（材料加工工程专业论文）轧制板材镁合金az31的再结晶行为.pdf

硕士学位论文 擒要 近年来，镁合金的成用越来越受到重视。由于镁及镁合金为密排六方结构， 室淦蘩牲热王能力较差，袈鹰握舞其工艺塑性，敬善其变形瞧缝是镁合金癍用豹 关键之一。实践证明，细化晶粒是镁合金获得较高的机械性能，例如高的黧性变 形髓力的有效手段。两邋过动态再结晶馥及在变澎后结合合适豹熟鲶理是热变形 成形中细化鼎粒最毒效的方法。 本文首先通过在不同温度，不同的轧制变形量对a z 3 1 镁合金挤压板材迸行 孰剑，磅究了轧割滠度、交形爨露变形速度慰a z 3 l 镁会金缀织秘热能奠影旗。 结果表明，a z 3 1 镁合金襁轧制变形时，随着轧制变形量的增大和轧制温度的升高， 动态释结晶形棱数蟊增多，经绞越来越细夺艇均匀。餐怒警交形量和滠度过离对， 可导致晶粒粗化。通过) ( 射线衍射分析，可以发现，轧制后 0 0 0 2 基面织梅强度 随变彤程度增大荷增强，随变形速度增大而减弱。在相同的轧制条件下，激过异 步轧划的板材的动态弄结晶晶粒比同步转剑的更缨小均匀。异步轧制最终磁褥援 材中挛晶比阔步轧制中簧少得多，有时甚至完全消失。舜步轧制能够在一定程度 土改蛰镁会垒扳捞孛教( 0 0 0 2 基孬织麴取彝，经织梅褥到软纯，撼商镁合金戆 塑性变形能力，异步轧制板材的强度降低，伸长率明显掇高。 遴遗在不磊滠度对轧髑薄投进行退灾，研究了退灭澈度和邋火辩问对镬合金 组织和性能的影响。实验结果表明，3 0 0 x 3 5 l 制后的a z 3 1 镁合鑫薄板材昀缎织中 存在火量的擎晶。退火后，孪晶逐渐消失，形成等轴的爵结晶晶粒。晶粒尺寸随 退火滋度蛇舞裹露变大，随退火时闽瓣延长先纲豫居长大。固瓣，退火蓐援耪酶 抗拉强度略有下降，但伸长率脊明显提高，在2 0 0 退火1 2 0 m i n 后，伸长率可达 翻2 8 。是窍 o 0 0 2 基瑟平行予辊蹋蔽覆静再结菇磊粒魄其它取囱豹晶粒燮容器 长大，随着遐火温度和时间的增长f 0 0 0 2 面的衍射强度逐渐升鼯。 关键谰：镁会金；动态髯结晶；静态襻结晶；辜l 割；a z j l a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e np a i dag r e a td e a lo fa t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r s ， h o w e v e r , m a g n e s i u ma l l o yp o s s e s s e sp o o rf o r m a b i l i t ya tr o o mt e m p e r a t u r eb e c a u s eo f i t sh e x a g o n a lc l o s e dp a c k e d ( h c p ) c r y s t a ls t r u c t u r e g r a i nr e f i n e m e n ti sk n o w nt ob e a ne f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h ep o o rm e c h a n i c a lp r o p e f t i e s t h em o s tp r a c t i c a l t e c h n i q u eo fg r a i nr e f i n e m e n tf o rm a g n e s i u ma l l o y s i sd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na n d r o l l i n gc o m b i n e d 弼饿s u i t a b l eh e a tt r e a t m e n t 。 t h em i c m s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o l l e dm a g n e s i u ma l l o ya z 31 w e r es t u d i e da td i f f e r e n tr o l l i n gr e d u c t i o n sa n dt e m p e r a t u r e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e g r a i ns i z ei saf u n c t i o no fs t r a i n ，s t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r e 。