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山东大学硕士学位论文 挤压变形对m g z n y 合金组织与力学性能的影响 摘要 本文采用常规铸造法制备了三种m g - z n y 合金：m g g s z n i 7 y o j ， m 9 9 5 z n 43 v o7 、m 9 9 3 z n 6 y t0 ，合金组织均以粗大网状二十面体准晶晶界相和a - m g 两相共晶组织存在。对制备出的m g z n y 合金进行挤压实验。利用扫描电镜、 透射电镜、x 射线衍射仪对合金组织进行分析，利用电子拉伸机和维氏硬度仪对 合金进行力学性能测试。 为了满足挤压工艺对于强度、韧性、耐磨性等性能的要求，选用热模具钢 3 c r 2 w 8 v 为原材料设计了挤压模具，在不同温度、不同挤压比下对m g - z n - y 合金 进行挤压实验。研究结果表明，在挤压过程中，当挤压温度为4 7 3 k 时，镁合金 由于具有较少的滑移系而发生破坏性变形；挤压温度为6 2 3 k 时，挤压过程中产 生的摩擦发热进一步提高了试样的表面温度使得表面组织进入脆性区而产生裂 纹。通过挤压变形可以显著细化合金的晶粒组织，在挤压过程中位于晶界的 i - p h a s e 被破碎并较均匀地分布在基体合金中 m g - z n y 合金的挤压结果表明，在挤压过程中，挤压温度、挤压比对合金 的组织及力学性能都有一定的影响。随着挤压比的增大，挤压温度的降低，晶粒 进一步细化，i - p h a s e 的弥散程度增加，合金的晶粒大小可由变形前的4 0 6 0 1 m a 减小到8 1 5 p m 。挤压变形可以显著地提高m g z n y 合金的强度、硬度和延伸 率；随着挤压比的增大，合金的强度、硬度和延伸率均有所增加；当挤压温度由 5 2 3 k 升高到5 7 3 k 时，挤压后合金的晶粒略有长大，第二相的体积分数减少， 分布变得更加均匀，合金的显微硬度减小，极限抗拉强度和屈服强度均有所增加； 在所研究的三种合金中，随着y 含量的增加，i - p h a s e 的体积分数增加，合金挤 压后出现了大量的纤维状组织，合金显微硬度增大，极限拉伸强度和屈服强度增 加，其中m 9 9 5 z n 43 y o ，合金在5 2 3 k 以2 5 ：1 的挤压比挤压后，具有较高力学性能， 其极限抗拉强度为2 8 7 m p a ，显微硬度值为1 2 0 ，延伸率为1 4 1 。 关键词：m g - z n - y 合金；准晶；挤压变形；显微组织；力学性能； a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s e v e r a la s c a s tm g - z n - yb u l ka l l o y s ，w h i c he o n s i a e do fac o e l t s e e u t e c t i ci - p h a s ei nt h ea m gm a t r i x ，w e r ef a b r i c a t e db yu s i n gt h ec o n v e n t i o n a lc a s t i n g m e t h o do ft h ed e s i g no fc o m p o s i t i o n ：m 9 9 s z n l 7 y 0 3 、m 9 9 5 z n 4 3 y o ? ，m 9 9 3 z n 6 y i 0 m g z n - ya l l o y sh a v eb e e ne x t r u d e d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ，x r a y e rw e r eu s e dt oa n a l y s ea l l o y sm i c r o - s t r u c t u r e ，t h e e l e c t r o ne x t e n dm a c h i n ea n dm i c r o h a r d n e s st e s t e rw e r eu s e dt ot e s tt h em e c h n i c a l p r o p e r t i e s i no r d e rt o 舢t h er e q u e s to ft h ei n t e n s 时、t o u g h n e s s 、w e a r a b l i t y , m o u l ds t e e l 3 c r 2 w 8 vh a db e e nu s e dt ob et h em a t e r i a l m g - z n - ya l l o y sh a v eb e e ne x t r u d e da t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n de x t r u s i o nr a t i o t h er e s d ts h o w e dt h a tw h