l s p r o p e r t i e s t h a tm a t e r i a l s m i c r o s t r u c t u r ei sc h a n g e db yd i s t o r t i o na n dh e a tt r e a t m e n t t h ew a yi su s e di na z 8 0 w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yi n t h i sp a p e r b yh e a t l ye x t r u d et h ea l l o yt a k ep l a c e c o m p l e t e l yd y n a m i c a lr e c r y s t a l l i z e a n de q u a l i t yf i n e a x i sg r a i n si so b t a i n e d , t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si si m p r o v e d t h er e l a t i o nt h a to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、 m i e r o s t r u c t u r ea n dh e a tt r e a t m e n ti si n v e s t i g a t e di nv a r y i n gt i m eo fs o l u t i o na n da g e d ， w i t hs t r e n g t h e n i n gt h e o r yh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so f a z 8 0m a g n e s i u ma l l o yi so p t i m i z e d t h eo p t i m i z e dp r o c e s si st h a tt h ee x t r u d e da l l o yi sd i s s o l v e di n4 0 0 。cw i t h2h o u r si n t h ea s ko f h i 【g hd i s t o r t i o nc a p a c i t ya n dt h ea l l o yi sa g e di n1 7 0 0 cw i t h2 0h o u r sa f t e ri t i sd i s s o l v e di n4 0 0 。cw i t h2h o u r si nt h ea s ko f h i ：曲s t r e n g t h w i t ht h eh e a tt r e a t m e n tt h ea z s 0m a g n e s i u ma l l o ye x t r u d e dp o l ei sa l r e a d yu s e di n s o m em i l i t a r yp r o d u c t i o n i nt h ef u t u r e , i tw i l lb ea b r o a d l ya p p l i e di nal o to ff i e l d s b e c a u s eo f e x c e l l e n tp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：a z 8 0w r o u g i nm a g n e s i u ma l l o y , h e a tt r e a t m e n t ，s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 孝杖 签字日期：夕一一彭年) 伪弘曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖友堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：别钾 f t 导师签名： 弓移丁川) 签字日期：4 - 6 年f 7 月q - o h签字日期：沙年7 f 月触日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 镁及镁资源 能源、资源和环境是人类社会可持续发展所面临的三大主要问题。