（材料加工工程专业论文）电脉冲轧制装置及镁合金轧制工艺的初步研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 塑性差是镁基合金、铸铝合金等加工与应用上的一个瓶颈，改善塑性 也就成为这些材料研究与应用中急需解决的关键技术之一。 而且金属在传统塑性加工过程中由于金属内部位错的形成和运动， 产生加工硬化，造成材料的硬脆性，难于连续多道次加工。因此，需要 对塑性加工后的轧件进行退火处理。而传统的退火方式由于其退火原理 均通过热效应来实现，因而存在效率低、耗能大、污染环境以及产品表 面氧化严重等缺点。 针对塑性较差合金和难加工合金，为了克服现有塑性加工方法的不 足，本文将以a z 9 1 d 合金为例，初步探讨一种新的塑性加工工艺一电脉 冲轧制工艺。 首先，本文对电脉冲轧制工艺要求进行了深入探讨，自行研制了一 种能实现电脉冲轧制的小型脉冲轧制装置。并申请了相关专利( 申请号： 2 0 0 9 1 0 1 1 7 5 4 9 8 ) 。 其次，本文提出了相应的实验方案，对a z 9 1 d 板材进行了不同工艺 条件下的电脉冲轧制实验，将电脉冲轧制后的试样进行了抗拉强度、延 伸率等力学性能的测试，并应用金相显微镜等观察轧制前后显微组织的 改变，并与传统冷轧后的力学特性、显微组织进行了对比分析。该实验 结果表明： 1 电脉冲轧制技术可以加工塑性较差的合金，实验证明a z 9 1 d 镁 合金具有一定的可轧性。经过反复实验，获得的可轧制a z 9 1 d 镁合金的 最佳工艺参数为：脉冲频率5 0 h z ，脉冲电压7 2 v ，脉冲电流5 5 0 a ，轧制 速度2 5r r a i n 一： 2 轧制试样累计道次能达到的最大变形量总体上随着电流的增加而 呈现逐渐增大，到达一定峰值后有所减小的趋势。由于电塑性效应，三 道轧制后的最大变形量可达5 9 5 。 3 在最佳工艺参数下a z 9 1 d 镁合金的抗拉强度等力学性能会得到 显著的改善。但仍然出现了较轻的加工硬化的现象。 4 电脉冲轧制使微观组织结构发生了明显改变，出现了纤维组织， 某些枝晶被打断，晶粒明显细化；出现了变形中心区域晶粒比边缘变形 更明显，晶粒更细的现象。 电脉冲轧制装置及镁合金轧制工艺的初步研究 另外还对塑性较好的3 a 2 1 铝锰系铝合金进行了对比电脉冲轧制实 验，进行对照分析。 最后，借鉴电塑性等理论等对脉冲轧制工艺机理进行了初步探索性 研究，发现脉冲电流的通入可以极大的提高加工金属及其合计的塑性指 标，而且电塑性效应带来的热效应可以明显降低轧件再结晶的起始温度， 加速了其回复与再结晶，提高了再结晶形核率，从而使金属的各项性能 指标得到快速恢复。这样可以有效地减少中间退火次数，甚至可以避免 中间退火，强化生产过程，大大提高生产率。 关键词：a z 9 1 d ；电脉冲轧制；电塑性效应；退火；再结晶 u 兰州理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o o r d u c t i l i t y i sab o t t l e n e c ko f p r o c e s s i n g a n da p p l i c a t i o no f m a g n e s i u m ，c a s t a l u m i n u ma l l o y sa n do t h e rb r i t t l e a l l o y s ，s od u c t i l i t y e n h a n c e m e n tb e c o m e sak e yt or e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l s 1 ti sd i f f i c u l tt oh a v eac o n t i n u o u sm u l t i p t o c e s s i n go ft h ew o r k p i e c e a f t e rt r a d i t i o n a lp l a s t i cd e f o r m i n gp r o c e s se s p e c i a l l yt h ec o l d - w o r k i n g p r o c e s s o fm e t a l ，b e c a u s eo ft h ei n t e r n a ld i s l o c a t i o nf o r m a t i o na n d m o v e m e n tw h i c hl e a d st oaw o r kh a r d e n i n ga n dc a u s e sh a r d n e s sa n d b r i t t l e n e s si nm a t e r i a l s a st or e f r a c t o r y ，h a r d w o r k i n ga n db r i t t l em e t a l sa n da l l o y s ，i no r d e rt o o v e r c o m et h ed e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a lp l a s t i cp r o c e s s i n g ，t h ep a p e r w i l l e x p l o r ep r e l i m i n a r i l y an e w p l a s t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y _ _ _ 。 