w i t ht h ei n c r e a s i n go f r o l l i n gr e d u c t i o na n dt e m p e r a t u r e ，n u c l e u sa m o u n to fd y n a m i cr e c r y s t a i l i z a t i o n i s i n c r e a s e d ，m o r eg r a i n sa r er e f i n e d h o w e v e rg r a i ns i z eb e c o m e sc o a r s e ra sr o l l i n g r e d u c t i o na n dt e m p e r a t u r ei st o oh i 酶糯i n t e n s i t yo f 0 0 0 2 b a s a lc o m p o n e n t i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gr e d u c t i o na n dd e c r e a s e sw i t l li n c r e a s i n gs t r a i nr a t e u n d e rt h e s a m ed e f o r m a t i o nc o n d i t i o n ，t h eg r a i ns i z eo fm a g n e s i u ma l l o ys h e e tr o l l e db yc r o s s s h e a rr o l l i n gi sf i n e rt h a nn o r m a lr o l l i n g b e s i d e s ，t h ei n t a n s i t yo f 0 0 0 2 b a s a l c o m p o n e n tw a sw e a k e n e d ，t h et e n s i l es t r e n g t h sd e c r e a s ea n dt h et e n s i l ee l o n g a t i o n i n c r e a s e s 。 t h em i e r o s t r o c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o l l e dm a g n e s i u ma l l o ya z 31 w e r ei n v e s t i g a t e du p o na n n e a l i n gu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a t t w i n n i n gt a k e sp l a c ei na l lt h eg r a i n si na z 3 1m a g n e s i u ma l l o yr o l l e da t3 0 0 c t h e t w i n sd i s a p p e a r e dg r a d u a l l ya n dr e c r y s t a l l i z e dg r a i n sf o r m e da f t e ra n n e a l i n g g r a i n s i z eg r o w sl a r g e ra st h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei se l e v a t e da n dr e d u c e sa tf i r s tt h e n g r o w s a st h ea n n e a l i n gt i m ei sp r o l o n g e d i na d d i t i o n ，t h et e n s i l es t r e n g t h so fa n n e a l e d a l l o yd e s c e n ds l i g h t l y , w h i l et e n s i l ee l o n g a t i o ni n c r e a s e s t h eh i g h e s te l o n g a t i o ni s 2 8 a f t e ra n n e a l e da t2 0 0 f o r1 2 0 m i n ，n o r m a lg r a i ng r o w t ht a k e sp l a c eu p o n a n n e a l i n g g r a i n sw i t h 0 0 0 2 b a s a lp l a n e sp a r a l l e lt ot h es h e e tp l a n eg r o wa tt h e e x p e n s eo fg r a i n sw i 氆o t h e ro r i e n t a t i o n s 。