如何有效、 合理地利用地球上有限的能源、资源，以及保护人类赖以生存的、现在却日益恶 化的环境是我们必须着手解决的迫切问题。镁及镁合金具有比重轻，比强度、比 剐度高，阻尼性、减震性及切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，易于回收 等一系列优点，受到人们的极大关注，被誉为“2 1 世纪的绿色工程金属结构材料” 【1 卅。但是长期以来镁的价格偏高，限制了其在民用工业中的应用及镁合金的开发， 使得镁合金的应用大部分仅限于宇航工业。自上世纪9 0 年代以来，镁的冶炼技术 得到了迅猛发展，价格也随之迅速下跌，此外国内外在镁的应用方面也做了大量 研究，近年来镁合金在汽车和电子工业中的应用增长速度高达1 5 - - 2 0 年m 】。目 前机械零件的轻量化发展成为制造业的发展趋势之一，镁合金的应用和开发日益 受到世界上各国政府和企业的高度重视。种种迹象表明，大规模应用镁的时代出 现了前所未有的契机。 地球上镁的储量非常丰富，其储量在地球所有元素中排名第八位，在地球所 有金属元素中排名第二位。由于镁的化学性质非常活拨，所以镁在自然界中主要 以氧化物和盐的形式存在。镁的化合物主要存在于地壳、海水和湖水中。在地壳 中，镁的含量达到2 5 v a ，矿物种类有6 0 多种，具有潜在工业价值的镁矿有方镁 石( m g o ) 、水镁石( m g ( o h ) 2 ) 或( m g o 。2 h 2 0 ) 、橄榄石( ( m g ，f e 2 ) 2 s 0 4 ) 、白云石 ( m g c 0 3 c a c o j ) 、菱镁矿( m g c 0 3 ) 、水氯镁石( m g c l 2 6 h 2 0 ) 、光卤石( m g c l 2 。k c l 6 h 2 0 ) 等。在海水和盐湖卤水中，镁的含量也非常丰富。l 1 3 海水中含有近4 埏的镁， 溶解在海水中的镁总量达6 x 1 0 1 6 t ，按现在年产量5 0 万吨的生产能力计算，可开采 1 2 0 0 亿年【7 _ 1 2 】。我国是世界上镁资源最丰富的国家之一，目前公认的具有最大镁 矿储量的前八个国家分别是澳大利亚、中国、波兰、俄罗斯、美国、印度、希腊 和加拿大。我国菱镁矿的储量占世界总储量的6 0 以上，而且品位超过4 0 i l ”。 1 2 镁的性质及用途 镁的原子序数为1 2 ，原子量为2 4 3 2 ，电子结构l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，位于周期表第三 周期第二族。镁的主要物理性能是比重小，比热和膨胀系数较大( 超过铁一倍，比 铝也高) ；而弹性模量在常用航空金属中，镁是最低的【j 4 q 7 。 纯镁的基本物理性能9 】见表1 1 ： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由于镁的电化学活性很强，所以镁的抗腐蚀性很差，镁在潮气、海水、淡水 及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀，而与其他金属接触时，也会发生接触腐蚀。 固态镁易发生氧化，熔镁则易发生氧化燃烧。镁的切削性能十分良好，但纯镁的 机械性能很低，不能做结构材料使用。在工业上，纯镁除了少部分用于化学工业、 阴极保护、仪表生产及军事工业外，主要用于生产镁合金及铝合金，目前世界上 的原镁产量约有5 0 用于制造镁合金，3 3 用于制造铝合金，其余的用做生产某些 台金的还原剂、脱氧剂及变质剂等f 】”。 1 3 镁的合金化 纯金属镁由于其较低的强度很少被用作结构材料，当被用于结构材料时需要 向镁中加入一些合金元素。添加合金元素后可以引入各种强化机制( 固溶强化、沉 淀强化、弥散强化等) 来提高镁合金的力学性能，充分发挥镁合金的应用潜力。合 金元素的溶解度特征对镁合金的性能有很大的影响，根据h u m e r o t h 岛 y g 固溶度 准则，很多元素都能与镁形成固溶体，与镁形成固溶体的各种元素的合金化作用 是比较显著的【】9 1 。因此，深入研究镁合金的合金化原理，指导镁合金的开发是十 分重要的。根据在镁中的存在形式及对二元镁合金力学性能的影响，合金元素可 以分为以下三类【2 0 】： 同时提高镁合金的强度与塑性的元素， 按强度递增的顺序为：舢、z n 、c a 、a g 、c e 、g a 、n i 、c u 、t h ； 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 按塑性递增的顺序为：t b 、( 返、z n 、a g 、c e 、c a 、a 1 、n i 、c u 。 