e l e c t r o s t i m u l a t e dr o l l i n g ( e r ) f i r s t l y ，t h ep a p e r c o n d u c t sa t h r o u g hs t u d y t ot h e t e c h n o l o g y r e q u i r e m e n to fe r ，h a sd e v e l o p e ds m a l le q u i p m e n tf o re r ，a n da p p l i e df o ra r e l e v a n tp a t e n t ( a p p l i c a t i o nn u m b e r ：2 0 0 9 1 0 1 1 7 5 4 9 8 ) s e c o n d l y ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lp r o g r a m ， c a r r y i n go u tt h ee l e c t r i c p u l s e dr o l l i n ge x p e r i m e n t st oa z 9 1d p l a t eu n d e r d i f f e r e n t p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s a n dt h e nm a k e s at e n s i l e s t r e n g t h ，e l o n g a t i o na n do t h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n gt ot h eo r i g i n a l s a m p l e a n d s a m p l e s w h i c h c a r r y o u te rt r e a t m e n tu n d e re l e c t r i c p u l s e o b s e r v e t h em i c r o s t r u c t u r e c h a n g e s b e t w e e nt h e o r i g i n a l s a m p l e ，s a m p l e su n d e re rt r e a t m e n ta n dt h o s eu n d e rc o l d r o l l i n gc o n d i t i o n w i t hm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e t h e nc o n d u c tac o m p a r a t i v ea n a l y s i so f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r et ot h es a m p l e su n d e rt r a d i t i o n a l r o l l i n ga n de r t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 t h ee rt e c h n o l o g yc a np r o c e s s p o o r - d u c t i l i t ya l l o y s a z 9 1 d m a g n e s i u ma l l o yh a sb e e np r o v e dt o b e r o l l i n gu n d e rt h et r e a t m e n to f e l e c t r o p u s i n g a f t e rr e p e a t e de x p e r i m e n t st h eo p t i m u mp a r a m e t e r so fe r p r o c e s s i n gf o ra z 9 1 dm a g n e s i u mp l a t ec a nb eo b t a i n e d ：p u l s ef r e q u e n c yo f m 5 0 h z ，p u i s ev o l t a g eo f7 2 v , p u l s e c u r r e n to f5 5 0 a ，r o l l i n gs p e e do f 2 5 r m i n 一 2 t h em a x i m u md e f o r m a t i o no fs a m p l eu n d e rc u m u l a t i v ep a s s e se r p r o c e s s i n gg r a d u a l l yi n c r e a s e sw i t h t h ec u r r e n ti n c r e