（材料科学与工程专业论文）新型mgbi、mgbica合金的研制及组织与力学性能分析.pdf

摘要 论文题目：新型m g b i 、m g b i - c a 合金的研制及组织与力学性能分析 学科专业：材料科学与工程 研究生：孟恩强 签名：塾经2 塾 指导教师：郭学锋教授 签名：二专= 己褥 摘要 镁合金具有良好的生物兼容性，鉴于目前应用到医学领域的生物含金材料大都为钛合 金以及不锈钢，并且这两种合金有一定的局限性，如钛合金加工成形困难，价格暴贵；不 锈钢密度大，并且含有n i 、c r 等对人体有害的重金属元素。因此，开发新型镁合金做为 医用生物材料具有意义。 本文通过普通凝固和变形加工工艺研制出了具有高塑性的新型m g b i 和m g b i c a 合 金。合金中b i 元素的质量百分含量分别为2 、5 、9 ，c a 元素的质量百分含量为1 5 。 利用光学显微镜( o m ) 、扫描电子显微镜( s e 知1 ) 、透射电子显微镜( 琵m ) 、x 射线衍射分析 m ) 和差热分析( d t a ) 分析了合金的组织、相变与相组成，测试了合金的室温力学性能， 旨在为新型医藤生物镁合金材料的开发徽前瞻性的探索。 研究结果表明，m g b i 二元合金组织由a - m g 基体和m 9 3 b i 2 相组成。晶粒尺寸随着 b i 含量的增加嚣减小，合金晶粒尺寸介予8 0 u m 一2 7 0 ，u m 之闻。m 9 3 b i 2 析出相以互成约 1 2 0 a 的杆状均匀分布在基体上。其中m g 2 b i ( 简写为m g 2 b i 。下文中，类似化学式具 有相同含义) 合金组织为a - m g + m g a b i 2、m g - 5 b i 合金组织为a - m g + m 舀b i 2 骧较+ 抒+ 晶界 上m g a b i 2 新续一、m g - 9 b i 合金组织为a - m g + m g a b i 2 - 粒+ 秆+ 晶界上m 9 3 b i 2 聪m 。m g - 2 b i 、 m g - 5 b i 和m g - 9 b i 合金的实际测量密度分别为1 7 9 9g c m 3 、1 8 2 0g c m 3 和1 8 8 6e , c m 3 。 m g - b i c a 合金组织由a - m g 基体、m 9 3 b h 相以及c a m 9 2 b i 2 相组成，其组织与m g - b i 合金 相比，因c a 元素的加入，组织细化。 e x - m g - b i 会金组织因动态蒜结晶，翻细小的等轴晶或不完全焉结晶的近似等轴晶组 成，晶粒尺寸介于和m 一1 靴m 之间。在挤压比为2 5 条件下获得的e x m g 2 b i 、e x m g 5 b i 、 e x m g - 9 b i 合金的抗拉强度分别为2 2 0 。4 5 m & 、2 4 4 1 4 m p a 、2 5 8 0 3 鞑& ，屈服强度分别 为2 0 2 9 4 m p a 、2 2 5 0 8 m p a 、2 5 3 5 3 m p a ，延伸率分别为6 6 7 、1 1 、9 2 0 。 e x m g - b i c a 合金因动态再结晶，组织由细小的等轴晶组成，晶粒尺寸在l 靴m 以内。 在挤压比为1 7 3 6 条件下获得的e x - m g - 5 b i 1 5 c a 、e x - m g - 9 b i 1 5 c a 合金的抗拉强度分 别为1 9 7 8 0 m p a 、2 0 8 7 8 m p a ，屈服强度分别为1 5 9 4 6 m p a 、1 8 2 5 7 m p a ，延伸率分别为 7 。】3 、5 。2 7 。 西安理工大学硕士学位论文 r e 2 e x 、旺o - e x 合金的平均晶粒尺寸约1 0 ，u m 左右，r e - 6 - e x 合金的平均晶粒尺 寸约1 缸m 左右。在r e 挤压比为1 2 7 6 ，e x 挤压比为1 7 3 6 条件下获得的l 也2 e x 、 r e - 4 e x 、r e - 6 e x 合金的抗拉强度分别为2 0 5 8 4 m p a 、2 1 9 。5 0 m p a 、2 2 0 2 5 m 魏，厘服 强度分别为1 6 7 6 4 m p a 、1 8 4 7 9 m p a 、1 8 5 8 6 m p a ，延伸率分别为1 6 3 3 、1 8 6 7 、1 0 3 3 。 r e - 4 e x 会金的综合力学性能最佳。 关键词：m g - b i 合金；m g b i c a 合金；挤压：往复挤压；组织与力学性能 说明：本课题为中国和数色列合作研究顼冒。 