t h ei n t e n s i t yo f1 0 0 0 2 b a s a lc o m p o n e n t i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dp r o l o n gt i m e s x 帮w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；d y n a m i cr e c r y s t a i l i z a t i o n ；s t a t i cr e c r y s t a i l i z a t i o n ； r o l l i n g ；a z 3 1 湖南大学 学位论文原创性声明 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： 协戛多乙 日期：枷z 年f 月f 日 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，同意学 校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：掳葛嵬l 日期：训绰f 月，) 日 导师签名：穆触 ， 日期： 加年，月， e l 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，镁合众用量惫剧增加，广泛用予航天航空、交通运输、 谤冀规、电予逶讯、消费类电子、国防军工等领域。镁及镁会金具有密度小、毖 强度高、比剐性好、抗冲击性和抗震性能优越、散热性和电磁屏蔽性好等特点， 嚣能圄浚、秃萱| ：境污染、爨源事察，被誉秀毪l 毽瑟绿色王程耪糕”l | 一。 纯镁强度较低，难以作为结构材料直接使用。猩镁中添加微量合衾元素，即 食金纯w 改善其综含力学住能。工监镁合金中常用的合金元素有a l 、z n 、m n 、 z r 、s i 、鬏e 、a g 、c l l 等。锻和稀元素的作用是改善镁合金机械性能和铸造性能； 镟能形成a i f e m n 化合物，减少铁的质量分数，提高镁台金的耐蚀性 锌改进镁 会金耐饿性帮强度；镑霹缨让晶粒；硅在组织孛形成硬麴建矮惑，搀菸镁会金爆 变强度 银w 以提高镁金耐热性。目前常用的镁会金有5 个系列，即 a z ( m g - a 1 - z n ，m n ) 系疑，a m ( m g - a 1 - m n ) 系残，z k ( m g - z n - z r ) 系确，a s ( m g - a 1 * s i ) 系列，a e ( m g ，a 1 一r e ) 系列。 镁含金按成形工艺可划分为黼大类，郎铸造镁含金和变形镁合金。由予镁晶 体为密排六方结构，基钵的独立滑移系少，室温塑性低，耀性成形能力较差，因 而镁合窳在铸造成形领域优先得到重视和发展。铸造( 即液态成形) 是镁会金的难要 残形方法，毽戆砂型铸造、金属灌铸造、重力铸造、熔摸铸造、湾失摸铸造、永 久模铸造和压铸等在内的多数铸造方法均可用于镁龠金成形，其中压铸是最成熟、 纛雳最广静方法。磊蔫，麓予汽车零部件静镁合金大郝銎王瞀逶嚣铸法叟产瑟】。 尽管目前镁合金的大部分构件都采用铸造成形方式，但是，变形麟的镁食金 缀织晶粒细小，所戳其强魔和韧健比铸件商，国际镁协会o m a ) 捂出，撤然铸造镁 会金目前占主粤地位，但经过挤难、锻造、载铡等凝性加工工艺魏变形镁合鑫产 晶具有照高的强度、更好的延展性和更多样他的机械性能，可以满足不同场仓结 构俸豹傻建要求。 为了推动镁合金在航空、航天、汽车、摩托车以及3 c ( c o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r e l e c t r o n i c s p r o d u c t s ) 产晶中大鼙应用，发展镁工韭，必 须加大镁合金的成形工艺技术方颟的研究。豳际上，变形镁合金产品还没有实现 太规模工业化，尚处在实验阶段。在国际镁协会分析开发与应用镁合念的三个阶 段中，长期的曩提是开发变形镁台金垂孽毅合袅县静、豢工芑方法，以遥应生产高 质量的薄板、棒、臀等产黼的发展趋势i 4 , s 。 耨麓交形镁合金及荬袋垄工艺懿开发，基受到鏊肉癸瓣辩工律者豹嵩度蘩褴。 美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品，如通过挤压+ 热处理后的z k 6 0 高 强变形镁众，其强度及断裂韧性可相当于时效状态的a 1 7 0 7 5 或a 1 7 4 7 5 合金， 而采用快涟凝固( r s ) + 粉米冶众( p m ) + 热挤聪工艺开发的m g - a 1 * z n 系e a 5 5 r s 变形镁仑众，成为迄今报道的性能最佳的镁合众，其性能不但大大越过常趣镁合 金，魄强寝甚至超过7 0 7 5 镪会金，显买有趣辇瞧，瘸 交速率与2 0 2 4 一t 6 锯合金葙 当，还可同时加入s i c p 等增强相，成为先进镁念金材料豹典范。翻本1 9 9 9 年开 发出超高强度的i mm g y 系嶷形镁合金材料，以及可以冷压加工的镁合金板材。 英国开发出m g a i b 挤压镁仓金，用于m a g n o x 核反应堆燃料罐。以色列最近也 研制出朋予航天飞行器上的漆罴优受力学性能和l | 蚀性能的变形镁会金，法国移 蠛罗簸弹笈了玺霉动力源交影镁合金粥稷薅裁零| 髓。 众所周知，镁资源在垒球范围内十分丰富，可 ：土从菱镁矿、囱云石矿及海水 中提取。我国是世界上镁储擞最大的国家之一。