a s i n g ，b u tr e a c h e sa c e r t a i np e a kv a l u ea n dt h e nd e c r e a s e s d u et ot h ee l e c t r i cp l a s t i ce f f e c t ，t h e m a x i m u md e f o r m a t i o na f t e re rc a nr e a c h t o5 9 5 3 t h em c c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c h a st h et e n s i l es t r e n g t ho fa z 9 1 d m a g n e s i u mc a nb er e m a r k a b l yi m p r o v e du n d e rt h eo p t i m u mp a r a m e t e r so f e rp r o c e s s i n g b u tt h e r ei ss t i l lap h e n o m e n o no fw o r kh a r d e n i n g 4 a z 91dm a g n e s i u ma l l o ym i c r o s t r u c t u r e h a ss i g n i f i c a n t l yc h a n g e d a f t e re r t h e r ew a sf i b r o u st i s s u e ，s o m ed e n d r i t e sw e r ei n t e r r u p t e d a n d g r a i n sa r eo b v i o u s l yr e f i n e d t h eg r a i n d e f o r m a t i o no fc e n t e ra f e ao f d e f o r m a t i o nr e g i o ni sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h ee d g e t h e r ew e r em o r ef i n e g r a i n si nt h ec e n t e ra r e a i na d d i t i o n ，t h ee rt o3 a 2 1a l u m i n u mi s c a r r i e do u ta n dt h ef e s u l t s w e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fa z 9 1 f i n a l l y ， a n e x p l o r a t o r ys t u d y a b o u te rm e c h a n i s m i sc a r r i e do u t a c c o r d i n gt o t h ee l e c t r o p l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r y a n do t h e rr e l e v a n t t h e o r i e s ，f o u n dt h a tt h ep u l s ec u r r e n tc a ng r e a t l yi n c r e a s et h et h ep l a s t l c i n d i c a t o ro ft h ep r o c e s s i n gm e t a l ，t h e t h e r m a le f f e c t o fe l e c t r o p l a s t l c e f f e c t ( e p e ) c a nd e c r e a s et 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 e a tt h eo n s e to i r o l l i n g ，a c c e l e r a t ei t sr e c o v e r ya n dr c c r y s t a l i i z a t i o np r o c e s s i n c r e a s e s t h e n u c l e a t i o nr a t eo fr e c r y s t a l l i z a t i o n s ot t h ep r o p e r t i e so fm e t a lc a nr e c o v e r r a p i d l y d o i n gt h i sw ec a ne f f e c t i v e l y a n n e a l i n go re v e na v o i dt h ep r o c e s s ， g r e a t l yi n c r e a s ep r o d u c t i v i t y r e d u c et h en u m b e ro fi n t e r m e d i a t e s t r e n g t h e nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ， k e yw o r d s ：a z 9 1 d ；e l e c t r o s t i m u l a t e dr o l l i n g ；e l e c t r o p l a s t i ce f f e c t ； a n n e a l i n g ；r e c r y s t a l l i z a t i o n i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重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后果由本人承担。 