a b s t r a c t t i t l e ：d e v e l o p m e n to fm g b ia n dm g - b i - c aa l l o y sa n da n a l y s i so ft h e i r m 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 s m a j o r ：m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g n a m e ：e n q i a n gm e n g s u p e r v i s o r ：p r o f x u e f e n gg u o s i 白节i们q朋撕gnature：幼2 7 们! c y “ a b s t r a c t s i g n a t u r e ： m a g n e s i u ma l l o yh a sg o o db i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y c u r r e n t l y , b i o l o g i c a lm a t e r i a l sa p p l i e d t om e d i c i n a lf i e l da r em a i n l yt i t a n i u ma l l o ya n dn o n - c o r r o s i v es t e e l ，a n dt h i st w ok i n d so f m a t e r i a l sh a v es o m el i m i t a t i o n ，t i t a n i u ma l l o yi sh a r dt op r o c e s sa n dc o s t l y ，n o n - c o r r o s i v es t e e l h a sh i g hd e n s i t ya n dc o n t a i ne l e m e n tt h a ti sh a r m f u lt oh u m a nb o d ys u c ha sn ia n dc r c o n s i d e r i n gt h ea b o v ef a c t o r s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pn e w k i n do fm a g n e s i u ma l l o ya s b i o l o g i c a lm a t e r i a l i nt h i sp a p e r , m g - b ia n dm g - b i - c aa l l o y sp r e p a r e df r o mc a s t i n ga n dd e f o r m a t i o np r o c e s s w h i c hh a d g o o dd u c t i l i t yw e r ed e v e l o p e d t h em a s sp e r c e n to fb ii nt h ea l l o ya r e2 ，5 ，9 r e s p e c t i v e l ya n dt h em a s sp e r c e n to fc ai nt h ea l l o yi s1 5 t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp h a s e c h a n g eo ft h ea l l o y sw e r ea n a l y z e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ， t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ，x r a yd i f f r a c t i o n a n dd i f f e r e n t i a lt h e r m a l a n a l y s i s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw c r ca l s ot e s t e df o re a c ho ft h ea l l o y si no r d e rt od os o m ee x p l o r a t o r y e x p e r i m e n tf o r t h ed e v e l o p m e n to fn e wk i n do fm a g n e s i u ma l l o ya sb i o l o g i c a lm a t e r i a l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e so fm g b ib i n a r ya l l o y sw e r ec o n s i s t e do fa m g m a t r i xa n dp r e c i p i t a t ep h a s em 9 3 b i 2 t h eg r a i ns i z eo ft h ea l l o y sw a sb e t w e e n8 0 t i na n d 2 7 0 p mw h i c