e nt h et e m p e r a t u r e w a s 4 7 3 k ，b e c a u s eo f t h el e s so ft h e s l i p p a g es y s t e m ，m ga l l o y s h a db e e n d e s t r o y e d ；w i t hw h e nt h et e m p e r a t u r ew a s6 2 3 k ，t h es u l - f a c et e m p e r a t u r eh a v eb e e n a d v a n c e db yt h ee x t r u s i o nh e a t ，w h i c hc a nm a d et h es u r f a c ef r a m e w o k eb r i t t l e ，s ot h e c r a c kc o m ei n t ob e i n g t h em i c r 雌u l t u r ec a l lb ef i n n e db yt h ee x t r u s i o n , a n dt h e i - p h a s ew h i c hl i m i t r o p h e di nt h eb o u n d a r yo ft h ec r y s t a lh a v eb e e nd e s t r o y e da n d d i s t r i b u t e di n t ot h eb a s e m e n to f t h em ga l l o y s t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a t ，t h et e m p e r a t u r ea n de x t r u s i o nr a t i oh a ds o m ee f f e c f s o nt h em i c r o c u l t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o y s w h e nt h ee x t r u s i o n r a t i o ni n c r e a s e da n dt h ee x t r u s i o nt e m p e r a t u r er e d u c e d ，t h em i c r o s t r u c t u r eb e c a m e f i n e ra n dt h ed i s t r i b u t i o no fi - p h a s eb e c a m em o r eh o m o g e n e o u s ，a n dt h eg r a i ns i z e d e c r e a s e df r o m4 0 6 0 p mt o8 1 5 1 m a t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei m p r o v e d b yh o te x t r u s i o np r o c e s s i n g ，a n dt h es t r e n g t h ，h a r d n e s sa n de l o n g a t i o nw e r ei n c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s i n go fe x t r u s i o nr a t i o n w h e nt h e e x t r u s i o nt e m p e r a t u eb e c o m e 5 7 5 k , t h es i z eo ft h ec r y s t a lf r a m e w o r kh a v eg r e w 印，t h es e c o n dp h a s eb e c a m e l e s s ，t h ed i s t r i b u t i o nb e c a m em o r eh o m o g e n e o u s ，t h em i c r o - h a r d n e s sd e c r e a s e ds m a l l e r a n dt h ei n t e n s i t yi n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s e i n go ft h ec o n t e n to fy , i p h a s eb e c a m e m o r e ，al o to ff i b r ef r a m e w o r ko c c u r r e d 。