作者签名：黄 观 日期：洲。年y - 月弱e l 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， 即：学校有权保留并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。本人授权兰州理工大学可以将本学 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。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：枷伊年_ l - 月名日 日期：伊【年，月沈日 兰州理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 低塑性金属材料及其在塑性加工中的应用 1 1 1 低塑性金属材料 低塑性金属材料是指塑性很差，难于通过塑性变形经行加工的金属 及合金。本文主要将其分为以下几类： 1 塑性较差有色金属轻合金材料，如镁基合金、铸铝合金等塑性很 差，一般不能或不宜进行塑性成形的有色金属脆性材料一直是加工中的 难题l 。 2 金属电子结构及自身变形系统( 包括滑移和孪生系统) 决定其室 温塑性很低的金属及合金，如t i a i 基等钛合金，虽然t i a l 基合金有许 多优点，但近几年来开发的t i a l 基合金仍有许多性能方面的问题需要解 决，但室温塑性低一直是阻碍t i a i 基合金应用的重要原因1 2 】。 3 高温合金，又称为耐热合金，是指在6 0 0 一 1 2 0 0 高温下能承受 一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。它具有优良的高温强度、 热稳定性及抗热疲劳性。高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。 4 其他如马氏体不锈钢，铸铁等。 1 1 2 低塑性金属材料的塑性加工 低塑性金属合金很难塑性加工，一直是材料成形领域的一大瓶颈。 1 镁基合金等塑性较差的有色轻金属的虽然具有质量轻、强度高、 电磁屏蔽性好、减震性好等良好性能，但由于常温下变形能力差，锻造、 挤压及轧制加工，难度大，加工成本过高，极大的限制了变形镁合金的 发展。而大部分零件主要是通过铸造等方式来生产。 2 除此外，大部分低塑性合金都比较贵，鉴于加工技术难和加工成本 高，过去对其使用受到限制，基本上只用于国防、船舶、核电及石油化工 行业等特殊场合。有些合金很脆，基本上不具备塑性加工的条件；有些 合金低温下难以实现塑性加工，只能通过机械切削加工实现。 1 2 镁合金及其在塑性加工中的应用 1 。2 1 镁合金 本文主要以镁合金为研究对象进行电脉冲轧制研究。 镁合金是重要的轻质结构材料，与钢和铝合金相比，不仅具有较高 电脉冲轧制装置及镁合金轧制_ - 1 2 艺的初步研究 的比强度和比刚度，而且具有优良的散热性能、电磁屏蔽性能、减震性 能和机械加工性能，但是塑性极差f 3 4 1 。 镁的晶体结构是密排六方，镁在室温的变形主要通过在基面 0 0 0 1 上密排方向的 1 120 】方向的滑移和在角锥面 1 01 2 上的孪生，在常温下 容易脆裂；在4 7 3k 以上时第一类锥面 1 0 1 1 ) 产生滑移，塑性大大提高， 孪晶也变得不重要了；4 9 8k 以上时第二类锥面 1 0 12 h 旦可能产生滑移， 塑性提高更大，但变形镁合金在6 7 3k 以上易产生腐蚀及晶粒粗大，从 而影响性能。镁晶体的轴比c a = 1 6 2 3 3 ，小于1 7 3 2 ，在拉伸时孪生不能用 来激活新的滑移系，所以镁合金的拉伸塑性一般小于1 0 。 1 2 2 镁合金在塑性加工中的应用 由于镁及其合金是密排六方晶体结构，滑移系少，室温下塑性较差，目 前人们主要通过细化晶粒来提高其强度和塑性。但在承受压应力时，由 于孪生与滑移的相互协调，使镁合金表现出良好的塑性变形能力。因此 变形镁合金主要是在5 7 3k 7 7 3k 温度范围内通过轧制、挤压、压力锻 造进行生产1 5 】。 1 2 2 。1 镁合金的轧制成形 轧制是镁合金板材的主要生产方法。由于镁合金板进行轧制加工，其 变形模式属于两向延伸，单向压缩，限制了镁合金塑性能力的发挥。因此镁 合金在不同应变速率下的伸长率在室温轧制比较困难，一般的镁合金轧制 都采用热轧和温轧。适合轧制的镁合金牌号有m g m n 系的m b l 、m b 8 ， m g a 1 z n 系的a z 3 1b ，以及m g l i 系的l a l 4 1 。 1 2 2 2 镁合金的挤压成形 镁合金管、棒、带、型材主要采用挤压方法加工成形。