2 0 0 0 年镁产量为1 6 万吨，约占 世界总量的4 0 。但其中8 0 以上以初级原料出嘲，属于典型的出口赘源型工业。 强前我霞大部分镁合金产品为铸造成形，对于变形镁台金的研究和废用还部处于 基韬验段。嚣蘧，禚强我嚣辜塞懿镁瓷滚基磷，磷突买有裹技拳食爨的交形镁合 金，其蠢震大意义。 1 2 镁及镁合金的特点 镁以殿大多数镁合金为密排六方结构金属，如图l 。l 所示，鼎格常数a m 0 3 2 1 m n ，c = 0 。5 2 1 r a n ，c a = 1 。6 2 3 ，a = 1 3 = 9 0 8 ，了一t 2 0 。，无阉豢舅燕转交。楚镁 静一些携联性能见表1 1 。镁豹弹性模量e = 4 4 + 6 g p a ，切交摸量g 一1 7 g p a ，毙弹 性模量e p = 2 5 g p a c m 3 g ，均小于纯铝( 7 1 g p a ，2 6 g p a ，2 7 g p a c m 3 幢) 。 嬲1 。1 镁的密排六方结构 表1 i 镁的主要物瑾性能 镁及镁合众具有系列的优点，镁的密度为1 7 4 9 c m 3 ，是钢的2 3 ，铝的6 7 ， 蘩辩静1 7 秣，建金耩结梅榜辩牵激轻斡金属( 匿1 2 ) 。镁仑金熬藩强强度与锚合 众大体相当，稍低于碳钢，是塑料的4 5 倍，其弹性模量更远远高于塑料，是它 的二十多倍，阂此在相同的强度和雕度情况下，用镁合金做结梅侔可戳大大减轻 零锌重爨。丽开发节能降耗的环保型汽车，已经成为汽车产业实现可持续发展的 必经之路。 镁会金吸震性好，育裂子藏震秘器臻，爨是我爨戆导体，又其袁蕊手无电磐 电镀的涎料的优异的电磁屏蔽性。适于做能发出电磁干扰的电予产品的外壳，尤 箕是蘩靠久体黯手税舞壳。 o 彦 蕊 v 糕 辩 2 型竺 氛臻蒸 7 漕o e 9 2 龙 铁 豳1 2 一些工程用材料的密度 1 3 变骺镁会金的塑性变形 锯铜 虽然目前铸造镁合金产品用嫩大予变形镁会金，但是，变形镁合垒比铸造镁 含金具有更好的性熊，可黻满足更多的使用娶求，因此，开发变形镁合金是其未 镰锅台畿 感铝氧氪陶瓷 铝 玻璃纤维 硅 来更长远的发展趋势【5 】。 变形镁合金一般指可用挤压、轧制、锻造等塑性成形方法加工成形的镁合金。 在2 0 世纪4 0 年代，变形镁合金就已经开始应用于汽车、航空、航天、国防军工 等领域。9 0 年代以来，变形镁合金产品开始用于汽车、交通车、电子以及其它民 用产品领域。 在变形镁合金中，常用的合金有m g a i 系与m n z n - z r 系。m g a 1 系变形合 金一般属于中等强度，塑性较高的变形镁合金材料，铝含量约为o 8 ，典型 的合金为a z 3 l 、a z 6 1 和a z 8 0 合金，由于m g a 1 合金具有良好的强度、塑性和 耐腐蚀性能，而且价格较低，因此是最常用的合金系。m n - z n z r 系合金一般属于 高强度合金材料，变形能力不如m g a 1 系合金，常要用挤压工艺生产，典型合金 为z k 6 0 合金。常用的变形镁合金有a z 3 1 、a z 6 1 、a z 8 0 和z k 6 0 等 与大多数金属一样，镁合金的塑性变形的形变方式主要是滑移和孪生。但是 镁合金的塑性不好，尤其在室温下变形能力很差。在镁合金中，主要有以下几种 滑移系：( 1 ) 基面滑移系 0 0 0 1 ；( 2 ) 棱柱面滑移系缸t o o ， o o r o 和 1 1 2 0 ；( 3 ) 锥面滑移系 1 0 t l 和 l l 互2 。 一般情况下，在镁合金的变形时影响镁合金中滑移系的因素有s c h m i d 因 子；临界剪切应力( c r s s ) ；( d 变形温度。镁合金的变形方式和温度有密切 的关系。低温时( 2 0 0 以下) ，变形机制主要以基面滑移和机械孪晶为主。这是 由于室温时镁合金的基面滑移的临界剪切应力为o 6 0 7 m p a , 而棱柱面的高达 4 0 m p a ，因此镁合金室温塑性变形主要是基面 o o o l 滑移和锥面 1 0 1 2 孪生，而棱柱面和锥面滑移仅仅发生在高的应力集中处。随着温度 的升高，非基面滑移系的临界剪切应力急剧下降，当温度在3 0 0 * ( 2 以上时，非基 面滑移的l 临界剪切应力值与基面的几乎一致，c + a 柏氏矢量的锥面滑移系开动。 只有锥面滑移系0 0 i l 启动，才满足变形所需的5 个独立滑移系的要求。 但是锥面滑移系的e + a 柏氏矢量大，晶面间距小，因而位错芯较窄，滑移不易发 生。在实验中发现，通常锥面滑移为辅助滑移方式，一般发生在应力高度集中的 区域，如晶体表面或界面如晶界和孪晶界附近及晶粒内部a 位错和c 位错的交界 处i ”。在温度较高时，交滑移参与变形。镁合金的棱面滑移机制与交滑移机制有 关。在应力作用下，基面上分解的a 位错可以在一个足够长的范围内重新结合以 便能够在棱面上滑移，即交滑移。具有刃型分量的位错通过交滑移在棱面上滑移， 直至穿过整个晶面，与正负相反的位错结合或遇到阻滞。这种阻滞如果在螺型位 错附近发生，则螺型位错自动分解为基面上的分量以降低能量。进一步的滑移需 要基面上的刃型分量的不断重新组合以便在棱面上形成螺型位错。