hr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o n t e n to fb i b a c i l l a r yp r e c i p i t a t em 9 3 b i 2w a s a l i g n e da ta1 2 俨a n g l et oe a c ho t h e r t h em i c r o s t r u c t u r eo fm g 一2 b iw a sc o n s i s t e do fa - m ga n d g r a n u l a rm 9 3 b i 2 t h em i c r o s t r u c t u r eo fm g - 5 b iw a sc o n s i s t e do fa - m g , g r a n u l a ra n db a c i l l a r y m 9 3 b i 2a n dr e t i c u l a rm 9 3 b i 2w h i c hd i s c o n t i n u o u s l yd i s t r i b u t e di nt h eg r a i nb o u n d a r y t h e m i c r o s t r u c t u r eo fm g - 9 b iw a sc o n s i s t e do fa - m g ，g r a n u l a ra n db a c i l l a r ym 9 3 b i 2a n dr e t i c u l a r m 9 3 b i 2w h i c hc o n t i n u o u s l yd i s t r i b u t e di nt h eg r a i nb o u n d a r y t h ea c t u a ld e n s i t yo ft h et h r e e a l l o y sw a s1 7 9 9g c m 3 ，1 8 2 0g c r a 3a n d1 8 8 6g c m 3r e s p e c t i v e l y t h em i c r o s t r u c t u r e so f m g 。b i c at e r n a r ya l l o y sw e r ec o n s i s t e do fa m gm a t r i x ，p r e c i p i t a t ep h a s em 9 3 b i 2a n d c a m 9 2 b i 2p h a s e c o m p a r e dw i t ht h em g b ib i n a r ya l l o y s ，t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h et e r n a r y a l l o y sw e r es i g n i f i c a n t l yr e f i n e db e c a u s eo ft h ea d d i n go fc a b e c a u s eo ft h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h em i c r o s t m c t u r e so ft h ee x - m g - b ia l l o y sw e r e c o n s i s t e do fr e f i n e de q u i a x e do ra p p r o x i m a t ee q u i a x e dg r a i n s t h eg r a i ns i z eo ft h ea l l o y sw a g b e t w e e n8 0 z ma n d2 7 0 z m t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho ft h ee x m g 一2 b i ，e x m g 5 b ia n d e x m g 一9 b ia l l o yo b t a i n e du n d e rt h ee x t r u s i o nr a t i oo f2 5w c r e2 2 0 4 5 m p a , 2 4 4 1 4 m p a , 2 5 8 0 3 m p ar e s p e c t i v e l y , w h i l et h ey i e l dt e n s i l es t r e n g t ho ft h e mw e r e2 0 2 9 4 m p a , 2 2 5 0 8 m p a , 2 5 3 5 3 m p a , a n dt h ee l o n g a t i o n sw e r e6 6 7 ，1 1 ，9 2 0 r e s p e c t i v e l y b e c a u s eo ft h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h ee