镁合金的塑 性较低，而挤压工艺最适用于低塑性材料的成形加工，大部分镁合金如 a z 31b 、z m 21 、z k 6 0 a 、h k 3 1 等均可用挤压生产。 1 2 2 3 镁合金的锻压成形 镁合金在常温下锻造容易脆裂，其锻造温度范围较窄，必须在4 7 3 k 6 7 3k 之间。因而锻造较困难。常用的锻造镁合金有m g a i z n 系和 m g z n z r 系。镁合金的锻造性能取决于3 个因素：变形程度，终锻温度 及变形方式。 1 2 2 4 镁合金的铸轧成形 与传统的镁合金轧制相比，镁合金铸轧技术生产工艺简单，生产周期 2 兰州理t 大学硕十学位论文 短，能够节约大量的能源，设备投资少，生产成本低，效率高，同时铸轧出 的薄带可得到理想的微观组织和良好力学性能的产品。目前镁合金铸轧 主要采用的是双辊铸轧技术，它是以两个逆向旋转轧辊为结晶器，将金 属液体浇入由铸辊和侧封板围成的熔池中，直接铸成薄带的新工艺。该工 艺是金属凝固和轧制变形的有机统一，即液态金属在结晶凝固的同时承 受压力加工和塑性变形，在很短的时间内完成从液态金属到固态的全部 过程，取消了传统的热轧工序。 1 3 电塑性加工技术 近年来，国内外许多研究者把高能电脉冲作为一种新的技术手段引 入材料制备与材料加工的研究中，如液态金属凝固组织细化、金属缺陷 的自修复、纳米材料制备、非晶合金的防脆处理、材料的疲劳性能改善 以及电塑性加工等。 1 3 1 电塑性效应 材料的电塑性加工技术是在材料加工工艺过程中引入高能脉冲电流 对工件进行电刺激的一种新型加工方法。目前该领域在塑性比较差或难 加工合金的板、带材的电塑性轧制和线材电塑性拉拔等方面的研究和应 用比较多。电塑性加工主要利用电脉冲的电塑性效应来改变冷加工材料 性能，降低材料加工过程中的加工力，如轧制力和拉拔力，利于加工， 获得良好的组织性能。 电塑性效应( e l e c t r o p l a s t i ce f f e c t ) 是指材料( 包括各种金属材料、陶瓷 材料、超导材料、粉末冶金制品等) 在运动电子( 电流或电场) 作用下， 变形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象。最先是1 9 6 3 年由原苏联学者 o a 。t r o t s k i i ( 即o a 。t p o a t t k h 诸) 在作表面活性剂实验时发现的。在表面涂 汞的锌单晶拉伸实验中，他观察到当加速的电子流沿晶体滑移系某一方 芑l 图1 1 电子照射下涂汞锌单晶式样在2 0 时的拉伸曲线 3 最葛 电脉冲轧制装置及镁合金轧制1 二艺的初步研究 向对锌进行辐照时，试样拉伸应力明显降低，塑性显著提高，但当电子流 垂直于滑移面时锌元素明显脆化，并且发生脆性段裂( 图1 1 ) 【引。 随着电塑性效应的问世，2 0 世纪7 0 年代初o a t r o t s k i i 等人进行了 一系列电流对金属变形和延展性的影响的重要研究，研究了脉冲电流对 锌单晶在液氮温度下单轴拉伸时变形力的影响，实验结果表明：高密度 脉冲电流对弹性变形区和营利松弛区无影响，而对塑性变形区产生重要 的电塑性效应，即电脉冲降低了变形应力，提高了锌的塑性变形能力【7 1 。 这一实验成了研究电塑性效应的里程碑。随后，俄美学者进行了大量的、 系统的研究，上个世纪8 0 年代以后，电塑性效应也逐渐在物理学科和材 料科学学科方面引起学界的普遍关注，各国纷纷开展电塑性效应的机理 及工程应用的系统研究。有许多学者发现电塑性效应存在于许多金属其 中包括一些h c p 结构的金属中如钛锌和镉和很多非金属材料( 如陶瓷材 料、超导材料等) 中1 a - 1 5 】。我国在这一领域研究起步较晚，19 9 5 年清华大 学在国家自然科学基金资助下展了电塑性效应的机理及工程应用的系统 研究，并且取得了许多成果。 实际上，高能脉冲电流所造成的电塑性效应是一种复合效应，是多 种物理效应共同作用的结果，主要有：纯电塑性效应；焦耳热效应 ( 由于电阻的存在导致温度升高而使金属软化，通过升高的温度体现) ； 磁压缩效应( 由干电流的磁场对固体等离子体产生压迫，而使金属受 径向压力并导致受轴向拉力) ；集肤效应和热电效应【1 引。在一般情况下， 集肤效应造成的应力不大，对塑性变形有影响很有限，尤其是当试样截 面较小( 如线材) 时，应力极小，其影响可忽略不计。热电效应通常也 可不予考虑。所以，电塑性效应基本上是纯电塑性效应、磁压缩效应和 焦耳热效应的反映。 但电塑性效应是怎样产生的一直是各国材料科学家和物理学家所关 注的问题。学者们进行了大量研究工作，对电塑性的机理也有了逐步深 入的认识，但由于问题较复杂、动态观察困难，迄今仍未找到满意的科 学解释。大家比较认同的观点是：塑性变形的实质是由于金属内部位错 的产生和运动。当材料变形区内受到电脉冲的刺激时，材料内部的原子 获得能量，原子振动增强。从而加快了位错运动，打开了位错间的缠结， 使其容易克服滑移面上的障碍，这样材料变形更容易，降低了材料的变 形抗力，所以提高了材料的塑性。已有实验结果证实脉冲电流促进了位 错运动，但电流是如何对位错发生交互作用和推动位错运动的仍不清楚 1 1 7 - 1 8 1 。 4 兰州理工人学硕士学位论文 1 3 2 电塑性加工的国内外研究现状 电塑性效应自发现以来，国际上的一些学者对此进行过理论研究的 同时，也开展了工程应用的探索，已取得了显著进展。