所以镁合金一 般都采用热变形加工。尉胤红、周海洲7 i 等人认为高温下a z 9 1 镁合金的变形机制 可能为位错交滑移、位错攀移及交错孪生，而孪晶则无论高温或者低温都存在于 - d - 基体中。 一般说来，晶体中孪晶只在较高的应变速率和较低的温度下出现，但对于h o p 金属来说，变形孪晶在塑性变形中起着重要的作用【8 一】。孪晶本身对塑性变形的贡 献并不大，但它可以使不利于滑移和孪生方向的晶粒发生重排，从而取得有利的 位置。当孪晶达到一定的比例时，初生孪晶内部的二次滑移和孪晶可以带来较大 的应变，使得滑移孪晶和孪晶孪晶的交互作用从能量上变得可行。 1 4 变形镁合金的轧制 如前所述，室温下密排六方晶体结构的镁基合金塑性变形仅限于在基面 ( o o o l 的3 个滑移系，这就决定了镁合金的压力加工性能较差。另外，a z 3 1 合金为两相合金，在n m g 基体上分布有1 3 - m g l 7 a l l 2 相。该相会降低合金的塑性， 随着温度的升高，一方面镁基体的滑移系增加【l ，另一方面b m g a 1 1 2 相的硬度 下降，而且在轧制前通过对坯料预热及保温可使偏聚的b m g l v a l l 2 相部分溶解， 从而减小了该相对塑性的影响，降低了合金的变形抗力，消除部分加工硬化，提 高合金的塑性，故镁合金可以采用热轧变形加工。 轧制过程受许多因素的影响，这些因素可以分为两大类，第一类为影响轧制 金属本身性能的一些因素，第二类是影响应力状态条件的因素。前者为金属的化 学成分和组织状态以及热力学条件( 即变形温度、变形速度和变形程度) 。变形温 度升高，金属的变形抗力降低。而随着变形速度和变形程度的增大，变形抗力增 大。镁合金板材轧制过程中的主要工艺参数包括压下量、轧制速度、轧制温度、 辊型及牵引张力等，其中最关键的是压下量、轧制速度和轧制温度。镁合金在室 温下轧制时由于塑性较差，从而冷轧每道次的变形量一般只有1 0 1 5 ，若加 大变形量则会发生严重裂边。低温轧制时合金中容易产生高的应力集中，从而导 致孪晶形核和切变断裂；而轧制温度过高时，晶粒容易长大而使板材热脆倾向增 大。镁合金轧制温度范围一般在2 0 0 4 5 0 ，在此温度区间和中等应变速率 ( o 3 s “) 条件下轧制时合金易发生动态再结晶而使轧制性能得到改善。 交形织构是影响镁合金力学性能和塑性成形能力的一个重要因素。大量研究 表明蛳”】，轧制过程中镁合金内将形成强的( 0 0 0 2 ) 基面织构，即大部分晶粒均 以其基面平行于轧板表面。这种织构特征是由塑性变形过程中( 0 0 0 2 ) 基面滑移 和( 1 012 ) 锥面孪生所致。 变形织构是塑性变形过程中晶粒的转动与取向的定向流动所致。塑性变形过 程中，晶粒在外加应力的作用下会发生转动并引起其取向发生变化。晶体转动方 向与应力状态有关。对单晶体而言，在拉应力作用下其滑移方向转向拉伸方向； 在压应力作用下，滑移面转到与外应力垂直的方向。轧制变形时，若除去静水压 力的影响则为近似的平面应力状态，即沿法向受压和轧向受拉，结果使滑移面平 行予毵蔽表瑟，涛移方惫平行予转囱。 多晶体的濑性变形比单晶体的要复杂得多，由予相邻晶粒之间的桐赢作用及 其对取向分布的影响，并且多晶体各晶粒周围的环城非常复杂，因此常用变形模 型加以简化。常见的多晶体变形模型有两种。一种熙s a c h s 模型，该横溅假设多 鑫俸内各暴辍均承受稻同的瘦力。据诧模型，当镁会鑫在2 0 0 温度以下整形对， 其塑往交形瓤铡灸基嚣涛移窝镶瑟攀生，若变形程度愁够大，将形戎璎憋鹃 0 0 0 l 基面纤维织构戚板织构。另一种怒t a y l o r 模型，该模型认为在外加应力作用下， 多晶体内各晶i 锻均产生相同的应炎。近些年来，国内外对镁合金变形织构生成的 定量分析大多旗子t a y l o r 模型。按t a y l o r 模型进行分析时，必须要确窳备滑移系 模式在塑性变形过程中鹣滑移量疑其对总应变的贡献丈，3 、。对镁会金藤蠢，其关 键蔗臻定基甏渗穆、控嚣辫移、壤嚣滢移及锥覆挛焦戆耱对c r s s 滋壤及溪移系 的组合方式”。 镁合金织构形成后，对其后续轧制过程及二次成形过程如冲压等极其不利。 形成( 0 0 0 2 ) 熬面织构后，在后绥加工过程中，由乎加工压力方向通常均基面垂 直，使得s c h r a i d 因子中豹0 = 0 。，2 = 9 0 。，即c o s 2 c o s c p = o ，故加工压力谯滑移面 上熬分凌应力必零，基嚣淫移不荔瘫魂，塑挂残形戆菇大疆废簿糕。爨爨邈毒鞋 利用镁合金酶织稳强纯改善或食瑷稍用其各向凳性的力学往能。茵忿，如何在交 形过程中改替镁台金的微观组织、研究织构在镁合焱中的形成及其对镬含金性能 的影响亦成为期前变形镁合金领域的主要研究方向之一。 1 5 镁合金豹鑫粒细化 镁合佥密稍 穴方的晶体结构决定了其塑性交形黯力较差，如何解决这闻题， 提高其工艺塑悭，改善镁合金变形性能是镁合金应用的关键之一。虽然在绝大多 数情况下，合众冗素以及第二相粒子( 包括有色金属中的g p 区) 的强化效果比 细化晶粒更为明最，在工业生产巾媳应用的更为广泛，但是，几乎所有的这些方 法郝穆琴| 起李孝辩爨毪及裁缝豹恶豫。