t h em i c r o h a r d n e s sd e c r e a s e ds m a l l e ra n dt h e n 山东大学硕士学位论文 i n t e n s i t y i n c r e a s e d t h et e n s i l es t r e n g t h , m i c r o - h a r d n e s sa n de l o n g a t i o no f m g g s z n 4 3 y o 7a l l o ye x t r u d e d a t5 2 3 k 、“mt h ee x t r u s i o nr a t i o n2 5 ：1w g i e 2 8 7 m p a , 1 2 0a n d1 4 1 r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：m g z n - ya l l o y ；i c o s a h e d r a lq u a s i c r y s t a l l i n ep h a s e ；e x t r u s i o n ； 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 i e s i l 原创性声明 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 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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：硷! 塑垦 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：诬d 丑望导师签名：论文作者签名：2 继盛型翌导师签名： 脚期：雌j 山东大学硕士学位论文 第一章前言 由于具有较高的比强度和比刚度，轻质镁合金已经成为有色金属材料中发展 最为迅速的合金系，在交通车辆、电器包装、电子通讯、航空航天、国防科技等 领域得到了广泛的应用，被誉为2 l 世纪最具发展前途的金属结构材料【1 5 j 。我国 镁资源储量丰富，在镁工业方面拥有三项“世界冠军”，即储量、生产和出口。 因此，利用我国丰富的镁资源优势开展镁合金的研究显示出诱人的前景【6 1 。然而， 镁合金自身具有的缺点，如强度较低、抗氧化性能差以及高温抗蠕变性能差等问 题，使其作为某些结构件的应用受到限制，因此，要进一步扩大镁合金的应用范 围，满足其在高技术领域的应用，必须提高镁合金的性能。 1 1 镁合金的研究现状 1 1 1 镁合金的类型及应用 根据生产工艺的不同，镁合金可分为铸造镁合金和变形( 轧制、挤压、快速 凝固”1 等) 镁合金两大类。变形镁合金主要应用汽车工业减轻汽车重量、在电子 工业中是通讯工具理想的壳体材料、是航空航天及重要运输工具很有发展前途的 材料、在兵器等各种军用领域有广泛应用背景、在办公、家用和体育用品方面可 替代许多塑料制品嘲。轧制成形在国外刚刚研制成功，当前主要使用铸造成形工 艺。铸造成形工艺可分为重力浇注( g r a v i t yd i ec a s ( i n g ) ，低压铸造( 1 0 w p r e s s u r ed i ec a s t i n g ) 、半固态压铸( t h i x o c a s t i n g ) 、触变注射成形 ( t h i x o m o l d i n g ) 和压铸( h i g hp r e s s u r ed i ec a s t i n g ) 嘲 根据化学成分的不同，镁合金可分为镁一铝系合金、镁一锌系合金，镁一稀土 系合金、镁一锂系合金等吣“1 。 ( 1 ) m g a 1 系合金m g a 1 系合金是应用最为广泛的一类合金，其铸造合金 组织在平衡状态下是由d 相和b ( m g ，a 1 ，：) 相组成，m g ，a l 。相为体心立方( b c c ) 晶体结果，其点阵常数为a = 1 0 5 4 3 8 n m 。b 相的数量随铝基含量的增加而增多。 该合金系是最早用于铸件的二元合金系，既包括铸造合金又包括变形合金，是目 第一章前言 前牌号最多，应用最广的系列大多数m g - a 1 合金实际上还包括其他的合金元素， 为改善合金的性能如韧性、耐高温性、耐腐蚀性，以m g - a 1 系为基础添加了一系 列合金元素形成了a z ( m g - a 1 一z n ) 、a m ( m g a 1 一m n ) 、a s ( m g - a 卜s i ) 、a e ( m g - a 卜r e ) 系合金。 ( 2 ) m g - z n 系合金m g z n 系合金具有明显的时效硬化特性，有共格的g p 区。其合金组织特征是可能含有m 9 5 。z n 。、m g ，z n 。、m g z n 、m g ：z n ，或m g z n ：等共晶化 合物。在m g - z n 二元合金中由共晶反应生成的离异共晶沉淀物主要为m g 。z n 。，其 晶体结构为十二面体配位多面体结构。纯粹的m g z n 二元合金在实际中几乎没有 得到应用，因为该合金的组织粗大，对显微缩孔非常敏感。但这一合金有一个明 显的优点，就是可通过时效强化来显著地改善合金的强度。因此，通常加入第三 种元素来抑制精粒的长大。