（材料加工工程专业论文）连铸az31镁合金组织均匀化挤压及其微观组织演变模拟.pdf

摘要 摘要 到目前为止，对如何成形出晶粒尺寸均匀、机械性能良好的镁合金加 工件的方法还未有论述。传统的加热方式由于加工过程中摩擦热的产生及 模具和工件向外界散热的影响，工件加工完成后其内部晶粒尺寸大小不一， 这必然对工件的机械性能产生一定影响。如何通过控制模具温度和试件的 变形温度来成形机械性能良好的工件是本课题研究的主要特色。解决问题 的关键在于计算机模拟与实验的紧密结合，进行多次实验，在实验中进行 规律性的总结。本文研究解决的主要内容如下： ( 1 ) 针对再结晶软化与加工硬化对材料应力应变关系的影响，提出了新 的流变应力模型，并依据连铸a z 3 1 镁合金的压缩实验曲线回归得出了更加 适用于连铸a z 3 1 镁合金的流变应力模型。 ( 2 ) 采用m s c s u p e r f o r m 有限元软件，并利用修正的y a d a 模型及修正的 流变应力模型模拟了连铸a z 3 1 镁合金反向温度场挤压变形过程中不同变形 条件下的微观组织演变规律。 ( 3 ) 设计、加工了挤压模具和试件，并根据模拟的相关数据确定了实验 方案，进行挤压试验，观察变形试件的金相组织。实验表明连铸a z 3 1 镁合 金反向温度场挤压时模具最佳温度为3 0 0 ，试件温度为2 5 0 1 2 ，挤压成形 后挤压件内部组织比较均匀。 ( 4 ) 通过实验确定了镁合金反向温度场挤压塑性变形过程中微观组织的 变化规律。、实验表明模具与试件间温度差不同，得到挤压件内部的组织均 匀性不同。坯料温度一定时，模具温度越高，挤压成形件横截面边缘部位 的晶粒尺寸和中间部位的晶粒尺寸越接近。模具与坯料温度差一定时，坯 料温度越高，反向温度场挤压过程中，模具温度对挤压成形件边缘部位晶 粒尺寸的影响越小。 关键词镁合金；有限元模拟；流变应力；微观组织演变；挤压 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ei sn od i s c u s si nf o r m i n gm a g n e s i u ma l l o yw o r k p i e c e s w h i c ho w nu n i f o r mg r a i ns i z ea n do u t s t a n d i n gm e c h a n i c a lb e h a v i o r w i t h c o n v e n t i o n a lf e a t i n gm e t h o d ，t h ei n n e rs t r u c t u r eo f t h ew o r k p i e c e sw i l lb e c o m e v e r yc o m p l i c a t ea n di n e v i t a b l yi n f l u e n c et h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h e w o r k p i e c e s b e c a u s eu s i n gc o n v e n t i o n a lf e a t i n gm e t h o dw i l lg e n e r a t ef r i c t i o n h e a ti nt h ec o u r s eo fw o r k i n g ，a tt h es a m et i m e ，t h ed i ea n dt h ew o r k p i e c e sw i l l a l s oe l i m i n a t eh e a tt ot h ee x t e m a l t h i s t o p i cw i l lf o r mw o r k p i e c e s w i t l l o u t s t a n d i n gm e c h a n i c a lb e h a v i o rb yc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r eo f t h ed i ea n d t h ed e f o r m i n gt e m p e r a t u r eo f t h ew o r k p i e c e s t h ek e yo f s o l v i n gt h ep r o b l e mi s t h eu n i to fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n df r e q u e n te x p e r i m e n t , r e g u l a rc o n c l u s i o n s w i l lb eo b t a i n e df r o me x p e r i m e n t s t h e s ep r o b l e m sw i l lb es o l v e d ： ( 1 ) an e wr h e o l o g i c a ls t r e s sm o d e lb ep u tf o r w a r d i ti sb a s e do nt h e i n f l u e n c eo fr e c r y s t a l l i z e i n t e n e r a t ea n dw o r k h a r d e n i n gt ot h es t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p an e wr h e o l o g i