只提高镁的塑性，而对强度影响很小：c d 、t i 、l i 。 以牺牲塑性而提高镁的强度：s n 、p b 、b i 、s b 。 下面主要介绍常用的一些合金元素的作用”1 】： 灿：改善合金铸造性能，但有形成显微缩松的倾向。可圃溶强化和时效沉 淀强化。 z n ：增加熔体流动性，弱的晶粒细化剂，有形成显微缩松的倾向。在镁合 金中的固溶度约为6 2 ，有沉淀硬化作用，时效过程中有多种非平衡析出相。共 晶点温度较低( 3 4 7 0 c ) 。可以提高铸件的抗蠕变性能，z n 含量大于2 5 时则对合金 的防腐性能有负面的影响，因此z n 的含量一般控制在2 以下。 m i i * 其加入对镁合金的机械性能影响不大，但降低塑性。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，以沉淀f e - m n 化合物，形 成稳定的金属间化合物来控制固溶的铁含量从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊 接性能。同时能细化沉淀产物，增大蠕变抗力。 s i ：降低铸造性能，与越、z n 、a g 等元素形成稳定的硅化物，可改善蠕 变性能。m 9 2 s i 为粗大的汉字状析出，主要分布在晶界，而且熔点高，增加了熔 炼的温度和难度，通过固溶处理无法改变m 9 2 s i 的数量、大小和分布。 z r ：最有效的晶粒细化剂，可强烈细化晶粒，减少热裂倾向和提高机械性 能和耐热性，在镁合金中加入o ，5 0 ，8 的z r ，其细化晶粒的效果最好。但与s i 、 a i 、m n 等不能同时溶入镁合金中，否则因形成稳定化舍物而起不到细化作用；从 熔体中清除f e 、s i 等元素，稍微改善室温抗拉性能。 r e ( 稀土元素) ：可以显著提高合金的耐热性( 与m g 形成的化合物具有很高 的热稳定性) ，细化晶粒，减少显微疏松和热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能， 一般无应力腐蚀倾向，其耐腐蚀性不亚于其它镁合金。常用的稀土元素有c e 、l a 、 n d 、p r 、y 等。 c a ：本身很轻，价格便宜，可以细化晶粒，提高合金高温蠕变抗力，应用 比较广泛。 l i ：降低合金密度，m g l i 合金是迄今为止最轻的金属结构材料。提高延 展性，强烈的降低耐蚀性。共晶成分范围具有极优的变形性能和超塑性。但增大 蒸发及燃烧的危险，只能在保护密封条件下熔炼。 值得注意的是以上是单个合金元素的作用，在合金系统中，不同合金元素之 间还会相互影响、相互制约。例如，z r 有细化晶粒的作用，但是z r 会和灿和m n 形成稳定的化合物，这样起固溶作用的z r 的量就会减少。所以实际应用的多元 合金系统的情况非常复杂。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 镁合金及其应用 在目前使用的所有金属结构材料中，镁合金的比重是最轻的，其密度约为 1 8 c m 3 ，是锌的l 4 ，钢的1 5 ，比铝合金( 密度约为2 7 9 e r a 3 ) 也轻1 3 ；与传统的 钢、铸铁、锌合金、铝合金等相比，镁合金的比强度、比刚度非常高；与工程塑 料相比，镁合金具有良好的吸震性、更好的机械强度、抗冲击性；另外，在导热 性、抗电磁波性、尺寸稳定性、可回收性等方面，镁合金也具有无可比拟的优点【2 2 1 。 因此，镁合金将是人类未来可循环利用的最佳轻型材料，对于降低环境负荷必将 起到巨大的作用。 镁合金产品的优越性能主要表现在1 2 驯： 质量轻：镁合金在所有商业金属中质量最轻，其密度为1 8 9 e m 3 左右，是 铁的1 4 ，铝的2 3 ，与工程塑料接近。 比强度( 强度与质量之比) 高，它高于铝合金和钢，比刚度( 刚度与质量之 比) 却接近铝合金和钢，具有一定的承载能力。 优良的热传导性，改善电子产品散热问题。 极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好。 非磁性金属，抗电磁波干扰，电磁屏蔽性佳。 加工成型性能好，成品外观不错，质感佳。 材料可1 0 0 回收，回收率高，符合环保要求。 制品尺寸稳定，收缩率小，不易因环境温度变化而改变( 相对于塑料) 。 这些优越性能中，最突出的就是镁合金的质量轻和优良的热传导性，因此被 广泛的应用于航空航天、汽车工业和电子工业等领域。近年来，全球温室化导致 了汽车朝着轻量化的方向发展，作为铁和铝合金的替代材料，镁合金零件的需求 剧增口3 1 。