在m g z n 二元系基础上发展起来的常用m g z n 合金有： m g z n z r 合金、m g z n r e 合金以及具有良好综合力学性能的新型m g - z n - c u 合金。 ( 3 ) m g - r e 系合金稀土元素可降低镁在液态和固态下的氧化倾向。由于 大部分m g r e 系合金都具有简单的共晶反应，因此一般在晶界存在着熔点较低的 共晶。这些以网络形式存在于晶界上的共晶体，据认为能够起到抑制显微缩松的 作用，只是由于合金中部分z n 在晶界上形成了m g - z n r e 相，减轻了一些合金原 由的固溶强化效果，导致合金的室温力学性能有所降低，但高温蠕变性能得到明 显改善。镁合金中一个重要的稀土元素是y m g y 二元合金相图如图所示，y 在 m g 中溶解度是1 2 5 ，m g - y 合金系具有比其他合金高的多的室温强度和高温蠕 变性能，使用温度可达3 0 0 x 2 p 5 4 ，是一种有发展潜力的一类耐高温合金。 ( 4 ) m g l i 系合金l i 的密度只有0 5 3 9 c m 3 ，m g l i 系合金被称为超轻镁 合金，属于共晶系，容易加工，铸造的l g - l i 合金在室温下就可以加工成形，允 许变形量达5 0 一6 0 。m g l i 合金的缺口敏感性小，焊接容易。但由于l i 原子尺 寸小，原子扩散能力强，因而耐热性很差。在工业上具有实用价值的有l a l 4 1 、 l a 9 1 及l a z 9 3 3 “”m g l i 合金比强度高、振动衰减性好、切削加工性能好，是 用于宇航工业理想的材料。事实上，m g l i 合金中最具有代表性的l a l 4 1 a 合金 就是由美国国家航空和航天局( n a s a ) 于1 9 6 0 年开发并用于制造人造卫星及航 空器部件的。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 目前的发展趋势 目前看来，镁合金的发展趋向有四个方面： ( 1 ) 稀土铸造镁合金，5 0 年代以后，镁合金在航空航天工业迅速发展至大量 应用的原因之一，是稀土金属( 包括钍) 在铸造镁合金得到应用而出现了大量新型 合金8 0 年代又发展了更高性能的含钇合金目前世界各国的含稀土铸镁合金牌 号已占合金总数的一半以上镁一稀土金属系热强合金在2 0 0 - 2 5 0 摄氏度时具有 良好的抗蠕变性能，主要原因是镁与稀土形成的耐热相m g 。r e ，在晶粒内形成适当 排列的亚显微沉淀所致。继e k 3 0 以后发展了e z 3 3 ( z m 4 ) ：以钍代稀土金属的h k 3 2 的工作温度可达3 0 0 摄氏度。这类合金较之镁铝系合金具有的优点为：铸件壁厚 敏感性小，显微疏松倾向小；有较好的高温稳定性；无应力腐蚀裂开倾向；除 z e 6 3 外；仅用低温时效来提高性能“目 ( 2 ) 高温性能的显著改善：镁合金的高温性能较差，因而限制了镁合金 的应用。但是近年来镁合金的高温性能有了显著提高。例如，m g - z r 合金不仅在 室温下的力学性能有了很大改善，而且其高温性能也得到了很大提高，过去只能 耐1 5 0 ，现在能耐3 0 0 高温。同时，m g t h 合金z t 和z t 6 在3 5 0 高温中能 保持高抗蠕变性能。这种合金，主要用制造飞机发动机，作为高温铝匐金和钛合 金的替代材料在汽车工业中，传统的高温镁合金主要是a s 系列，由于含a 1 量 的减少和s i 元素的加入，减少了m g 。，a 1 。：相而得到了硬度和熔点都很高的m 9 2 s i 相，提高了合金的高温强度。最近的发展是通过添加稀土元素得到了高温强度更 优良的a e 毓镁合金。由于稀土( 一般为富铈混合稀土) 元素的加入，在晶界生 成的高熔点化合物m g 2 c e 对晶粒起到订扎作用，从而提高了合金的高温强度和蠕 变强度“” ( 3 ) 镁合金的半固态铸造：镁合金的半固态铸造类似于铝合金半固态铸 造，即将事先制备好的棒材，按一定尺寸切断，通过加热至固相率为4 0 9 6 6 0 的温度，然后进行挤压铸造成形。这种方法的优点在于成形的铸件质量好，无气 孔和缩松，而且成形温度低，铸型寿命长“”。 ( 4 ) 镁基复合材料，用各种连续或不连续的纤维或陶瓷颗粒来增强的镁基 复合材料，由于其密度较其他金属基复合材料小，并具有强度高，刚性好，耐磨 性高等一系列特点，在运输，航空航天工业应用方面有很大潜力“q 。 第一章前言 一i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 1 2 镁合金的强化机制 工业纯镁的室温塑性很差，纯镁单晶体的临界切应力只有4 8 4 9 m p a ，表 1 1 是纯镁的主要力学性能，可以看出纯镁多晶体的强度和硬度很低，因此必须 对镁进行强化来提高其力学性能，目前已经应用于镁合金的强化处理方法主要有 合金化强化，热处理强化、复合强化和细晶强化等。 表l ，i 纯镁的力学性能 ! i ! ! ! ! ：! ! ! ! 墅! ! p 鎏p ! 生i ! ：! ! 墨! 鲤! ! ! ! 