近年来，已在航空、 航天领域的成型加工中取得了良好的效果。其中最引人注目的是线材的 电塑性拔制和在难成形和塑性较差合金的轧制方面的应用。我国在这一 领域研究起步较晚，1 9 9 5 年才开始电塑性效应的系统研究，现已在电塑 性加工用高密度脉冲电源设备的研制和电塑性拉拔和轧制的工程应用方 面具备一定的科研基础。 1 电塑性拉拔 电塑性效应最先的应用是在金属的拔丝工艺方面。电塑性拉拔主体 装置( 如图1 2 ) 利用高密度脉冲电流的电塑性效应来促进金属丝材塑性 变形过程中的变形、降低拉拔力、提高丝材的成型极限、改善丝材的显 微组织结构和综合力学性能。此项技术近年来得到了快速发展。 图1 2 电望性拔丝装置示意图 清华大学经过近1 5 年对金属线材的电塑性加工研究，已取得了一定 的成果【”砣引。对不锈钢丝、不锈钢焊丝、普通碳素钢丝、t i n i 形状记忆 合金丝、有色合金丝材( c u 丝、c u 2 s i 焊丝、a 1 s i 、a 1 m g 焊丝、a z 3 1 丝) 等材料进行了电塑性拉拔实验。 姚可夫等人研究了脉冲电流对不锈钢丝拉拔变形的影响【1 6 以9 1 。图1 3 所示，在施加脉冲电流和无脉冲的情况下，h o c r l7 n i 6 m n 3 不锈钢焊丝拉 拔过程中的拉拔力的对比【”】。实验表明，施加脉冲电流不仅能显著降低钢 丝的拉拔力，还能减缓钢丝的加工硬化，降低拉拔钢丝的抗拉强度和提高 拉拔钢丝的伸长率，同时提高钢丝的塑性变形能力和钢丝的总拉拔变形 量：并且能减少甚至取消钢丝拉拔过程中的中间退火。唐国翌等人对铜 丝、镁合金丝等进行了大量电塑性拉拔实验 2 4 - 2 7 1 ：对于直径小于1 6 m m 的不锈钢丝( 1c r l8 n i 9 ) ，若按普通工艺需经1 2 道次拔制，两次中间退火 处理才能拔制成直径小于0 4 5 m m 的钢丝。而采用电塑性拉拔技术无需任 5 电脉冲轧制装置及镁合金轧制工艺的初步研究 拉拔变形量d r a w i n gs t r a i nc 图1 3h o c r l 7 n i 6 m n 3 不锈钢焊丝在不同拉拔变形量下的拉拔力 何中间退火就可对该不锈钢丝进行连续拉拔。数据表明，与普通拉拔相比， 电塑性拉拔的拔制力降低2 0 5 0 ；钢丝的抗拉强度降低1 3 3 4 ： 伸长率则增加【24 1 。类似的情况也存在于镁合金丝材的电致塑性拉拔中 【29 1 ，并且成功拉拔出直径l m m 的性能优良的a z 3 1 线材。 根据大量的实验结果和工程应用实践经验，电塑性拉拔技术在与塑 性变形前的脉冲电流预处理和拉拔变形后的脉冲电流后处理相结合的拉 拔工艺研究和应用方面极具有前景。 2 电塑性轧制 电塑性效应在材料加工领域的深入研究和逐渐应用使各种金属及合 金的电塑性轧制变形成为可能。这些金属合金包括变形镁合金材料，不 锈钢、t i n i 形状记忆合金，甚至难处理的，难变形的如钨，钼甚至铼及 它们的合金 3 2 - 3 9 】。 图1 4 电塑性轧制装置示意图 实验装置如图1 4 。以钨为例，俄罗斯的学者在轧制过程中在金属变 形区通以高密度的脉冲电流( 1 0 4 1 0 6 a c m 2 ) ，成功轧制了直径2 3 m m 和5 6 m m 的钨带，一次通过轧辊足以使轧带变形5 0 7 0 1 4 引。 国内的清华大学进行了a z 31m g 合金薄带的电塑性轧制 4 1 l 。变形镁 合金在常温下特别是在轧制薄带时大塑性变形受到限制，一旦积累冷轧 轧制量超过约2 5 ，反复的退火工艺需要支付的较高成本是不可想象的。 虽然升高轧制温度可以改善延性。这种方法可以激活非基底滑移系统【4 2 1 ， 6 帅 ；霎 啪 明 白 3 z、钆g_i盘曲c一eq r 辎黛 兰州理t 大学硕十学位论文 由于过高的温度产生不可避免的困难，例如厚度的公差和带材的形状是 无法克服的。 实验采用挤压成型获得的宽度为2 m m 和厚度为0 8 9 m m 的a z 31 带， 并在5 7 3 k 退火1 小时。实验装置如图1 4 。高能脉冲电流作用于a z 31 镁合金带，a z 31 镁合金带直接接阴极( 两辊) 和阳极( 导轮用铜质导轮) 在2 0 0 毫米线上移动。轧件厚度的减少和轧制速度分别保持在2 3 和1 米分。 图1 5 不同电脉冲参数下轧制分力大小 电脉冲对轧制力的影响可以通过传感器的数据得到，整个试验过程 中，加和没有加电脉冲两种情况下，轧制力的数据已记录如图1 5 ，该图 表明脉冲电流显著降低了轧制力，且轧制力与电脉冲的频率密切相关， 出现一些相应的平台和峰值( 即有、无电脉冲相区别) 。实验得出了试样 普通轧制和电塑性轧后的拉伸试验结果，发现电塑性轧制的样品的伸长 率和拉伸强度要远高于冷轧得到的，且表面质量可以达到同冷轧一样的 满意程度。采用电脉冲技术使人们在加工镁合金薄带时不用或减少退火 工艺成为可能。电塑性轧制的显微组织的特点就是在一个相对低温的情 况下发生了明显的动态再结晶。 电塑性轧制使轧制板带材单次变形量和总变形量、轧件质量比普通轧 制有了明显提高，增加材料的成型极限，且可实现免中间退火成卷轧制， 并且无需加热轧辊。在难加工和塑性较差的材料轧制方面具有很好的研 究和产业化价值。 7 电脉冲轧制装置及镁合金轧制t 艺的初步研究 1 4 课题的意义及主要研究内容 1 4 1 本课题的意义 将电脉冲技术和塑性加工相结合，如电脉冲轧制( e r ) 和电脉冲拉 拔( e d ) 等。