c a ls t r e s sm o d e l w i l lb eo b t a i n e dw h i c hi sm o r e s u i t a b l et ot h ec o n t i c a s t i n ga z 31m a g n e s i u m a l l o y i ti sb a s e do nt h ec h i v e so f t h ec o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t ( 2 ) s i m u l a t et h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o o r g a n i z a t i o nu n d e rd i f f e r e n t d e f o r m i n gc o n d i t i o n s t h em a t e r i a lb ep r e s s e c di nt h er e v e r s e dt e m p e r a t u r e f i e l d t h em s c s u p e r f o r mb ec h o s e nt od ot h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h e s i m u l a t i o nu s e st h em o d i f i e dy a d am o d e la n dt h em o d i f i e dt h e o l o g i c a ls t r e s s m o d e l ( 3 ) d e s i g na n dm a c h i n i n gt h ep r e s s i n gd i ea n dt h ew o r k p i e c e s ，d e t e r m i n e t h ee x p e r i m e n t a ls c h e m ew h i c hi sb a s e do nt h es i m u l a t i v er e s u l t d ot h e p r e s s i n ge x p e r i m e n t sa n do b s e r v et h em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e so ft h ed e f o r m e d s a m p l e s t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h eb e s tp r e s s i n gc o n d i t i o n i st h ed i e st e m p e r a t u r e3 0 0 ca n dt h es a m p l e s d e f o r m i n gt e m p e r a t u r e2 5 0 6 c w h e nt h em a t e r i a lb ep r e s s e di nt h er e v e r s e dt e m p e r a t u r ef i e l d u n d e rt h e s e h f o r m i n gc o n d i t i o n s ，t h ed e f o r m e ds 锄p l e sw i l lo w l lu n i f o r mo r g a n i z a t i o n a n d t h es a m p l eh a sn od e h i s c e n c e ( 4 ) g i v eac o n c l u s i o nt ot h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o o r g a n i z a t i o nu n d e r d i f f e r e n td e f o r m i n gc o n d i t i o n sw h e nt h em a t e r i a lb ep r e s s e di nt h er e v e r s e d t e m p e r a t u r ef i e l d v a r i a n tm i c r o - o r g a n i z a t i o n se q u a l i t yb eg a i n e dw h e nt h e t e m p e r a t u r es p r e a db e t w e e nt h ed i ea n dt h es a m p l ec h a n g e d i f t h es a m p l e so w n t h es a m e t e m p e r a t u r e ，t h er n i s s d i s t a n c eb e t w e e nt h ed i ea n dt h es a m p l ei sm o r e e x t e n t e d ，t h eg r a i ns i z ei nt h eb r i mo f t h ec r o s s - s e c t i o ni sm o r es i m i l a rw i t ht h e g r a i ns i z ei nt h em i d d l e i ft h et e m p e r a t u r es p r e a db e t w e e nt h ed i ea n dt h e