巴 加工状态抗拉o b , m 强度p a 删o s , 魄m p 度a 耄竽g 髓p a 墨譬，断：嶝率怒 1 2 1 合金化强化 镁合金的合金化一般都是利用固溶强化、沉淀强化和弥散强化来提高合金的 常温和高温力学性能，因此其合金化设计应该从晶体学，原子的相对大小、原子 价以及电化学因素等方面进行考虑 固溶强化是合金化元素( 溶质) 完全溶入基体金属( 溶剂) 中，溶质原子在 溶剂晶格点阵处取代溶剂原子，从而通过原子错排及溶质与溶剂原子之间弹性模 量的不同而强化基体金属。当合金元素在基体合金中的固溶度随温度的下降而降 低时，就可以在合金中产生沉淀强化，其强化机制是析出相阻碍位错运动和滑移， 从而提高屈服强度。弥散强化的机制与沉淀强化类似，但析出相不同，弥散强化 的颗粒在合金凝固过程中产生，一般具有较高的熔点，而且不溶于镁基体，具有 良好的热力学稳定性。用于镁的合金强化元素主要有a 1 1 1 s + z o l 、z n 2 1 - 2 3 一、r e 【2 们酣、 a g 2 7 】、c a 【2 8 2 9 i 等，主要合金元素对于镁合金性能的具体影响见表1 2 。 1 2 2 热处理强化 镁合金热处理的目的在于不同程度上改善其力学性能、塑性、硬度和冲击韧 性等。镁合金的性能不仅与其化学成分有关，而且还与其所处的热处理和冷n - r 状态有关。对于镁合金铸件而言，铸态的力学性能可以通过固溶和时效的方式改 4 山东大学硕士学位论文 i 表1 2 合金元素对镁合金性能的影响l 7 1 t a b l e1 2e f f e c to f s o m ee l e m e n to np r o p e r t i e so f m a g n e s i u ma l l o y 元素熔炼及铸造性质力学性能腐蚀性能 a g 在同时加入稀土时改善高温抗对腐蚀不利 拉和蠕变性能 a l 改善铸造性能，有形成显微疏提高强度，低温下( 低于1 2 0 提高耐蚀性， 松的倾向) 沉淀硬化。对蠕变性能不蚀敏感性 利 b e 低浓度( 低于3 0 x 1 0 ) 时可一 一 以明显降低熔体表面的氧化， 导致晶粒粗大 c a 有效的晶粒细化作用，可抑制改善蠕变性能 熔融金属的氧化 c u易形成金属玻璃的合金系，改一 善铸造性能 f c 镁与低碳钢坩埚几乎不反应一 l i 增大蒸发及燃烧危险降低密度，增加延性 m n以沉淀f c m n a i 化合物来控制提高韧性，增大蠕变能力 铁含量，细化沉淀产物 对腐蚀不利 增加应力腐 对腐蚀不利，必须限制 对腐蚀不利，必须限制 强烈降低耐蚀性 控制铁的作用而提高耐蚀 性，过量的b i n 则增加腐 蚀速度 一 n i 易形成非晶态的合金系一对腐蚀不利，必须限制 r e 改善铸造性能，减少显微疏在室温和高温下固溶强化和沉提高耐蚀性，提高应力腐 松，细化晶粒淀强化；改善高温抗拉及蠕变蚀敏感性 性能 s i降低铸造性能，与其他合金元改善蠕变性能有害 素形成稳定的硅化物，与a l z n 及a g 相溶 t h 抑制显微缩松 改善高温抗拉及蠕变性能i 改一 善延性最有效 y细化晶粒作用改善高温抗拉及蠕变性能改善腐蚀行为 z n增加熔体流动性，弱的晶粒细沉淀硬化，改善室温强度，如较小影响，增加应力腐蚀 化剂，有形成显微疏松和热裂不加入z r 则有脆化及热脆倾向敏感性加入足量的z r 可 的倾向补偿c u 的有害影响 z r晶粒细化剂，从熔体中清除稍改善室温下抗拉强度提高耐蚀性，降低应力腐 f e 、a l 及s j蚀敏感性 善；对于锻件而言，既可以单独，也可以用冷加工、退火，时效等工艺来改善其 性能；对于固溶处理而言，为了获得最大的过饱和度，淬火加热温度通常比固相 线低5 1 0 c 。镁合金的原子扩散能力弱，为保证强化充分固溶，通常需要较长 的加热时间。 第一章前言 i i i i i i i i i i i i i i i i - 一 1 2 3 复合强化 通过囱镁及镁食金基体中添加增强相制备镁基复合材料可以提商镁台衾的 弹性模量并改善合龛的耐磨性、抗拙强度、高温强艘以及抗蠕变性熊镁基复合 耪辩夔密发一般奎挚1 s 1 0 3 k g m 3 ，瑟耪糕豹瞧戆褥到了大幅度蟪提褰，瓣恧 具有更高的比强度和比刚度，成为金属基复合材料领域的新兴研究热点之一。 焉手镁蒸复合毒| 精黪增强稳要求与基谤合金之瓣具有爱好靛锈疆、纯学褪容 性及润湿性，而且饕尽量避免增强棚与基体会金之间的界面反应。聪前，在镁基 复会材料的制备中穗经用弼的增强稠有纤维转0 - 3 2 1 ( c 纤维、弱纤缭、b 纤维、 a 1 2 0 3 纤维等) 、晶须3 3 4 5 ( s i c 晶须、m 9 2 8 2 0 5 晶须、s i j n 4 晶须等) 和颗粒f 3 6 1 ( b 4 c 颗粒、s i c 颗粒、a 1 2 0 3 颗粒、 f i b 2 颗粒、a 1 n 颗粒等) 三大类。 采用增强攘聪镁舍金遴霉复会瀑纯时，赛瑟反皮对于复会楗料搜戆盼影响是 极为重要的，增强相和镁基之间的界面问题成为镁熬复合材料研究的关键，进一 步攘讨不露增强穗每镁基钵蕊赛瑟蔽应、赛瓣状态秽器嚣赘缝会过穰将是镁萋复 合材料研究的重点。 1 2 4 细虽强化 镁合金的细晶强化主要是通遥控制镁舍金晶粒渡的方法来实现。