目前国内进行研究的有清华大学等少数单位，在利用电塑 性效应拉拔线材方面取得了一定成果；国际上俄罗斯巴以科夫冶金研究 院是研究电脉冲轧制技术较早的国外单位，进行了难加工、难变形的合 金如钨、钼甚至铼及它们的合金的电脉冲冲轧制实验【3 引。电脉冲轧制突 破传统塑性加工技术的局限，它对促进节能高效的新塑性加工工艺发展 将具有非常重要的意义。其意义在于两个方面： 1 低塑性金属材料的塑性加工一直是个难题，有些脆性材料基本没 有轧制的可能。如镁合金，其塑性差，即使是变形镁合金也不能像铝合 金那样能以很高的道次变形率( 5 0 6 0 ) 进行加工。像a z 9 1 d 镁合金， 变形率很低，第一道次轧制就可能发生严重的裂边，甚至无法轧制。因此 将电脉冲技术和轧制相结合，本课题希望能为拓宽低塑性金属材料塑性 加工途径作参考。 2 大多数材料在冷轧过程中均有不同程度的加工硬化产生，在多次 冷轧加工后，必须对合金进行再结晶退火，以恢复材料原有的塑性。最 常用的提高金属塑性变形能力的方法就是对其加热，然后再进行轧制， 加热有几种方法：电或燃气加热炉加热，电磁感应加热，以及通以电流 产生热量进行加热。这些都是把加热跟轧制分成两道工序。最大的工时 消耗、能耗、劳力投入发生在多次加热和退火工序中。一个最有效减少 能耗和劳动力成本的轧制方法，就是在轧制的同时施加脉冲电流，时间 和空间上把变形和电流带来的电塑性效应结合起来。因此，本课题将探 求轧制中退火过程的节能优化模式。 1 4 2 研究的主要内容 1 4 2 1 实验方案 本课题将对塑性较差的a z 9 1 d 镁合金做电脉冲轧制工艺的初步探 讨，并与塑性较好的3 a 2 1 ( 旧牌号l f 2 1 ) 做电脉冲轧制实验来对比研究， 浅析了电脉冲轧制工艺的原理。主要研究内容如下： 1 电脉冲轧制装置的研制：电脉冲轧制装置是电脉冲轧制工艺的关 键装置，借鉴电塑性加工原理和中小型轧钢机械结构研制出电脉冲轧制 装置，该装置主要有三部分组成：小型主轧机、脉冲电源和其他辅助装 置。 8 兰州理工大学硕士学位论文 2 设计合理的实验方案并总结出电脉冲轧制最佳工艺参数：如果电 脉冲参数选择不合理，金属的原子被击出晶格位置的极限时，引起晶格 缺陷，反而产生辐照强化，导致金属轧件塑性下降，力学性能降低。因 此本文将选用a z 9 1 d 镁合金材料和3 a 2 1 铝合金材料，在电脉冲轧制装 置上进行不同工艺条件下的电脉冲轧制实验，总结出电脉冲轧制的最佳 工艺参数。 3 力学性能及显微组织检验：将电脉冲轧制后的金属材料进行抗拉 强度、延伸率等力学性能测试，并应用金相显微镜等观测轧制后显微组 织的改变，并与传统冷轧后的力学特性、显微组织对比。 4 初步探索电脉冲轧制机理：在实验结果，显微观测的基础上，借 鉴电塑性等理论对电塑性加工机理进行初步探讨，寻找出初步的科学解 释。 9 电脉冲轧制装置及镁合金轧制t 艺的初步研究 1 4 2 2 技术路线 1 0 兰州理工大学硕士学位论文 第二章电塑性加工基础理论 电塑性加工理论主要包括塑性变形理论，加工硬化理论，退火理论 和电塑性效应相关理论。 2 1 塑性变形理论 当应力超过弹性极限时，在宏观上产生了不能复原的永久变形，金 属就产生塑性变形。实际使用的金属大多是多晶体，多晶体的塑性变形 中，除了各晶粒内部的变形( 晶内变形) 外，各晶粒之间也存着变形( 称 为晶间变形) 。多晶体的塑性变形是晶内变形和晶间变形的总和。下面简 单介绍它们的机理。 2 1 1 塑性变形机理 2 1 1 1 晶内变形 晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。其中滑移变形是 主要的；而孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。但在体心立方会属、 特别是密排六方金属中，孪生变形也起着重要作用。 1 滑移 所谓滑移是指晶体( 可理解为单晶体或构成多晶体的一个晶粒) 在力 的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发 生相对滑动。这些品面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。滑移一般借 助于位错运动实现，如图2 1 ，结果使大量原子逐步的从一个稳定位置移 到另一个稳定位置，产生宏观的塑性变形。一般地说，滑移总是沿原子 密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面，原子间距小， 原子间结合力强；而其晶面间的距离则较大，晶面与晶面之间的结合力 较弱，滑移阻力当然也较小。通常每一种晶胞可能存在几个滑移面，而 每一滑移面又同时存在几个滑移方向。一个滑移面和其上的一个滑移方 向，构成一个滑移系。滑移系多的金属要比滑移稀少的金属，变形协调 性好、塑性高，如面心立方会属比密排六方金属塑性好。滑移系的存在 只说明金属晶体产生滑移的可能性。要使滑移能够发生，需要沿滑移面 的滑移方向上作用一定大小的切应力( 如图2 1 ) ，此称临界切应力。临 界切应力的大小，取决于金属的类型、纯度、晶体结构的完整性、变形 温度、应变速率和预先变形程度等因素。 