x m g - b i - c aa l l o y s w c r cc o n s i s t e do fr e f i n e de q u i a x e dg r a i n s t h eg r a i ns i z eo ft h ea l l o y sw a sw i t h i n8 0 # m t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho ft h ee x - m g 一5 b i - 1 5 c aa n de x - m g - 9 b i - 1 5 c aa l l o yo b t a i n e du n d e r t h ee x t r u s i o nr a t i oo f1 7 3 6w e r e1 9 7 8 0 m p a , 2 0 8 7 8 m p ar e s p e c t i v e l y ，w h i l et h ey i e l dt e n s i l e s t r e n g t ho ft h e mw e r e1 5 9 4 6 m p a , 1 8 2 5 7 m p a , a n dt h ee l o n g a t i o n sw e r e7 1 3 ，5 2 7 r e s p e c t i v e l y t h eg r a i ns i z eo fr e - 2 - e x a l l o ya n dr e - 4 - e xa l l o yw a sa b o u t1 0 归m ，w h i l et h eg r a i ns i z e o fr e - 6 - e xa l l o yw a sa b o u t1 鲰m t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho ft h er e - 2 - e x ，r e - 4 一e xa n d r e 一6 - e xa l l o yo b t a i n e du n d e rt h er e c i p r o c a t i n ge x t r u s i o nr a t i oo f1 2 7 6a n de x t r u s i o nr a t i oo f 1 7 3 6w e r e2 0 5 8 4 m p a , 2 1 9 5 0 m p a , 2 2 0 2 5 m p ar e s p e c t i v e l y ，w h i l et h ey i e l dt e n s i l es t r e n g t h o ft h e mw c r e1 6 7 6 4 m p a , 1 8 4 7 9 m p a ，1 8 5 8 6 m p a , a n dt h ee l o n g a t i o n sw e r e1 6 3 3 ，1 8 6 7 ， 1 0 3 3 r e s p e c t i v e l y r e - 4 - e xa l l o yh a d t h eo p t i m a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：m g b ia l l o y ；m g - b i - c aa l l o y ；e x t r u s i o n ；r e c i p r o c a t i n ge x t r u s i o n ；m i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a c k n o w l e d g e m e n t ：t h er e s e a r c hi sac o o p e r a t i v ep r o j e c tb e t w e e nc h i n aa n di s r a e l 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研究的工 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： 学位论文使用授权声明 乃婚；月修日 一本人弛2 红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入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( 包括刊登) 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) _ 译文作者签名! 辫导师签名： 彦年弓月步日 1 绪论 1 绪论 如今，环境保护、如何实现可持续性发展已经成为世界各个国家共同关心的问题。合 理地使用、节约和保护资源，提高资源的利用率，从传统的高消耗模式向可持续发展模式 转变，已经受到社会各界的普遍重视。从1 9 世纪末到目前，随着人类文明的快速进步， 金属材料的消耗也与日俱增，很多重要的金属矿产资源逐渐趋于枯竭。