台金的藏服 强震秘晶粒尺寸的关系可熙h a l l - p e t c h 公式宋表示，即： 一三 以= o - o + kd 2 ( 1 - - 1 ) 公式( 1 - - i ) 审，魂一耪辩夔嚣羰强度( m p a ) o o 一单晶体的屈服强度( m p a ) k 一常数( t i m 2 a m p a ) d 一晶粒大小( 岬1 ) 研究表明，鬻雳镁台金豹k 值约为2 8 0 3 2 0 p m l ：2 m p a ，两键会龛静k 篷仅 为6 8 1 a m l ：2 m p a ，故密排六方结构的镁合金的强度受晶粒尺寸的影响较大，细晶 强化在镁合衾中的表现尤为明显。 曩翦镁会金的螽粒缨他可以透过渡奎处理法、拳露态处理法、快速凝固法以 及阉态热交形法等实现 3 7 - , 1 0 | 。液态处理法主要是通过添加晶械细化荆对液态镁合 6 山东大学硕士学位论文 m i l 一一 i i _ 金熔滚透符憝瑾，强蓠簿辩应焉静磊粒续纯蔚主要存含蚤豹帮含e 豹两晕争绥纯 剂；半固态成形是将原料加热到固液相线老间的濑度，然臌将其雎入型腔成形， 从而获得舆有细小微观结构的高性能镁合企；利用快速凝灏时较快的冷却速度， 可以获褥细小的耪寒晶粒，将粉末鼹粒除气鞍热压成形后以得到赢性能的鳃晶 材料；固态热变形法主要脊大比率热挤压和等径角挤压( e c a p ) 正艺，火比率 交影( 透露按压魄零低- t1 0 0 ：i ) 熬鑫粒缀纯效暴稳当甓曼，毽是这耱工艺对于 设备的要求很高，实现大规模生产较困难，e c a p 照一种可以使铸锭等合金材料 魏壤亿，绒鑫纯静耨技术，主要是通过连绥翡剪掰变形来缨纯合金豹鑫税缎织。 i 3 变形镁合金的研究现状 镁台金由于其密度小，比强度、比刚度高等特点“，在电器、汽车和航空工 业中具有广阔的应用前景。然而，镁合金自身的缺点比如离温性能麓、抗腐蚀能 力低，以及金属镁其套的密箕 六方磊体结 晦，造成? 镁及镁会金耪糕较差蠡冬塑性 变形能力。但由于变形镁会金，比铸造镁含金有着熙多的优点，如强度更高，可 攘王往更强渊，嚣魏，交形黧工镁会龛靛磷究逐潺袋淹榜辩领域黪磷究熬煮之一。 许多镁合金既可做铸遗镁合金又可做变形镁台众。变形镁合金经过挤服、轧 制謦口锻造等工艺瑶其有眈朔同成分豹铸造锾合金更高的力学性能。变形镁含佥制 品毒轧制薄板、挤压得( 如棒、型材和管材) 和锻传等。这然产品具有更低成本、 更离强度和延展性以及多样化的力学性能等优点 在交影镁会金孛。掌麓黪会金系是瓣g - a 1 系等m g - z n - z r 系。鹾g 一矗l 系变形 合袅一般属于中等强度，塑性较高的变形镁材料，铝含量约为o 一8 ，典型合金 秀a z 3 1 、a z 6 1 耧a z 8 0 ，由于m g - m 会金其有琵好鹣强度、整经帮掰雪腐蚀综合经 能，而且价格较低，因此是最常用的合金系列。m g - z n z r 系合金一般属予高强 度材科，变形能力不如醅g 一舡系合金，常簧用挤聪工艺生产，典型台金为z k 6 0 合众。常用变形镁会金有a z 3 1 b 、a z 6 1 a 、a z 8 0 a 和z k 6 0 等“”。 目前，国内外对于挤愿镁合金的研究丈多数基于低合众化。2 0 0 3 年，肖泽 辫等人l 朝璨弱勰接肄头式方法，磅究了a z 9 1 d 镁会金熬掺器残形王艺，缝莱表 明，用n 2 或气排除挤压模具型胶中的空气，能防止镁合金液在挤压成形流动 7 第一章前言 过程中产生氧化及夹杂：挤压模具的加热，对镁合金的挤压成形影响很大；挤压 压力、保压时间和挤压速度等挤压工艺参数与铸件的结构密切相关。 2 0 0 2 年，翟秋亚等人【4 5 l 采用5 0 0 t 挤压机试验研究了挤压变形对a z 3 1 镁合 金组织和性能的影响。图1 为动态挤压变形过程中的组织变化动态变形过程大 致分为3 个区域：初始区、变形区和稳态区，分别对应着不同的组织。图1 1 a 为初 始区挤压变形前的铸态棒料组织。由粗大的o m g 树枝晶和分布其间的d - m g + m 9 1 7 a 1 1 2 共晶体组成，枝晶形态十分发达，具有典型的铸造组织特征。晶粒 尺寸为1 1 2 4 0 0 i im 。图1 1 b 为变形区近稳态区组织。图中存在大量无序流线， 流线弯曲度大、方向不定且长短不一，显然这种组织特征是在挤压力作用下破碎 的树枝晶晶臂( a 固溶体) 发生滑移、转动的结果图1 1 c 为稳态区纵断面组织。 图中沿挤压方向分布的剪切条纹平行流线清晰可见在平行流线上，分布着大量细 小、致密的等轴晶粒。显然，形变组织已发生了再结晶，平行流线可能是变形纤维 在再结晶组织中的再现。晶粒间几乎看不到o m g + m 9 1 7 a 1 1 2 共晶组织。这表明， 经过大的挤压变形后，铸态组织中的共晶体发生破碎。离散分布于。固溶体中挤 压流线密度较高，黑白相间，成簇状穿越每一个再结晶晶粒。挤压纤维横向尺度比 再结晶晶粒要小的多 图4 为挤压比对a z 3 1 镁合金力学性能的影响。可知，与铸态( = 1 ) 相比，变形 镁合金的强度ob 和延伸率6 均有很大的提高。当 1 6 时，强度和延伸率提高十 分显著；当x 1 6 时，随 的增大，强度值增大，ob 曲线变化较为平缓，而延伸 率有所降低，6 曲线呈单调减小趋势。