瑟缨纯鑫粒戆够糍不壤鞋睾| 辩絮黉瞧戆德嚣 下据嵩榜辩强度。实践证疆，缨德熊粒是镁合金获褥较麓驰辊械往髓 1 2 , 1 3 】，错魏 高的塑性变形能力的有效手段。通常，细化晶粒可以提高金属材料的戚服强度、 疲劳强度、凝性和冲击韧性，降低其脆性转变温度。材料的屈服强度岛晶粒大小 存在函数关系，也就是h a l l - p e r c h 公式( = 嘞+ 七矿埘) ，式中常数k 与t a y l o r 因 子的平方成强魄，露t a y l o r 嚣予遴常取决予游移系数强，密捺六方结构麓俸戆滢 移系多，辖疲熬t a y l o r 霞子大h 4 】( 镁兔6 5 ，铝为3 。0 6 ) ，医蘧燕粒尺寸辩密接六 方金属的强魔的影响很大。并且越来越多的研究表明f 7 一 1 9 l ，晶粒细化可以提高 镁合金的塑性。细晶粒镁合金在黛形过程中有多种激形机制共同作用。猩大尺寸 晶粒中，变形机制以滑移和孪生为燕，而在小尺寸晶粒中，晶界滑移机制发挥重 要作用，它可以协调大尺寸晶粒的变形而有效的提高镁合金的变形能力。同时， 晶粒尺寸的减少能显著地降低在一定变形速率下地变形应力，而且使应变速率敏 感性指数峰值向更高地应变速率方向发展，从而使材料能在较小地变形应力下以 较高地变形速率实现超塑性。研究表明，当晶粒尺寸小于l o 儿m 时，镁合金具有 超塑性能。t m o h r i l l 6 1 、s o m e k a w a l 2 0 】等人的研究也发现由于晶粒细化，轧制后的 镁合金展示了良好的超塑性。 一般而言，镁合金的晶粒细化常用的有以下几种方法： 1 ) 合金化 2 ) 高挤压比之热挤压、高应变法( e c a e ) 3 ) 粉末冶金快速凝固 4 1 动态再结晶 另外，t i e n c h a nc h a n g 2 l 】等人对a z 3 1 镁合金轧制的研究中发现轧制结合合 适的热处理是热变形成形中细化晶粒最有效的方法。 p 6 r e z p r a d o 2 2 , 2 3 1 等人通过研究热轧过程中a m 6 0 、a z 6 1 镁合金微观组织的演 化，发现在大应变热轧过程中镁合金晶粒得到了显著的细化，认为这是由于连续 动态再结晶所导致的结果，由于晶粒细化，合金的屈服强度得到大大提高。当薄 材厚度减小时，由于密排六方晶格具有很大的各向异性，a z 3 1 镁合金的变形机制 由位错滑移和旋转动态再结晶转变为孪生。 1 6 镁合金的静态再结晶 经轧制后的形变合金常保留全部或部分加工硬化，合金的延展性较差。为了 提高合金的延展性，改善合金的综合力学性能，必需对合金进行热处理。目前， 对形变镁合金的热处理工艺研究主要集中在两个方面：1 ) 再结晶退火处理：寻找 合适的再结晶退火温度，将形变合金保温，使合金发生再结晶，消除部分或全部 加工硬化；2 ) 固溶时效处理：常用的处理方法有人工时效( t 5 ) 、固溶处理及人 工失效( t 6 ) 和固溶处理后冷变形并进行高温人工时效( t 8 ) 等。对于a z 3 i 合 金，工业中常采用再结晶退火处理来改善合金的综合力学性甜2 4 i 。 镁合金的层错能较低( 6 0 7 8 m j m 2 ) ，在退火过程中不易发生回复而主要发 生再结晶。再结晶过程可以改变晶粒尺寸、形状，尤其是平均取向或织构【2 5 1 。再 结晶不仅可以软化和恢复由于低温引起的硬化材料的塑性与韧性，从而改善工业 材料的工艺性能，而且可以控制工业产品的晶粒结构参数，确定材料的最终的性 能，是工业上控制和改变金属材料组织、结构和性能的重要手段。因此，再结晶 退火处理在工业生产中是非常重要的。 再结晶是通过再结晶核的生成及其长大来完成的，再结晶的生长过程进行到新 生成的晶粒互相接触。再结晶可以降低变形金属的缺陷密度，是一个不可逆过程。 奔结晶遥耧及邋火后熬鑫粒尺寸犬小与交形量、逶火滋度帮嚣藏、蘸始麓粒尺寸、 可溶性合金元索和第二相颗粒有关。对于a z 3 l 合众来说，再结晶与可溶性合金 元素和第二桐颗粒的关系不大。 镁合金的褥结晶温度范围取决乎合金的成分、纯度和最终的变形糨魔。镁合 金静再绪鑫鄹撵装要一个绉界交形爨，形变量超过羧莠毽螽，再结鑫滋泼髓形变 蠢黪缓大瑟下瓣。晶粒尺寸夔形炎簧戆淫丈纛变夺。提荐逶灾湛凌霹戳傻荐结晶 速度加快，隧潜退火温度的升高，晶界迁移速率增大，晶粒长大速率增加。 再结晶尉的变形镁合金强魔柯所降低，但是爨蚀和韧性提高且机械各向异性 减小。a m 6 0 、a z 3 1 、a z 6 1 、z k 6 0 合金经过熟轧和热挤压退火后组织得到改善， 性戆都相应握离。糖平踟等研究了热轧扳及不同热拱聪棒豹组织窥织桷特征，结 栗表疆矗z 3 1 镁会金或形惹憨产璧较强约缀稳，织糗籀蹇了熬成形蘑瓣秀学经憩。 高温退火虽使缎构减弱，但伴随懿粒的长大。 到目前为炽，对变形镁合金褥绪晶退火方面进行了不少研究。w a g n e r 指出退 火后初次再绪黼对织构变化没有多大影响【2 7 l ，m ，t p e r e z - p r a d o 等在对挤腻态镁合 金的退火研究中证明二次再结最( 非正常晶粒长大) 会引起明显的组织交化，具 有囊l 弱 援撞颡警孬于援嚣魏螽敉镰建长大瑟2 9 1 。 