镁是地球上储量最 丰富的元素之一，在地壳表层金属矿产资源中的含量在2 以上，在海水中的含量约 2 1x 1 0 1 5 吨，可以说是取之不尽、用之不竭的。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以 其资源丰富而日益受到重视，特别是结构轻量化技术的需求和环保问题的日益突出更加刺 激了镁工业的发展。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点。 目前所有结构用的金属以及合金材料中，镁及其合金的密度是最低的，并且具有比强 度、比刚度高，减振性好，电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点， 在汽车、电子、电器、交通、航空、航天和国防等工业领域具有极其重要的应用价值和广 阔的发展前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，并被称之为 2 1 世纪绿色金属结构工程材料” 2 - 4 1 。镁及镁合金作为轻金属材料中的一个非常重要的金属 结构材料，其开发、利用水平的高低对材料学科本身的发展及对社会的发展都有重要的意 义。 1 1 镁及其合金概述 镁是第二主族碱土金属，位于铍和钙之间，化合价为+ 2 价，具有银白色的金属光泽， 纯镁在2 0 c 时的密度只有1 7 3 8 9 c m 3 5 ，比舢轻3 5 6 ，比t i 轻6 1 5 ，是常用结构材 料中最轻的金属。镁是密排六方结构晶体，室温下a = o 3 2 1 n m ，c = 0 5 2 1 n m ，c a = 1 6 2 4 ， 与理想密排六方结构的c a 值( 1 6 3 3 ) 相比，金属镁具有近完美的密排结构。图1 1 给出了 镁原子在晶胞的位置及各主要晶面和晶向。 a 呐 b 畸薯 c 嘲冒 - 1 0 0 0 1 l 订捌i 0 1 0 l睡l l q l 。谜刭譬 - i 痴乒瀚o ； 【2 1 1 0 j 【i o i o j 。 l 町c ct由 图1 - 1 金属镁的晶体结构6 1 f i g 1 1u 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 2 1 0 】z o n e ； ( c ) p r i n c i p a lp l a n e so f 11 0 0 】z o n e ；( d ) p r i n c i p a ld i r e c t i o n s 1 2 1 0 i 0 l j 西安理工大学硕士学位论文 由于镁为密排六方晶体结构，其塑性很差，在常温时的强度也比较低( 力学性能见表 1 1 ) ，所以纯镁很少用作结构材料，其最主要用途是制造镁合金及熔配其它有色合金材料。 表l - 1 纯镁的力学性能7 1 t a b 1 - lt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p u r em a g n e s i u m 在镁中常加入铝、锌、锆、稀土等元素进行合金化处理，从而使纯镁的性能得以改善。 如铝的加入可以起到固溶强化作用，还可以改善铸造性能；锌具有固溶强化和时效强化双 重作用；锆虽然在镁中的溶解度很小，但是可以起到很强的细晶强化作用；稀土元素具有 提高合金高温强度及抗高温蠕变性能和改善铸造性能的作用。根据生产工艺的不同，镁合 金可分为铸造镁合金及变形镁合金。铸造镁合金中主要包括：镁铝锌系、镁锌锆系、镁稀 土锆系、镁钍锆系、镁钕银系等。变形镁合金主要包括镁铝锌系、镁锌锆系、镁稀土系、 镁钍系和镁锂系等。许多镁合金既可以做铸造镁合金，又可以做变形镁合金。 由于镁合金具有密度小、比强度以及比刚度高、减震性能好、导热性好、具有一定的 耐蚀性以及尺寸稳定性、电磁屏蔽效果好、抗冲击、耐磨以及易回收等优点，在航天、航 空、汽车、计算机、家电以及通讯等行业被广泛的应用1 8 1 0 而且随着各种新技术以及新 型镁合金的出现，会使得镁合金的综合性能得以进一步提高，镁合金有广阔的发展前景。 1 2m g - bi - c a 合金 目前，国内外均未见对m g b i c a 合金任何方面的报导。b i 可以以金属的形式向镁合 金中添加，它在镁中的有效溶解度为1 0 0 ，合金化效率为1 0 0 2 。 2 图1 - 2m g b i 二元合金相图 f i g 1 - 2m g - b ib i n a r yp h a s ed i a g r a m 1 绪论 根据m g b i 二元相图( 图1 2 ) 1 9 1 可知， m g b i 二元合金中稳定的化合物为m 9 3 b h 相，其熔点为8 2 1 ，其晶型为d 5 2 型 1 0 1 。 