尤其在x = 1 6 6 4 范围内，延伸率减小 幅度较大。很明显，在 = 1 6 附近，存在着延伸率的极大值。图5 为挤压比对a z 3 1 镁合金硬度的影响。图中，随着挤压比的增大，硬度值单调增加。另外，纵截面硬度 的增加幅度( 曲线陡度) 比横截面硬度的增加幅度要大一些，这可能与纵、横向应力 分布不均衡有关 对 结果表明，挤压变形a z 3 1 镁合金组织以绝热剪切条纹和细小的a 再结晶 等轴晶为基本特征。挤压变形可显著地细化镁合金晶粒并提高镁合金的力学性 能，随着挤压比的增大，晶粒细化程度增加，强度、硬度随挤压比的增大而增大。 随后，周海涛【4 6 】、张星【4 7 1 等人同样研究了挤压变形对a z 3 1 镁合金的的组织 及性能的影响，发现通过挤压变形，a z 3 1 合金发生动态再结晶，可显著的细化 山东大学硕士学位论文 - i i i i i i i i i i i i i i ii i ii i i i l l m - 晶粒，并鼠随着挤压温度的升高，含金的抗拉强度下降，劐一定温度后，越于稳 定；在稳瓣豹变形壤度下，睫着变形遗度的舞毒，是越有长大豹戆势。 2 0 0 3 年，张星嘲、于翔呻1 等人研究了挤压变形对m b l 5 镁合金组织及性能的 影璃，发袋揍压交澎 l b l 5 镁合金鬈绥滚赘甥条纹秘缀夸静醢孬缝螽等轴菇为基 本特征，随着挤压比的增火，晶粒细化程度增加，力学性能提高。 豳1 1 动态挤压过襁中的组织变化 f i g1 1t h ef r a m e w o r k $ c h a n g eo fd y n a m i ce x t r u d ep r o c e s s 图1 2 挤压比对& 7 , 3 1 力学性能的影响 f i g1 2e f f e c to fe f f e c lo f e x t r u s i o nr a t i o no nm e c h a n i c h ap e r f o r m a n c e 1 4 准晶增强镁合金的研究现状 镁合余垂赛黪缺点魄翔强度较l 蔻、毫溅性能嫠、撬建镶笈力低等，袋铡了箕 应用范围，为了党服上述缺点，扩大镁合金的应用范围，人们展开了对新裂镁合 金静碜 究，9 0 年卡中赣，淹着m g - z n - y 含金串准磊穗嘲弱发瑶，准晶毒季瓣高硬 度、低摩擦系数、不粘性、耐蚀、耐热和耐磨性为镁合金的应用提供了广闷的前 景f 5 1 1 。 9 、i 第一章前言 m g z n - y 合金作为镁合金的一种，也越来越受到各国学者的注意，某些成 分的m g - z n y 合金具有准晶相粒子。自1 9 8 4 年准晶州5 2 l 被首次报道后，准晶一 直是材料界的热门课题，准晶的结构和物理性能等方面的研究都取得了很大的进 步。学者们已经逐步认识到准晶材料的应用潜力，如法国学者研制出准晶不粘锅。 我国准晶基础理论方面的研究一直保持国际领先水平，但在性能和基础应用研究 方面与国际先进水平有很大差距。 m g z n y 合金的准晶粒子分布在晶界上，可对基体起到强化作用，使合金 具有较高的强度，硬度。但准晶相分布于晶界，使合金塑性加工性能，抗拉强度 差。研究表明通过热挤压能改变合金的组织，改善合金的性能【5 3 1 m g - z n - y 合 金属镁合金系，它既有m g 合金的特征，又有自己的特性。它在一定范围内普通 铸造即可形成准晶【钏。准晶的基本特征是长程取向有序性和非晶体学旋转对称性 的固态有序相。准晶以非周期而有序的原子结构为特征，具有五次、十次等特殊 对称性【5 5 】。准晶因具有与晶体和非晶材料不同而且独特的结构，所以其性能特点 也与它们大不相同。 自1 9 8 4 年s h e c h t m a n 等人首次在舢m n 急冷合金中发现准晶相以来，人们 对其进行了深入、广泛的研究。准晶的电子衍射花样特征表现出不同于晶体的5 次对称和高于6 次的8 次、l o 次、1 2 次对称，这些特征表明准晶代表了一种新 的固态结构。准晶材料由于具有结构不完整的特殊性【5 6 i 和性能不同于普通晶体材 料的特点，引起了材料研究者的普遍关注。准晶的特殊结构使得人们希望获得一 种具有一系列独特电、热、和力学性能的新颖材料，从而引发了人们对其电、磁、 动力学卧诣1 等方面的研究。早期发现的准晶是亚稳态，对其研究以微观结构和 形成机制为主，随后在a i c u - l i 、a 1 c u f e 、a 1 p d m n 、z n - m g - r ( r = g a 、y 、 t b 、d y 、h o 、e r 、s o ) 、m g - z n y 【5 9 1 等合金系中相继发现了稳态准晶的存在， 为其性能和应用研究提供了条件。稳态准晶材料具有优异的力学性能，如高强度、 高硬度等，例如a 1 p d m n 准晶的维氏硬度可达7 8 g p a ，超过最硬的钢材的硬度 【删。正是由于准晶拥有这样优异的性能，将准晶增强相引入到镁合金中可大大提 高镁合金的力学性能，为新型镁合金的开发和实际应用提供了一种新途径。