许多汽车生产厂商为了适应零件镁合金化的需求，不断的进行着镁合金 成形方法的研究。早在2 0 世纪3 0 年代，大众汽车公司就开始使用镁合金，后来 由于镁的价格上升才停止了使用。8 0 年代初，由于采用新的工艺，严格限制了铁、 镍等杂质元素的含量，使镁的耐蚀性得到了解决，同时成本也下降，促使了镁合 金在汽车上的应用( 如图1 1 ) 。从9 0 年代起，欧美、日本、韩国的汽车商都逐渐开 始把镁合金用于许多汽车零件上 2 4 - 2 5 1 。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 g e a rb o xi t o u s l n g s t c ：c f i n gw h e e lf r a m e s c a l i n gf l a n g es t e e r i n gc o l u m nl o c kg e a rb o x s c a tm o v e m e n t h o u s i n g 图1 1 镁合金在汽车上的应用 f i 9 1 im a g n e s i u ma l l o y s a p p l i c a t i o ni na u t o m o b i l e 同时，源于笔记本电脑、可携带式音乐播放器等家用产品的轻量化和可回收 性要求，也需要有新的材料来代替传统的塑料材料。在日本，镁合金已广泛应用 在家电产品、通讯设备等方面，特别是在手机外壳、笔记本电脑外壳等方面被大 量应用( 如图1 2 ) 。因此镁合金被认为是2 l 世纪最富有开发应用潜力的新型材料， 未来几年镁合金的应用将呈现大幅增长的趋势。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 s c r e e nh o u s i n g u n i t sf o rm o b i l eh a n d s e t 图1 2 镁合金在3 c 上的应用 f i 9 1 2m a g n e s i u ma l l o y s a p p l i c a t i o ni n3 c 到目前为止，作为工业轻金属材料，镁合金只被应用在比较狭窄的领域中。 相对于铝合金与塑料，镁合金的使用量相当少1 2 6 】。镁主要被用在合金添加剂和化 学工业中，只有大约1 0 的镁被用于构造材料1 2 1 。尽管镁合金具有很多优点，但 是相比于钢铁材料及铝合金而言，它的研究和发展还很不充分，目前所得到的应 用也十分有限，发展成熟的商用镁合金数量仍然较少。就镁及其合金本身来说， 主要缺点在于1 2 s 】： 在高温甚至还处于固态的情况下，就很容易发生氧化，阻燃镁合金的研究 也因此成了本领域的热点。 高温强度、高温蠕变性和低温工作能力差，是限制了其得以广泛应用一大 障碍，如何提高镁合金的高温性能尤其是抗高温蠕变性能是镁合金研究的一个重 点。 化学活性高，耐腐蚀性能不佳，也限制了它的应用。 镁密排六方的晶体结构决定了其塑性变形能力较差，如何提高镁合金的工 艺塑性，改善其变形性能，是镁舍金得以广泛应用的关键之一研究表明，细晶 镁合金具有较高的机械性能，是目前研究较多的方向之一。 。 针对上述存在的问题，综观国内外镁合金的研究与发展，图1 3 示出了镁合 金针对不同需求的发展方向1 2 9 】，总的来说，新型镁合金材料的研究重点主要在于 如下几个方面：其一，采用新型合金化技术来改善和提高镁合金综合力学性能， 特别是1 5 0 3 0 0 温度范围内的高温抗蠕变性能：其二，采用合理的表面处理技术 来改善镁合金耐腐蚀性能：最后则是研究和开发先进的加工工艺技术，包括铸造 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 尤其是压铸以及新型变形工艺，以扩大镁合金在汽车、仪表和电子工业中的应用。 镁合金大规模工业应用的到来有待于对这些方面深入的研究及突破。 s p e c i f i cs 打e n g t h d u c 西t i t y 图1 3 镁合金的发展方向 f i 9 1 3d i r e c t i o n so f m a g n e s i u ma l l o y s d e v e l o p m e n t 1 5 镁合金的分类 目前，镁合金按成形方式分为铸造镁合金( c a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y s ) 和变形镁 合金( w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s ) 。 