m g b i 二元相图中有如下几个典型的反应： 6 5 0 c ，l 一( m g ) ( 1 1 ) 5 5 3 ( 2 ，l - - ，( m g ) + a m 9 3 b i 2 ( 1 2 ) 6 8 8 c ，p m 9 3 b i 2 - + l + a m 9 3 b i 2 ( 1 3 ) 8 2 1 ，l - - 吓i m 9 3 b i 2 ( 1 4 ) 7 0 3 c ，l + p m 9 3 b i 2 - - * a m 9 3 b i 2 ( 1 5 ) 2 6 0 c ，l - - * a m 9 3 b i 2 + ( b i ) ( 1 6 ) 2 7 1 4 4 2 ( 2 ，l 一( b i ) ( 1 7 ) 根据m g c a 二元相图( 图1 - 3 ) 1 9 1 可知，c a 元素添加到镁中可以形成高熔点的中间化 合物m 9 2 c a 相，该相具有密排六方晶格，但晶格常数与镁不同，对于m 9 2 c a ( a = 0 6 2 3 n m ， e = 1 0 1 2 n m ) ，对于基体m g ( 籼3 2 1 n m ，e = o 5 2 1 n m ) 1 1 1 0 & l o r e t 亡p * r e t n tc a | e i u h p 三 & e 二 图l - 3m g - c a 二元合金相图 f i g 1 3m g - c ab i n a r yp h a s ed i a g r a m m g c c 元相图中有如下几个典型的反应： 6 5 0 c ，l 一( m g ) ( 1 8 ) 516 5 1 2 ，l _ ( m g ) + m c a ( 1 9 ) 7 1 5 ( 2 ，l - - * m 9 2 c a ( 1 1 0 ) 4 4 5 c ，l - - * m 9 2 c a + a c a ( 1 11 ) 8 4 2 ，l _ b c a( 1 1 2 ) 4 4 3 ，1 3 c a - - * a c a ( 1 1 3 ) 文献表明 1 1 - 1 5 1c a 添加到镁合金中由于形成氧化层，可以提高合金的抗氧化性，使 3 西安理工大学硕士学位论文 得合金熔体的可操作性提高。另外，c a 可以细化合金的晶粒，提高合金的延伸率；由于 形成m 9 2 c a 相，镁合金的硬度、屈服强度以及抗拉强度等力学性能得以提高。少量的c a 可以提高镁合金的抗腐蚀性能们。c a 元素具有与稀土元素类似的作用，尤其在高温性能 方面，如合金的抗蠕变性能，其原因也是由于形成了高温稳定的m 9 2 c a 相以及该相与基体 的良好的结合。相对于稀土元素来说，c a 元素价格低廉，因此很有希望开发出以c a 代替 部分稀土元素、成本低、高温性能好的镁合金。 曹林锋n 7 ，1 8 1 等人较为具体地综述了c a 对镁合金的燃点、高温抗氧化性能、组织、 室温以及高温力学性能、蠕变性能、耐腐蚀性能的影响。c a o m g o 致密薄膜的形成可以 覆盖到合金熔体表面，阻止0 2 向熔体中扩散，从而提高镁合金的燃点，也进一步提高了 镁合金的高温抗氧化性能鲫。 1 3 镁合金的塑性变形 、 1 3 1 金属塑性成形理论概述 金属的塑性成形技术，是利用金属的塑性一金属产生变形的能力，使金属在外力作用 下成形的一种加工方法。这种成形方法由于在技术上和经济上有它的独特之处，因而是国 民经济中不可缺少的重要加工手段。它的主要优点是：( 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，特别是对于铸造组织的改善，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 合理的流线分布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。塑性成形方法有轧制、拉拔和挤压三大方 面1 2 0 - 2 2 。 对于单晶体来说，其塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行。对于多晶体来说， 塑性变形包括晶内变形和晶间变形两种。晶内变形的主要方式是滑移和孪生，晶间变形主 要表现为晶粒之间的相互滑动和转动。其变形受到晶界和晶粒位向的影响，因此表现出一 定的不均匀性。多晶体变形后，可能会出现纤维组织、变形织构以及亚晶粒( 亚结构) 。金 属经塑性变形后，会产生加工硬化现象，使金属的强度提高，塑性下降。加工硬化后，金 属的屈服强度提高，要求进行塑性j j l - r _ 的设备能力增加；金属塑性下降，使金属继续变形 困难，所以经过冷塑性变形的金属，常进行退火处理，以保证后续的加工顺利进行。在退 火过程中，一般要经历三个阶段：( 1 ) 静态回复；( 2 ) 静态再结晶：( 3 ) 聚合再结晶。金属在 热加工时也会发生回复和再结晶，也就是动态回复和动态再结晶。热变形后，由于温度还 较高，此时金属组织会继续发生变化，即就是静态回复和静态再结晶1 2 3 1 。 影响金属以及合金塑性的因素主要有如下几种：( 1 ) 化学成分；( 2 ) 组织形态：( 3 ) 变形 温度；( 4 ) 变形速度；( 5 ) 应力状态；( 6 ) 变形的不均匀性；( 7 ) 其他因素，包括：变形的状态、 分散变形、尺寸因素和周围介质等。