1 7 镁合金的动态再结晶 动态再结龋作为一种有效的软化和晶粒细化机制，对控制镁合金的变形组织， 改善镁合金的爨性变形能力以及撼离材料的力学性麓舆有重要的意义f 崴3 0 m l 。镁合 金孛羲魂悫菇缝燕夔塑性交形攘式不弱纛不嚣，动态箨缝鑫熬形孩璇及麓羧大枣 与变形温度、燮形速度、变形程度以及原始晶粒缀织密切相关。 1 7 1 镁台金动态再结晶的特点 动态再结晶和静态再结晶一样，也是形核与长大的过程。相对于蕊心立方结 构金属来说，镁台金更容易发生动态再结磊，这是斑予镁合金为密撵六方结构， 涝移系饕常鸯辍，势盈镁及镁会愈鹣罄镶蕤较祗，蒸器护教邃麦较蹇，矮缮在翌 晶界上堆积的能错能够被这些晶界吸收，从而加速动态荐结晶的过程。 镁合敲渤态再结晶时的应力- 应变曲线特点 大量研究畿明【3 引，镁合佥黼激变形时发生动态樽结晶时的应力威燕曲线由 子凌态再结鑫魏软证与热加工琰纯熬穗要终弱，滚交凝力应交基线为缨小锯齿羧 基线( 鲡圈1 3 ) 辂魏。在变形嚣始辩，痊交穰夺，宓霹工疆佐非常明显，疲力急捌舞 高到应力峰德。此后，由于动淼蒋结晶的软化作用，曲线随应变增加艇现平缓 下降趋势。从阁中可以看出，应力峰值随变形温度的降低以及应变速率的升高而 升高，低的_ 陂变速率给予动态再缩晶晶粒足够的时润形核，高的温度则使得晶界 岳 扩散速率增加。从而动态再结晶进行的更充分。 应变 图1 3c h a n n e ld i e 压缩时的应力一应变曲线肿1 镁合金动态再结晶的组织特点 动态再结晶是一个形核与长大的过程，镁合金的动态再结晶组织为大小不均 且晶内位错密度较低的等轴晶粒。如图1 4 所示【3 引，随着变形量的增大，动态再 结晶晶粒变得细小且均匀。动态再结晶的晶粒不仅与变形量的大小有关，并且与 变形温度，应变速率有关，变形温度越高，动态再结晶进行得越充分，组织越为 均匀，但晶界扩散和晶界迁移能力增强，晶粒容易长大而导致晶粒粗大。随着应 变速率增加，变形过程中产生的位错来不及抵消，位错增多，再结晶形核增加， 导致晶粒细化。动态再结晶晶粒一般在晶界或晶界附近形核长大，由于再结晶晶 粒在形核与长大的同时变形还在继续，所以动态再结晶晶粒不同于再结晶退火时 得到的完全无畸变的等轴晶粒，在动态再结晶晶粒内有一定程度的应变。 1 7 2 镁合金动态再结晶的影响因素 动态再结晶是在变形的过程中形核与长大的，因此变形温度、变形程度以及 应变速率对动态再结晶的形核和晶粒大小有着密切的关系。同时，原始晶粒组织 对动态再结晶也有一定的影响。 变形温度的影响 热变形金属内的位错密度上升到一定值，即驱动力足够大时，才会发生动态 再结晶。流变应力与位错密度的平方根成正比，所以理论上常用临界流变应力t r 来描述动态再结晶开始的变形条件，总的来说提高变形温度降低变形速度将使流 变应力降低瞳5 ，3 7 - 3 9 ，4 0 1 。变形温度低时，由于镁合金塑性变形时滑移系少，镁合金 中存在大量的孪晶，位错难以通过运动而实现重组，所以动态再结晶不易发生。 #厶莲、r避 警澄度舞裹嚣，会金中原子燕振荡及扩散速率壤翔，像罐静浮移、攀移、交涛移 及位错节点脱锚比低温时更容易，动态再结晶的形核举增加，同时晶界迁移能力 增强，因此漱殿的升高可促进镁会袅动态再结晶的靛嫩。 图1 4a z 3 1 镁台金在4 5 0 ( 2 炎形后的微观组织，威变速率为1x1 0 0 s 1 。” n 。v r a v ik u m a r 等研究了a z 9 l 镁舍金亵苓弱滋发下按压惹熬缀魏缀绞( 絮 圈1 5 ) l 。程3 3 5 ，3 7 0 ，4 1 5 ( 2 下挤压时帮发生了动态再结晶，缎级由细小 等轴晶粒组成。挤压后的平均晶歉尺寸分别为4 p m ，1 l p m 和1 6 a r m ，随着挤压温 度的升高，晶j l 啦明显长大。y il i u 猩研究中也指出【3 8 】，a z 3 l 镁合金动淼褥结晶晶 粒髓变形温度的升高面增大，在穗的应变速率以及低的温度下可以得到细小的再 结鑫鑫粒。 变辩邃魔的影嘛 a z 3 l 镁龠象在不同温度下的流变应力与应变速率之间的关系如图1 6 1 4 2 1 ，在 不同温度下，随着真应变速率的增加，流变应力线性上升。因此，降低变形速度 可促使镁合金动态秀结晶的发生。d 。l y i 等人认为1 4 3 ，疆着应变速率的嚣毫， 在a z 3 1 会众孛豹动态弄臻晶形禳爱翻蘩涮。这是蠢予瘟变速率蓬裹辩，谴耱急 尉堆积，应力黧中得不蓟释放，扶褥撺翩了动态再绦黼的形核。 动态再绐黼是一个速率控制的过程，变形速率不仅影响新晶粒的形棱，而且 对新晶粒的尺寸有很大影响。y il i u 指出，a z 3 1 含众在3 5 0 * ( 2 变形时，应变速率 从1 x 1 0 。s 4 升菇剿l x l 0 s 1 对，绷小晶粒的体积分数髓应变速率豹增加丽增加， 毽是夔羞瘦交邃攀麸l x l 0 - 3 s - 1 到1 x l 妒，熬舞囊瑟减少( 嚣1 7 ) $ 鞑。一般诀为， 变形速度对鑫粒尺寸的影响应与变澎湿度综合考虑。k a i b y s h e v 等人认为，增大z 参数k e x p f q r 可以获得晶粒细化效果1 3 4 , 4 4 , 4 5 a 6 1 。