镁合金具有粘度低、流动性好、熔点低和结晶潜热低等特点，因而很适合于 压铸成型，能够压铸复杂而薄壁的铸件。镁合金压铸件具有生产成本低、尺寸精 度高等优点 3 0 - 3 1 l ；低的结晶潜热使得铸件冷却速度快，提高生产率，降低铸模的 损耗。铁在液态镁合金中的溶解度非常小，这就使得镁合金压铸时不会象铝合金 压铸那样经常发生粘模现象。但由于内部存在高压微气孔，故镁合金压铸件的力 学性能不高，同时也不能进行热处理强化。因此，近年来一些新的铸造工艺，如 真空压铸、充氧压铸、挤压铸造、半固态流变和触变铸造等得到了不断开发，这 些工艺可消除气孔缺陷，提高铸造镁合金的力学性能 3 2 3 4 1 。其中，镁合金半固态 重庆大学硕士学位论文1 绪论 触变注射成形( t h i x o m o l d i n g ) 技术的开发和应用非常令人瞩目。但是铸造法由于铸 造缺陷的存在，必须采用复杂的后处理工序，并且铸造产品的不良率也比较高。 而半固态触变注射成形法为防止镁合金氧化采用六氟化硫保护气，但六氟化硫对 环境会产生一定的破坏作用。 与铸造镁合金相比l ”】，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样 化的力学性能，同时生产成本更低( 如图1 4 ) 。另外，变形镁合金是未来空中运输、 陆上交通以及军工领域的重要结构材料，许多板材、棒材、管材等变形镁合金是 无法用铸造产品代替的。 山 = 岛 暑 五 嘛 ! 2 h 皇 高 c 盘 e l o n g a t i o n ： a 图1 4 变形镁合金与砂铸、压铸镁合金的性能 r i 9 1 4t 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 sp r o d t t e e dt h r o n g hd i f f e r e n tm e t h o d s 。镁合金按照合金的化学成份又可分为二元系、三元系或多组元系镁合金，一 般地依据镁与其中的一个主要合金元素将镁合金化分为m g a 1 、m g m n 、m g z n 、 m g - r e 、m g - a g 、m g t h 、m g l i 系等。此外又可依据是否含有锆分为含锆镁合金 和不含锆镁合金两大类，其中含锆镁合金主要有：m g - z n - z r 、m g - r e - z r 、m g - t h - z r 、 m g a g z r ，不含锆镁合金主要有：m g - a 、m g m n 、m g z n 三x g a l l o l 。 1 6 变形镁合金 1 6 1 镁合金的塑性变形 镁的晶格常数等数据如表1 2 所示【3 6 1 。镁是密排六方的晶体结构( 如图1 5 ) ， 在室温时只有一个滑移面( 0 0 0 1 ) ，称作基面。这个滑移面上的3 个密排方向为 t t 2 0 、 互1 1 0 、 t 2 t 0 ，因而它在室温下只有3 个滑移系。因此镁合金的室 温塑性较差 3 7 1 。在这种情况下，镁合金的塑性变形更多的依赖于孪生。 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 形变孪生在密排六方结构的金属材料中扮演这十分重要的角色。c h r i s t i a n 和 m a h a j a n 总结大量前人工作，讨论了密排六方品格中的孪生行为p ”，指出在镁合 金中的可能的挛晶系有 1 0 t 2 、 l o t l ) 、 3 0 3 4 ) 、 l o t 3 、( 1 0 t 4 等，其中主 要有正负两种斜率的孪生。其中正斜率孪生为压缩孪生，即只有对c 轴压缩才能 激发此类孪生：同理负斜率孪生为拉伸孪生，即只有对c 轴拉伸才能激发此类孪 生。所以镁中 l o t 2 和 1 l 互1 ) 为拉伸孪晶， l o t l ) 和f l l 至芝 为压缩李晶。在c a 1 7 3 2 时，则只有在垂直于基面的压力或平行于基面的拉力下， 孪生才能发生。因此可以分为如下两种情况讨论。 c a 1 7 3 2 当拉力垂直于滑移面时，不会发生滑移，同时也不会发生孪生。当拉力平行 于滑移面时，孪生发生，此过程中又会促使滑移变形；当拉力与滑移面成一定角 度时，首先会发生滑移，直到滑移面与拉力垂直时，此时孪生正好发生，孪生的 发生又导致了晶粒的取向偏转，滑移又开始进行。此过程循环进行使材科具有较 高的塑性变形能力。对于镁来说c a = 1 6 2 3 5 ，所以镁在拉伸时的塑性很低。因此 镁及其合金的塑性成形一般都采取轧制、锻造、挤压等加工方法。