因此在塑性变形过程中，我们可以控制上述影响条件 以提高金属以及合金的塑性，如提高材料的成分和组织的均匀性、选择合理的变形温度和 4 1 绪论 变形速度、选择合理的变形方式以及减小变形的不均匀性等 2 4 1 。 1 3 2 镁合金的塑性加工 当前镁合金产品以铸件特别是压铸件为主，但是铸件中存在晶粒粗大、力学性能差、 易产生缺陷等缺点，大大限制了镁合会的应用范围。通过塑性加工可以有效地改善镁合金 的微观组织，提高镁合金的力学性能，对镁合金塑性加工技术的研究已经成为当今镁合会 研究和发展的主要方向哺1 。 镁合金常温下容易脆裂，难以进行塑性成形加工1 2 5 1 。镁合金具有密排六方结构，室 温下滑移系较少，不易冷加工成形。低于4 9 8 k 时，多晶镁的塑性变形仅限于基面 0 0 0 1 滑移和锥面 1 0 1 2 ) 孪生。所以，镁合金变形时只有3 个几何滑移系 和2 个独立滑移系，容易在晶界处产生大的应力集中，镁合金的冷变形仅限于中等变形， 一般在室温下的冷变形量约为1 0 2 0 。高于4 9 8 k 时，最密排面和次密排面的差别减小， 使附加角锥滑移面 1 0 11 、 1 121 启动，在角锥平面 1 0 1 1 ) 上产生滑移并抑制孪晶形成， 这时镁表现出明显的延性转变，塑性大大提高；同时由于发生回复、再结晶而造成的软化， 也会使镁及镁合金具有较高的塑性1 2 6 1 。如镁合金m b 2 在热态下具有较高塑性，甚至在不 利的应力、应变状态下也可以变形1 2 7 1 。 ( a ) 挤压加工 在镁合金的塑性加工中，热挤压是常用的一种方法，该方法具有许多优点，如提高产 品质量、节省材料等等。此外，镁合金经过热挤压后，可以获得许多优良的组织与性能。 合金在挤压变形区中处于强烈的三向压应力状态，这可以充分发挥其塑性，提高其变 形能力，获得大的变形量。对于镁合金这种塑性较差的金属，挤压成形是非常容易实现的 塑性加工手段。挤压时的应力状态为三向压缩，应变状态为两向压缩和一向拉伸。在冷挤 压以及温挤压加工过程中，一般情况下是晶粒沿着挤压方向被拉长。但热挤压过程中多数 情况是沿挤压方向的晶粒为等轴晶，这表明在挤压过程中发生了动态再结晶t 2 8 , 2 9 1 。这无 疑使得合金的强度得以提高。挤压变形使镁合金产生强烈的塑性变形，晶粒扭转、破碎， 通过回复和动态再结晶细化晶粒，从而提高了镁合金的强度。 钟皓3 叫等人对a z 3 l 镁合金在不同挤压条件下进行了热挤压实验。实验结果表明， a z 3 1 镁合金在不同条件下的热挤压过程中发生了不同程度的动态再结晶，与铸态组织相 比，a z 3 1 镁合金挤压后的组织明显得到细化，从而使得a z 3 1 镁合金的力学性能得到大 幅度的提高。张星3 等人也对a z 3 1 镁合金进行了挤压研究。通过挤压变形，a z 3 1 合 金发生动态再结晶，可以显著地细化其晶粒( 由铸态的约1 0 0 p r o 减小到5 岬左右) 。在2 1 0 下变形，当变形程度为o 8 时，其抗拉强度比铸态高5 0 。黄光胜2 引等人对a z 3 1 b 镁合金进行了挤压研究，挤压参数为：挤压温度4 0 0 ，挤压速度为l 2 5 m r a i n ，棒材的 挤压比为1 0 - - 2 5 。在挤压过程中发生了动态再结晶，其挤压材的显微组织为细小的等轴晶， 具有良好的力学性能。汪凌云妇2 1 等人对a z 3 1 镁合金进行了挤压实验，并讨论了挤压参 数对晶粒细化的影响。当挤压温度为3 5 0 ，挤压比为2 0 9 ，挤压速度为3 3 3m r a i n 时， 西安理工大学硕士学位论文 挤压后的组织为细小等轴晶，是典型的再结晶组织，其平均晶粒直径仅有1 2 3 1 u n 。挤压 温度为3 0 0 时，相同挤压比下，能获得更细的组织，其晶粒为8 8 1 u n 。但是其组织为不 完全再结晶组织。当挤压温度为3 5 0 ，挤压速度为1 5 2 5 m r a i n 时，挤压比越高晶粒越 细小。于翔3 等人对m b l 5 合金挤压变形研究得出，通过挤压变形，可显著地细化镁合 金晶粒，晶粒大小可由铸态的1 0 0 2 0 0 9 m 减d , n4 岬。随挤压比的增大，晶粒进一步细 化。挤压比从2 4 增加到6 5 ，平均晶粒尺寸从1 2 9 m 减4 , n6 p m 。强度、硬度随挤压比 的增大而增大，挤出的管材型材具有良好的力学性能。t s u t o m um u r a i 3 4 1 等人发现，对于 a z 3 1 b 镁合金，挤压比对晶粒的大小有显著的影响，对挤压坯料均匀化退火后采用大的 挤压比进行挤压，可获得细小的晶粒：采用低加热温度和低的挤压速度也可以获得细小的 晶粒。挤压后材料的延伸率增加。a b u s s i b a 在5 9 3 k 将z k 6 0 合金挤压后发现，合金的 晶粒有了明显的细化，晶粒尺寸为2 2 5 p m ，其中较大尺寸晶粒的体积分数仅为o 2 ，该 合金表现出良好的塑性口 。对商用z k 6 0 镁合金铸锭进行机械切削，然后对其进行热挤 压实验1 3 6 1 。实验表明，其延伸率随着挤压温度的升高而提高。在挤压比为4 4 的条件下， 挤压温度为4 7 3 k 、5 7 3 k 时，对应的延伸率分别为1 0 0 、2 0 6 。