由z 参数的公式可以得出， 降低温度以及掇高应变速率都可以使z 值升高。b a r n e t t 等在研究中也诚实【4 7 1 ，在 热变形过程中，a z 3 1 镁合金的晶糨尺寸随着z 参数的增大而减少。 翻1 5a z 9 1 镁含金揍援缀织( a ) 3 3 5 c ；( b ) 3 7 0 c ；c ) 4 t 5 豳1 6a z 3 1 流蜜应力与真应变遵率的关系 变形稷度的影响 动态秀绥熬夔形孩鬟要一令浆券交影程度，灵蠢警实嚣交影程发趣避疆奏交 形程度时，动态再结晶才能发生，盈与静态霉结暴相院，动态再绩鑫般所需的 l 临界变形程殿疑大( 稍低于达到峰值应力时的应变) 。此外，变形程度对渤态再结 晶的晶粒尺寸也有很大的影响，增大变形程度可使晶内位错密度增加、晶格畸变 加剧，从而使新晶粒形核数目增多丽细化晶粒。如圈1 4 所示，在变形擞很低时， 晶粒粗大，弗虽存在一部分孪醛，随着变形程度的增大，豁粒变得越来越纲小， 并且动态荐姥晶晶粒的数越越来越多。 豳1 7a z 3 1 镁台惫在3 5 0 c ，羊弼痊变速率下变形螽粒尺寸分布整 y i l i u 在文章书总结了龉粒尺寸与皮变量之间的关系如( 圈t 8 ) 3 s l ，在试验 的温度和应变速率下，在变形初期晶粒r 寸随斑变的增加丽惑捌下降，当真应交 达到定值嚣，晶歉尺寸的变伲很小。这是由于在大的变形豢下，大量的塑性交 形造成金属晶体缩构豹严熏畸变，为氍结鼹的产生提供了奇葶i | 豹条 孛，褥结赫鞋 从晶格严重畸变的高能使区域产生丈量购晶梭，新的晶粒又在燕在长大的箨结晶 晶被边弊形核长大，从薅导致照粒细亿。 原始晶粒维织的影晌 热变形以蘸原始晶粒的丈小对动态再结晶晶粒尺寸也有裰大影响。研究表明 1 4 7 ，与其它金属相魄，镁台袅动杰再结晶晶糠组织对漂始晶粒大小尤为敏感。当 簌始晶粒尺寸较大对，新静晶粒尺寸 妊较为粗大，及之夯然。这是由于在编，l 、的 晶粒组织中的黯界更多，受有承于动森再结晶在晶界上酶形核，并且随着磊粒尺 寸的减小，在粕现峰值应力时的成变岛也相应降低( 如圈1 9 ) 4 ”，因此动态再 结晶更容易发生。m t p e r c z 。p r a d o 攒出【2 3 】，由于镬含金h c p 缝构的各囱髯惶，占 主导地位的变形枧铡与原始组织的关系非常密切。这诞稍，在镁合盒中，动态再 结照机制闻样与簸始组织有关。在原始维织为具封随机取向的a m 6 0 会金中，通 过不间豹滑穆系的潜移变形，掰导致在屡错裁较低的镁合垒中发生连续动态再结 晶。 真应变 图1 8a z 3 1 镁合金在不同温度与应变速率变形时，晶粒尺寸与真应变的关系狮1 图19a z 3 1 镁台金原始昌粒尺寸对流动应力一应变的影响 流动应力随晶粒尺寸的增大而增大m 1 1 8 本课题研究内容 一般来说，有色金属材料制品中7 0 以上是板材、带材，因此镁合金板材的 研究与开发具有重要的意义 4 9 ，5 0 5 ”。而镁台金扳材一般采用轧制方式生产，因此 了解镁合金轧制工艺流程，阐明轧制过程中组织性能的变化规律对促进镁合金扳 材轧制的发展是十分必要的。镁合金的广泛应用已经成为不可逆转的趋势，通过 晶粒细化的方法改善镁合金的成形性能和力学性能显得尤为重要。动态再结晶以 及轧制结合合适的再结晶熟处理是热变形成形中细化晶粒最有效的方法。如前所 述，关于镁合金的动态再结晶以及变形后的再结晶热处理在国内外已经取得了一 些研究成果，但是，对于轧制时镁合金的动态再结晶以及再结晶退火处理没有系 统的完整的研究。 本课题以m g a i z n ( a z 3 1 ) 变形镁合金为研究对象( 主要考虑到a z 3 l 目前 应用较为成熟，具有优异的铸造工艺性能，良好的强韧性及成本低等特点) 。采用 轧制工艺及轧制+ 再结晶退火的加工工艺，研究轧制时镁合金的动态再结晶以及轧 制后的退火处理中的再结晶行为，为镁合金的开发和利用，改善镁合金的加工性 能以及使用性能做基础性的研究。具体的研究内容包括以下两个方面： 1 轧制加工工艺对镁合金a z 3 l 动态再结晶组织及板材力学性能的影响 ( 1 ) 通过一楔形块轧制分析不同轧制量对动态再结晶组织的影响。 ( 2 ) 在不同温度对挤压板材轧制，分析轧制时不同的加热温度对动态再结晶 组织的影响。 ( 3 ) 原始组织中的晶粒大小对轧制后的组织的影响。 ( 4 ) 不同道次变形量对组织和性能的影响。 ( 5 ) 轧制方向与原轧制方向之间的夹角对组织和性能的影响。 ( 6 ) 异步轧制时的组织和性能变化及其与同步轧制的比较。 2 再结晶退火工艺对轧制变形后的a z 3 1 镁合金组织和性能的影响 对经过轧制加工的薄板试样进行退火处理，观察退火温度和时间对再结晶组 织及板材力学性能的影响。 第2 章试验材料和方法 2 1 试验合金材料的制备 本文采惩a z 3 1 镁合金，翔缀论掰述，a z 3 1 镁会鑫藩予m g - a i - z n 袈合金， 是目前工她界使用较广泛的一个变形镁合金牌号。除了a l 和z n 外，在a z 3 1 中 加入了m n ( o 2 ) ，它的作用怒改善合金的耐蚀性能，且由于成分配方中所用元 素均为工业上常