合金元素对变 形孪晶有一定的影响，但是这方面的工作还十分有限【朔，还需要做大量深入的研 究工作。 滑移和孪生的相互协调是镁合金在低温下塑性变形的主要特点。但当温度达 到1 5 0 2 5 0 0 c 时，滑移系增多，棱柱面和棱锥面也参与滑移m 】，变形将更容易， 塑性显著提高，孪生变形也就变得不重要了。前人已经做了很多工作研究棱柱面滑 移4 1 书1 和棱锥面滑移 4 4 4 s 1 机理。镁属于密排六方晶体结构，滑移系统少，室温和 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 低温塑性较差。镁的滑移系统只有基面滑移和锥面孪生，共5 个滑移系，即3 个 几何滑移系和两个独立滑移系( 如图1 5 ) 1 4 6 1 。其拉伸屈服和压缩屈服强度不同，t l r 。：盯。踟5 o 7 。这是因为在拉伸和压缩时滑移系统和协调变形的机构数量各不相 同所致。拉伸时只有基面 o o o l 参与滑移；而压缩时，除基面外，其锥面 1 0 1 2 也参与孪生变形。此外，镁不产生宏观屈服，一般情况下，都沿非 常大的晶粒基面 0 0 0 1 ) 产生局部的穿晶断裂。但在特定条件下，其它滑移系统也可 参与滑移变形，使塑性增加。晶粒细化也可以促使外加滑移系统开动；温度升高 后，附加的滑移面角锥面 l o t l 开始起作用，滑移系增多，因而塑性也会得到极 大提高。 图1 5 金属镁的晶体结构 f i 9 1 5t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f m a g n e s i u m 器 o o o q 【i 2 0 j 【i o l o l 【i 1 1 0 l 。醚发1 0 巴0 i 面浮鹃，o ，i f 2 j io 】 1 0 l o l 镁的轴比e a = 1 6 2 3 5 ，小于1 7 3 2 ，在拉伸时，。其塑性比同是密排六方晶体结 构的锌( c a = 1 8 5 6 ，6 = 4 0 ) 要低得多。镁合金在拉伸时的塑性一般小于1 0 ，但在 某些既有压缩分量的成形加工过程中，如轧制和挤压，由于孪生和滑移的相互协 调，使褥镁合金表现出良好的塑性变形能力。提高变形温度，镁合金变形的微观 机制也将发生变化。在温度高于5 2 0 k 左右时，镁晶体中的附加滑移面 1 0 _ 1 ) 开 始起作用，变形容易得多，孪晶也变得不重要了。因此变形镁合金主要在5 7 0 - - - 7 7 0 k 温度范围内通过挤压、轧制和压力锻造进行生产。 合金元素的添加对于改善镁合金的塑性有很重要的作用1 4 ”。合金元素影响镁 合金滑移，主要表现在三个方面：一是改变合金层错能。在常规镁合金中，大部 分合金元素都降低合金的层错能，导致扩展位错变宽而难以发生束集，使位错滑 移由基面转入非基面的激活能急剧增大，非基滑移更加困难。二是合金元素的加 入导致镁合金的晶体结构发生变化。如锂、铟、银等合金元素能降低镁合金c a 值， 使镁合金即使在较低的温度下也具有良好的延伸性。三是合金元素可通过改变合 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 金的相结构及其分布来影响合金的塑性变形模式。在利用o r o w a n 机制进行强化的 镁合金中，第二相的形貌和分布对合金的塑性变形行为和力学性能也有很大影响。 值得注意的是晶粒细化对改善镁合金屈服强度与延展性有巨大的作用和潜 力。晶粒细化是改善多晶镁变形结构特征、提高镁合金性能的重要途径之一。根 掘h a l l p e t c h 公式p 州： a r s = c o + k d 1 尼( 1 1 ) 式中吼为多晶体屈服强度，勋为单晶体强度，l ( 为常数，d 为晶粒尺寸。比较镁 与铝在式( 1 ) 作用下的规律【“，可见晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大于 铝合金。在铝合金中，晶粒细化己成为其生产中不可缺少的重要技术措施，但该 技术在镁合金生产中却应用得不是很好。 从晶界协调变形的角度来说，晶粒细化对镁合金室温塑性的改善主要表现在 三个方面【5 0 】：1 晶粒细化使位错滑移程缩短，变形更分散均匀；2 晶粒细化使晶 粒转动和晶界移动变得容易；3 晶粒细化能激活镁合金中棱柱面和锥面等潜在的 非基面滑移系。 尽管镁的结构特征使镁合金变形材料的制各具有很大的困难，但变形镁合金 优异的性能以及在不同领域的特殊用途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 m a 提出的镁工业发 展战略图【5 1 1 ，与目前较成熟的生产技术( 如常规合金的传统铸造工艺) 以及一些正在 发展的技术( 如提高镁合金抗蠕变性能技术【5 2 】、先进的薄壁铸造技术和触变铸造技 术【h 1 ) 相比，镁合金的挤压与轧制等塑性变形技术更具挑战性。