由此可见，热挤压可 以提高该合金的延伸率。t o s h i j i 和m u k a i 等人对不同晶粒大小的z k 6 0 合金的延伸率和断 裂机制进行了研究。研究表明动态载荷下延伸率的提高与滑移系并没有关系，所以他们认 为细化晶粒可以提高静态载荷下镁合金的延伸率，原因是细化的结构中没有应力集中。细 化了的z k 6 0 镁合金与同强度的铝合金相比延伸率提高了一倍，单位重量的吸收能也是高 强度铝合金的2 倍1 3 7 1 。b a ij i n g 等人对m g a i s r 以及m g a 1 s r - c a 合金热挤压之后发现， 合金中的金属间化合物变成“带状结构”，共晶组织破碎成了小块。热挤压加工极其显著 地提高了两种合金在室温以及1 7 5 c 下的延伸率t 3 8 1 。m 9 9 5 9 z n 3 5 g d 0 6 合金经过挤压之后， 铸态组织中的i 相和l a v e s 相发生了强烈地破碎，并且分布于晶界以及基体之中。破碎后 的i 相颗粒能够强烈地钉扎晶界，阻碍位错运动。m 9 9 s 9 z n 3 s g d o 6 合金在5 7 3 k 挤压之后 显示出很高的力学性能，抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别为3 1 1 m p a 、2 1 4 m p a 、1 6 5 。 另外，m 9 9 5 9 z n 3 5 g d o 6 合金在6 7 3 k 挤压比在5 7 3 k 挤压产生了更高的沉淀强化作用，这 使得该合金在6 7 3 k 获得了更高的强度以及更大的延伸率u 9 4 叩。g g a r c c s 等人对镁基s i c 颗粒增强复合材料挤压后发现，挤压过程中产生了平行于挤压方向的 1 0 1 0 晶面纤维织 构，这种织构的形成提高了材料的屈服强度 4 1 1 0y o n g j u nc h e n 等人对a z 3 1 合金进行了 不同挤压比的挤压实验，研究挤压比的变化对合金的组织以及力学性能的影响。结果表明 增大挤压比，合金的组织明显变细，并且室温力学性能显著提高。挤压比的变化对合金组 织以及力学性能的影响可以用动态再结晶以及织构解释，挤压比的增大容易获得更为细小 的组织4 力。h i d e t o s h is o m e k a w a 等人t 4 3 , 4 4 1 对m g z n y 合金进行了挤压加工，合金有了 比普通变形镁合金更高的断裂韧性。破碎细化了的准晶相与基体紧密结合，对位错运动起 到了良好的钉扎作用，阻止了微孔的形核，从而断裂韧性提高。同时，他们还对m g c a 7 _ n 合金进行了热挤压加工，合金的平均晶粒尺寸细化到l l u n 左右，基体中产生了球状沉淀 6 1 绪论 相。热挤压后的合金在屈服强度以及断裂韧性之间达到了一个很好的平衡，这归结于热挤 压导致的晶粒细化以及沉淀相在基体中的弥散分布。z h i f e n gl i 等人对经过4 2 0 2 h 以 及2 4 h 的a z 9 1 合金铸锭在2 7 0 进行了热挤压研究。结果表明，合金在挤压过程中发生 了动态再结晶，组织由细小的等轴晶组成。合金2 h 退火后挤压所得的晶粒尺寸( 4 0 r e 左右) 要远小于2 4 h 退火后挤压所得晶粒尺寸( 3 0 p t m 左右) 。在热挤压过程中，未溶解的p m g l 7 a i l 2 相破碎成o 3 0 8 岬的球状颗粒，并且沿着动态再结晶晶粒边界均匀分布。由于细化的晶 粒以及i b m g l 斛1 2 相的均匀分布，2 h 退火后挤压所得合金的力学性能要优于2 4 h 退火后挤 压的合金1 4 5 1 0n i r o y u “w a t a n a b e 等人对m g 6 a 1 2 c a 合金进行了热挤压研究。挤压后合 金组织由细小的等轴晶组成，平均晶粒尺寸为1 5 1 a n ，直径为1 5 1 l r n 的球状a 1 2 c a 相颗粒 主要分布在晶粒边界。合金的屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别为1 5 2 m p a 、2 6 9 m p a 、 1 3 ，延伸率要明显高于其它含c a 镁合金1 。a l o ks i n g h 等人对m 9 9 5 z m 2 y o8 和 m 9 9 2 5 z n 6 5 y 两种合金进行了挤压研究，结果表明由于挤压过程中动态再结晶的发生，组 织由细小的等轴晶组成。5 2 3 k 以及6 7 3 k 下挤压后获得的晶粒尺寸分别为1 0 1 5 1 a m 以及 3 - 5 1 m a 。准晶相分布于晶内和晶界，晶内的尺寸为2 0 1 0 0 n m ，晶界上的尺寸为5 0 0 n m1 4 7 1 s m h e 等人对m g 1 0 g d 2 y 0 5 z r 合金进行了挤压研究，结果表明，热挤压可以有效地 引起晶粒细化。经过挤压以及t 5 处理后的合金，其室温下的强度与延伸率达到了一个良 好的平衡。由于热挤压导致的晶界强化使得合金的强度有了大幅度