1 l 电脉冲轧制装置及镁合金轧制工艺的初步研究 图2 1 通过位错造成滑移示意图 2 孪生 孪生是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面( 孪生面) 和一定的晶向( 孪生方向) 发生一定角度的均匀切变( 图2 2 ) 。孪生变形后， 晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相 位方向发生了改变。这种在变形过程中产生的孪生变形部分称为“形变 孪晶 ，以区别于退火过程中产生的孪晶。孪晶和滑移相似，也是通过 位错运动来实现的。但是产生孪生的位错，其柏氏矢量要小于一个原子 间距，这种位错叫做部分位错，所以孪生是由部分位错横扫孪生面而进 行的。 生葡 0 p 图2 2 孪生示意图图2 3 晶粒之间的滑动和转动 2 1 1 2 晶间变形 晶问变形的主要方式是晶粒之问相互滑动和转动，如图2 3 所示，多 晶体受力变形时，沿晶界处可能产生切应力，当切应力足以克服晶粒彼 此间相对滑动的阻力时，便发生相对滑动。 另外，由于各晶粒所处位向不同，其变形情况及难易程度也不相同。 这样，在相邻晶粒间必然引起力的相互作用，而可能产生一对力偶，造 成晶粒问的相互转动。对于晶间变形不能简单地看成是晶界处的相对机 械滑移，而是晶界附近具有一定厚度的区域内发生应变的结果。这一应 变是晶界沿最大切应力方向进行的切应变，切变量沿晶界不同点是不同 的，即使在同一点上，不同的变形时间，其切变量也是不同的。 1 2 兰州理t 大学硕十学位论文 在冷变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只 起次要作用，而且需要有其他变形机制相协调。这是由于晶界强度高于 晶内，其变形比晶内的困难。还由于晶粒在生成过程中，各晶粒相互接 触形成犬牙交错状态，造成对晶界滑移的机械阻碍作用；如果发生晶界 变形，容易引起晶界结构的破坏和裂纹的产生，因此晶内变形量只能是 很小的。 2 1 2 塑性变形基本定律 2 1 2 1 体积不变定律 在压力加工过程中，只要金属的密度不发生变化，变形前后金属的 体积就不会产生变化。若设变形前金属的体积为v 0 ，变形后的体积为v 1 ， 则有： v 0 = b l h v 1 = b l h v 0 = v 1 常数 实际上，金属在塑性变形过程中，其 有一些变化。 图2 - 4轧件加工前后尺寸图 2 1 2 2 最小阻力定律 叙述1 ：物体在变形过程中，其质点有向各个方向移动的可能时，则 物体内的各质点将沿着阻力最小的方向移动。 叙述2 ：金属塑性变形时，若接触摩擦较大，其质点近似沿最法线方 向流动，也叫最短法线定律。 叙述3 ：金属塑性变形时，各部分质点均向耗功最小的方向流动，也 叫最小功原理。 2 1 2 3 弹塑性共存定律 物体在产生塑性变形之前必须先产生弹性变形，在塑性变形阶段也 伴随着弹性变形的产生，总变形量为弹性变形和塑性变形之和 4 2 - 4 3 l 。 2 2 加工硬化机理 金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和 韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶 粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部 产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微 1 3 电脉冲轧制装置及镁合金轧制工艺的初步研究 硬度的比值和硬化层深度来表示。因此，需要对经冷加工后的金属进行 退火处理，使其机械强度、延伸率等指标满足产品性能和质量的要求才 能进行下一步塑性加正。 最常用的工程金属材料有适当的强度和延性。金属和合金的延性使 得他们能通过各种加工工艺进行塑性变形得到所需要的形状而不破裂。 但是，塑性变形时金属内部组织发生变化，因而金属的性质也发生相应 的改变。而其中变化最显著的是金属的力学性质，即随着变形程度的增 加，金属的强度、硬度增加，而塑性韧性降低，这种现象成为加工硬化。 在塑性变形或冷加工中，金属和合金强度增加的主要原因是位错增 加及重新排列。关于加工硬化的成因，普遍也认为是与位错的交互作用 有关。即随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反映和相互交 割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，以致形成胞状亚结构， 使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动。这样要使金属继 续变形，就需要不断增加外力，才能克服位错间强大的交互作用力。由 此可以理解，滑移系较多的金属，滑移可以同时或交替的在几个滑移面 上进行，位错间的交互作用就较强，所以加工硬化速率必然会越大。而 这种硬化现象对生产是十分不利的。为了使冷加工的金属易于变形，需 要将其进行退火处理，来降低其硬度和应力，使其机械强度、延伸率等 指标满足产品性能和质量的要求。下面我们就来介绍一下退火软化处理 的机理【4 3 _ 44 1 。 2 3 退火理论 对于硬度和应力己增加的金属和合金，在退火过程中，高度畸变的 冷加工组织部分地或完全回复到含有较少位错的、软得多的延性组织状 态。目前，金属材料的连续退火主要有加热炉退火、电阻热退火、中高