变形镁合金材料的 生产主要通过挤压、轧制和锻造等工艺手段实现。由于镁在加工过程中对设备能 力、生产条件的要求基本与变形铝合金相同，因此变形镁合金的生产完全可以采 用变形铝合金的压力加工设备。变形镁合金产品生产中值得注意的两个问题是【5 3 】： 首先是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( 如轧制板材 的平行轧向与垂直轧向) ，弹性模量的交化不明显：其次变形镁合金压缩屈服强度 低于其拉伸屈服强度，o 。：o ，如5 o 7 ，因此在涉及到如弯曲等不均匀塑性变形时 需特别注意。 变形镁合金材料更具发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、 管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得 比铸造镁合金材料更高的强度，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，是国际镁协会( i n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u m a s s o c i a t i o n i m a ) 在2 0 0 0 年提出的发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且最长远 的目标和计划【矾。图1 4 对比了变形镁合金与普通铸造、压铸镁合金的典型力学性 重庆大学硕士学位论文1 绪论 能，可见变形镁合金具有更大的优势 5 4 - 5 ”。西方发达国家十分重视变形镁合金的 研究与开发，变形镁合金材料已开始向系列化发展。 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、 棒和型材，国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未 进行大力开发。因此，研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料显得十 分重要。 1 6 2 变形镁合金的强化及原理 镁合金的强化直接来源于基体中合金元素引起的固溶强化和中间相的弥散强 化，经固溶时效处理后的弥散强化效果比单纯的过饱和固溶强化要高5 6 。5 7 1 。这种 固溶时效硬化是由于在固溶线以下从过饱和固溶体中析出某种能使硬度得到提高 的微细的第二相。时效硬化是个普遍的现象，只要a 与b - - 组元能形成如图1 6 所示 的状态图，就有可能出现时效硬化现象， a b b ，_ 图1 6 镁合金时效机理示意图 f i 9 1 6t h ea g em e c h a n i s mo f m a g n e s i u ma l l o y 状态。这一过程可以用下式表示： 当然，硬化效应强弱则随合金成分而异。 相图表明组元b 可溶入a 而形成a 固溶 体，且b 在a 中的溶解度随温度降低而降 低。如有一b 含量大于b o 的合金，将此 合金加热到低于固相线的温度保温足 够时间，待b 充分溶入后取出立即淬火， 则b 来不及沿着d e 线析出而仍保留在a 相中形成过饱和固溶体，这一处理被称 为固溶处理。经固溶处理后在室温或加 热到不超过溶解度曲线的某一温度保 温，b 将以富b 的高度弥散的用光学显微 镜无法分辨的化合物a b ，或a 溶于b 而 形成的b 固溶体的形式自过饱和固溶体 析出，而使a 中的b 含量逐渐下降到饱和 过饱和固溶体一饱和a 固溶体十析出相 由于弥散的新相的析出将使硬度升高。由此可见，时效是过饱和固溶体的脱 溶沉淀，时效硬化是脱溶沉淀引起的沉淀硬化。因为只有当析出相十分细小时才 有显著的硬化效果，故沉淀硬化又称弥散强化。 过饱和固溶体的完全分解往往是复杂的，包括几个阶段的过程。典型的情况 是，除形成平衡相外，还可以形成g p 区和一个中间沉积物【5 ”。g p 区是有序的溶 质原子富集的从聚，可能只有一个或两个原子平面厚。中间沉积物般比g p 区大 得多，而且与基体的点阵平面只是部分共格，它的成分和晶体结构是确定的，可 重庆大学硕士学位论文1 绪论 能与平衡沉淀物只有略微的不同。在一些合金中，中间沉淀物可能在稳定的g p 区 位置上形核，而在另一些合金中，这种相则在点阵缺陷( 如位错) 处非均匀形核，最 终平衡沉淀物的形成引起与基体点阵共格的完全消失。