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 4 1 完全准晶m g - z n y 合金 1 9 9 8 年f i s h e r 等人在r ( r - y j e r ，h o ，d ya n dt b ) - m g - z n 合金中发现了大块 的二十面体准晶相，但由于完全准晶的脆性限制了其理论的发展【6 l l 。 2 0 0 1 年y i s 等人通过通过在m g z n 二元共晶成分中加入少量的稀土元素y 6 2 1 ，首次在合金中得到了二十面体准晶相与o - m g 的共晶组织，克服了由于大 块准晶相的存在而引起的材料的易脆倾向。 1 4 2 高强纳米晶m g z n y 合金 2 0 0 1 年日本东京大学a i n o u e 报道了通过快速凝固粉末冶金法开发出一种 新的高强度纳米晶m 9 9 7 z n l y 2 合金【6 3 1 ，在晶界上形成的是晶粒大小约l o n m 的立 方m 9 2 4 y s 相，由于m 9 2 4 y s 相的存在，使得合金的拉屈服强度为6 1 0 m p a ，延伸 率为5 ，纵弹性模量为4 5 g p a 。 2 0 0 3 年日本的a l o ks i n g h 等人在5 2 3 k 下对m 9 9 5 z n 4 2 y 0 $ 和m 9 9 2 g n 6 4 y l 脚挤 压在晶界处发现了大小约为1 0 0 n m 的二十面体准晶增强相，图1 3 为合金 m 9 9 5 , z n 4 2 y o s 、m 9 9 25 z n 65 y 沿挤压方向的显微组织图，从图中可以看出，沿挤压 方向分布的剪切条纹平行流线清晰可见，在平行流线上分别着大量细小、致密的 晶粒。 图1 35 2 3 k 下合金沿挤压方向的显微组织图 a m 9 9 5 z r l 42 y o 。( b ) m 9 9 2r , z n 6 5 y f i g 1 3 0 p t i c a l m i c r o g r a p h s o f t h e a l l o y s e x t r u d e d a t5 2 3 k o ns e c t i o n s a l o n g t h ee x t r u s i o n d i r e c t i o n a m g g s z n 4 z y 0 s ( b ) m 9 9 2s z n 6s y 第一章前言 1 4 3 部分准晶增强m g z n - y 合金 m g z n y 合金是一种基于m g z n 二元合金的新型镁合金。1 9 9 3 年，罗治平 等人在y - m g z n 合金中发现了稳态的二十面体准晶【6 5 1 ；随后通过成分设计，分 别采用常规铸造工艺和快速凝固工艺在m g - z n y 合金系中得到了含有部分二十 面体准晶相的镁合金【的】这为镁基准晶合金的进展做了开创性的研究。 1 9 9 5 年，罗治平等人在前期研究基础上，采用慢速冷却条件，获得了含有 大部分准晶相的m g - z n - y 合金，并认定为面心立方结构的二十面体准晶，同时 在晶粒内部发现了一些近似相的存在嘲。 直到2 0 0 2 年，韩国d b a e 等人给出了m g - z n - y 三元合金系中准晶粒子形 成的成分范围，该范围是z n 含量1 0 - 1 0 和y 含量o 1 - 3 ( 原子比) ，在这 一成分范围内均得到准晶相，并且指出准晶相以共晶组织形式分布在基体晶界 上【6 s 】。这些研究结果是基于采用铜模铸型冷却的0 1 5 m m 条棒合金，未能说明 慢速冷却和快速凝固条件下的组织形成规律。 d b a e 等人对含有准晶相的m g - z n y 合金的相析出机制进行了初步研究， 发现晶粒内部可以析出二十面体准晶相以及其它金属化合物相1 6 q l 。此外，镁基准 晶材料的研究及其所具有的特性，表明镁合金在成分设计、组织控制和性能方面 仍有很大的发展空间，但完全块体准晶材料因其本征脆性，目前尚难以进入工业 化应用。因此，采用常规铸造工艺，制备出含部分准晶相的镁合金无疑是一种理 想的结合点。 在热处理条件下，d h b a e 等人对含有准晶相的m g z n y 合金的相析出机 制进行了探讨性的研究。结果表明，铸态试样在不同的热处理工艺中，其析出 相的种类及其体积分数是不同的。通过控制热处理工艺，晶粒内部可以析出二 十面体准晶相以及其它金属化合物相。目前，热处理过程中的准晶相析出机制 的研究仍是薄弱环节，尚需对热处理条件下微小尺寸的准晶相、近似相以及金 属间化合物相等相结构作精细分析。 韩国学者b a e 等人在6 7 3 k 对m g z n y 合金进行热轧处理，试样的晶粒尺 寸为1 4 2 4 岬，合金的屈服强度为2 2 0 m p a ，极限拉伸强度为3 7 0 m p a ，延伸率 为1 7 2 ，相对铸态试样，合金的力学性能有了较大的提高。日本s i n g h t 7 0 l 等人 在6 7 3 k 以比率l o ：l 拉伸m g - z n y 合金，得到晶粒尺寸为2 岬的挤压试样， 1 2 山东大学硕士学位论文 _ i i l l i i i i i i i i i i i i _ i 对挤压合盒进行