这只在较高的时效温度下 才形成，并且不产生强化( 由于粗弥散分布) 。在g p 区或中间沉淀物或两者均呈l 临 界弥散分布时，合金发生最大时效硬化。所以镁合金通常要进行热处理来提高其 性能。 在保持镁合金轻质优势的同时，镁合金的强度和耐磨性还可以通过同s i c 、 a 1 2 0 3 或石墨等增强相的复合而得到进一步的提高。目前镁基复合材料的制备通常 是将s i c 或石墨的粉末纤维或晶须加入熔融的镁合金中采用压铸或挤压铸造等方 法。由于镁合金易于与陶瓷增强相表面的氧和氮的反应，因此陶瓷增强相同基体 镁合金之间的润湿性好，特别是s i c 可与镁反应生成m 9 2 s i ，更有利于提高与基体 镁合金问的润湿性，这也是与铝基复合材料相比，镁基复合材料所具有的一个重 要优点。 时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间的交互作用引起的。可以按位错 通过析出相的方式的不同而将时效硬化机制区分为三类：内应变强化、切过颗粒 强化、绕过析出相【3 4 】。绕过析出相：基体与中间相的界面上存在点阵畸变和应力 场，从而成为位错滑动的障碍。滑动位错遇到这种障碍将变得弯曲。随着外加切 应力的增加，位错弯曲程度加剧，并逐渐形成环状。由于两个颗粒间的位错线段 符号相反，它们将互相汇集而形成包围小颗粒的位错环。原位错则从此越过第二 相颗粒而继续向前滑动。每个越过第二相颗粒的滑动位错都要留下一个位错环， 这些位错环对滑向第二相颗粒的位错有一定的斥力，使滑动位错所受阻力增大。 而且颗粒周围积累的位错环越多，位错通过的阻力也越大。这一机制是o r o w a n 于1 9 4 8 年首先提出的，故通常称为o r o w a n 机制，它已为实验所证实。一种合金 能时效硬化的基本条件是： 一种或几种合金元素的固溶度随着温度的降低而降低。 单相区中，在较高温度下进行固溶处理，使合金元素溶入。 快速冷却或淬火，通常降到室温，以得到这些元素在镁中的过饱和固溶体。 过饱和固溶体受热分解以形成细小弥散相的沉积，通常在一个，有时两个 中间温度下时效适当时间。 1 6 3 变形镁合金的形变强化和热处理强化 合金进行热处理的目的是在固态下，通过适当的加热、保温和冷却处理，借 以改变金属的组织和性能，使它具有所要求的机械强度和物理性能。镁合金的热 处理一般是为了提高机械性能。固溶热处理是为了得到高浓度的过饱和固溶体， 给随后的时效创造必要的条件。固溶温度的选择是非常重要的。如果温度选得太 重庆大学硕士学位论文1 绪论 低，合金元素和强化相就不能完全溶解，不仅得不到应有的强度，还会降低合金 的耐蚀性能。一般来说，合金中的合金元素和杂质固溶得越彻底，则合金在固溶 和时效后的机械性能越高。温度选得太高，一旦超过了非平衡结晶条件下共晶熔 化温度，就会引起过烧。所以对于典型的镁一铝一锌合金的固溶处理，零件应该 装入约2 6 0 0 c 的炉中，缓慢升到适合的固溶温度，避免共晶化合物熔化导致形成 间隙。固溶热处理后接着进行的人工时效( 沉淀热处理) 可以提高材料的硬度和屈服 强度，但是牺牲某些韧性，它是许多镁合金的主要强化方式之一。镁合金时效强 化的沉淀过程是非常复杂的，p o l m e a r 曾对一些典型镁合金的沉淀相及可能的沉淀 过程作了比较详细的说明 5 9 1 , 但许多问题还有待于深入研究。p o l m e a r 还强调， 大部分镁合金的时效强化的特点是有一个形成与镁点阵共格的沉淀物阶段，此沉 淀相具有d 0 1 9 的晶体结构 6 0 l ，此种结构晶胞的a 轴是镁基体a 轴的两倍，c 轴 相同。由于( 1 0 lo ) 和( 1 l 乏o ) 上全是镁原子，这样便能够形成匹配良好的低能原子 面，使沉淀相稳定。目前的i a - j 题主要集中在沉淀相形状，位向对性能的影响f 6 ”； 沉淀相的形核，长大机理及沉淀过程微合金元素的作用掣。 变形和热处理强化是结构金属材料( 包括钢和铝合金等) 提高产品性能的主要 方法。将变形强化和相变强化结合起来的综合强化方法称为形变热处理。这种热 处理兼有金属形变强化和热处理强化的双重作用。经这种方法处理后，不但能够 达到一般加工处理所难达到的高强度和一定的塑性、韧性配合，还可以简化工艺， 使生产连续化而带来相当地经济效益。形交热处理材料的良好机械性能总与位错 和沉淀相均匀分布的综合效应分不开。用形变的方法可以引进大量的位错，热处 理产生的沉淀相可以使位错牢固的钉扎起来。最终使金属得到包含大量难于移动 的位错的相当稳定的组织状态，从而达到更高的强