s a m p l eh a v e b e e nf i x e d ，t h e t e m p e r a t u r eo ft h es a m p l ei sh i 曲e r , t h e t e m p e r a t u r eo f t h ed i eh a sm o r ef e e b l e ri n f l u e n e et ot h eg r a i ns i z ei nt h eb r i mo f t h ec r o s s s e c t i o n k e y w o r d sm a g n e s i u ma l l o y ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；r h e o l o g i c a ls t r e s s ； t h ed e v e l o p m e n to ft h e m i c r o - o r g a n i z a t i o n ；m a g n e s i u ma l l o y p r e s s i n g 1 i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文连铸a z 3 1 镁合金组织均 匀化挤压及其微观组织演变模拟，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签字：硬 日期：嗣年钼脂 燕山大学硕士学位论文使用授权书 连铸a z 31 镁合金组织均匀化挤压及其微观组织演变模拟系本人在 燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的 研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在 本学位论文属于 不保密口。 滞酬篆掰作者签名：v ，_ k 尹 年解密后适用本授权书。 日期：明年5 h i e 日日期：矿f 年日 名：参旅嗽岬聍月黼 第l 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 在工业使用的所有结构材料中，镁及其合金有很多工艺及突出的性能 特点例如，在镁中加入不同的金属元素能够形成一系列具有各种性能的 合金；镁的密度仅1 7 3 8g c m 3 ，是轻金属材料中最轻的种，为铝密度( 2 7 8 g e m 3 ) e 拘2 3 ，钛密度( 4 5g c m 3 ) 的2 5 ，钢密度( 7 8g e m 3 ) 的l 4 。镁合金用作 结构件时，具有质量轻、比强度高( 强度与质量之比) 、比刚度( 刚度与质量 之比) 接近铝合金和钢，远高于工程塑料；在弹性范围内，镁合件受到冲击 载荷时，吸收的能量比铝合金件大一半，所以镁合金具有良好的抗震减噪 性能镁合金熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。镁合金铸件抗拉强 度与铝合金铸件相当，一般可达2 5 0 m p a ，最高可达6 0 0 m p a 。屈服强度， 延伸率与铝合金也相差不大。镁合金还有良好的耐腐蚀性能，电磁屏蔽性 能，防辐射性能，有易切削加工、抗老化的优点；熔点低，容易进行热成 形，且能耗较低等，还可做到1 0 0 回收再利用【1 1 。鉴于这些特点，镁及其 合金可以广泛应用于汽车、通信、电子、电器，航空、航天、国防等领域， 以满足结构轻量化及环保的需求。因此，镁合金被誉为“2 1 世纪的绿色工 程材料”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，更加刺激了镁工业的发展。因此2 l 世纪是镁合金材料飞速发展的 时代1 2 1 。 发达国家已经领导了新世纪镁合金材料发展的新潮流，而我国作为镁 资源大国、生产大国和出口大国，在镁合金的研究方面却还十分薄弱，镁 合金应用的发展非常缓慢，其主要原因是未能很好地解决镁的加工成形问 题和耐腐蚀问题。尽管镁合金具有许多独特的优点，但由于镁特殊的密排 六方晶体结构，使得镁合金在室温下的塑性很差，难以使用目前汽车制造 领域普遍采用的冷冲压或冷挤压成形技术进行大批量生产，使镁合金在结 燕山大学工学硕士学位论文 构领域的应用受到了极大地限制，至今大多数镁合金零部件均通过压铸成 形工艺制造【3 - 5 1 。镁合金的压铸成形技术已经相当成熟并且得到了广泛的应 用，但由于镁合金压铸件的内部组织不够均匀，其综合强度和使用性能难 以满足一些承力构件的较高要求，这在一定程度上限制了镁合金的应用。 与铸造镁合金相比，变形镁合金晶粒更细、成份更均匀，具有更高的机械 强度和性能；在相同外形结构尺寸的情况下，变形镁合金零件比铸造镁合 金零件具有更优良的性能，因此变形镁合金的成形工艺及技术被认为是镁 合金应用技术中最有挑战性的课题睁引。提高镁合金塑性成形能力的一个重 要途径就是最大程度地细化其晶粒。近年来的研究表明，采用快速凝固、 喷射沉积、粉末冶金等先进制各技术可以显著改善镁的加工成形性能，利 用温挤压塑性变形加工技术及采用特殊的加工工艺可以制备出晶粒尺寸均 匀的细晶镁合金。 与上述其他先进制备和加工技术相比，组织均匀化挤压技术具有设备 简单、工艺简捷的优点，其细晶镁合金产品晶粒尺寸更加均匀，故在航空、 航天、汽车等重要结构领域具有更加广阔的应用前景。 1 2 。镁合金简介 1 2 1 镁合金的特点 镁合金具有以下几个特点p j l l ： ( 1 ) 镁是目前最轻的结构材料之一，它在常温下的密度为1 7 4g c n l 3 ，在 现有的工程用金属中，镁合金密度最小，通常为1 7 5 1 8 5g e m 3 ，约为锌 的1 4 ，钢的l ，5 。 ( 2 ) 镁合金具有高的比强度和比刚度。镁合金的强度接近铝合金，但因 为镁合金密度小，所以镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则接 近铝合金。与工程塑料相比，虽然工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度 最高，但其弹性模量很小，刚度远小于镁合金。 ( 3 1 具有良好的铸造性和尺寸稳定性。镁与铁的反应性低，压铸时压铸 2 第l 章绪论 模的熔损少，铸模的使用寿命长；镁在单位质量下的热焓低，其压铸速度 可比铝高，且镁铸件的铸造和加工尺寸精度高，可进行高速机械加工，生 产效率高，成本低，适于汽车工业的大批量生产。 ( 4 ) 具有良好的阻尼系数，吸震性好，有利于减震和降低噪音。镁合金 在受外力时容易产生大的变形，这一特性能使受力构件的应力分布更为均 匀在一定场合下，除有利于避免过高的应力集中外，在弹性范围内，当 受冲击载荷时，所吸收的能量比铝大一半。镁合金的这个特性与其弹性模 量较低有关，即弹性形变与弹性模量成反比。 ( 5 ) 镁一定条件下可获得满意的耐腐蚀性，在碱性环境下是稳定的，但 在酸性和氯气环境下易腐蚀，在与其它金属材料接触并有电解液存在时镁 合金会产生电腐蚀，在汽车零部件应用中也要注意其应力腐蚀。 ( 6 ) 镁合金具有优良的切削加工性能，其切削速度可大大高于其它金 属。切削一定量金属所需的功率，如以镁合金为1 ，则铝合金为1 8 ，铸铁 为3 5 ，低碳钢为6 3 。另一个突出的特点是不需要磨削和抛光，仅使用切削 即可得到光洁的表面。此外，镁合金铸件在受冲击和摩擦时不会起火花。 ( 7 ) 具有良好的电磁干扰屏蔽性能 ( 8 ) 镁合金的化学活性高，与异类金属混合时易发生电解腐蚀和微电池 腐蚀，耐蚀性较差，这在一定程度上限制了镁合金的使用，世界上一些机 构已对镁合金的腐蚀机理进行研究，并提出了一些行之有效的方法。 ( 9 ) 镁制品的回收成本较低，费用少，回收利用率高 1 2 2 镁合金的主要合金元素 由于镁具有较大的原子半径以及较强的正电性，大部分合金元素在镁 中的固溶度很小，并且易于与镁形成稳定的金属问化合物，因而可选择的 合金元素受到了很大限制。常用的1 0 种合金元素为：l i ，a 1 、z n 、y 、n d ， a g 、z r 、m n 、t h 和c e 。其中最主要的合金元素是a l 、z n 、m n 、z r 等，它 们在镁合金中的作用如下所述【l ”。 ， ， ( 1 ) a i 元素m g - a 1 合金系是最早用于铸件的镁合金该系既包括铸造镁 合金又包括变形镁合金。在含量较低时，a l 固溶于镁基体中，使镁合金产 3 燕山大学工学硕士学位论文 生固溶强化；随着a l 含量的增加，从合金中析, q 4 m g l 7 a l l 2 相( 相) ，从而 提高了合金的强度。但a l 含量过高时，相会在晶界不连续析出，形成胞 状或珠光体状，从而使合金变脆，恶化合金的性能。相在基体中的形态 和分布极大地影响着合金的性能。随着a l 含量的增加，合金的屈服强度增 加，但塑性降低。a l 含量的增加会提高合金的流动性，但同时也增加了合 金的热裂倾向和显微缩松。随着合金含量的增加，杂质对于耐蚀性的不良 影响逐渐降低，合金的耐蚀性得到了提高；但当含量超过8 后，合金的耐 蚀性反而有所降低。 ( 2 ) z n 元素镁合金另一重要合金元素为z n 。a l 和z n 的含量会影响合金 的铸造性能。z n 能固溶于m g 中形成固溶体，其主要作用为固溶强化。z n 和m g 会形成m g z n 和m g z n 2 化合物相，当z n 含量较低时，m g z n 相即使是在 电镜下也很难分辨，除非是过时效处理，z n 含量超过2 时，合金中会出现 t 相( m 9 3 2 ( a l , z n ) 4 0 ) 。适量z n 的加入会提高镁合金的强度和塑性，但z n 含量 大于5 5 时，塑性就开始下降。z n j 【l 入镁合金会增加晶界化合物的数量。 ( 3 ) m n 元素m n 是压铸镁合金的一个重要合金元素，m n 的加入对合金 的强度有所提高，但除了a 1 m g 系合金外，m n 的加入一股是为了除去金属 液中的有害杂质元素。 ( 4 ) z r 元素z r 晶体也是密排六方结构，其晶格常数m g 与z r 相近，在镁 合金的凝固过程中，z f 的细小晶粒可以作为基体形核的异质核心，从而大 大细化合金组织。 1 2 3 镁合金的塑性成形 按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。 金属镁具有密排六方晶格，室温下只有基面1 0 0 0 1 l 产生滑移，因此镁 合金常温下容易脆裂：2 0 0 以上时第一类角锥面 1 0 1 1 ) 产生滑移。塑性因 此大为提高；2 2 5 以上第二类角锥面 1 0 1 2 也可能产生滑移，塑性提高更 大。但镁合金高温下尤其4 0 0 以上很容易产生腐蚀氧化以及晶粒粗大，因 而锻造有困难，成形难度较大。 为了使镁合金能够大量的应用于结构材料，开展变形镁合金的研制非 4 第1 章绪论 常必要。由于密排六方的镁变形能力有限，易开裂，因此早期的变形镁合 金要求具有良好的变形能力和尽可能高的强度，对其组织的设计，大多要 求不含金属间化合物，其强度的提高主要依赖合金元素对镁合金的固溶强 化和塑性变形一起的加工硬化【1 3 】。目前，变形镁合金中主要含有a i 、m n 、 r e 、y 、z r 、和z n 等合金元素。这些元素一方面能够提高镁合金的强度， 另一方面能提高热变形性j 以利用锻造和挤压成形。a z 3 1 是最重要的工业 用变形镁合金，具有良好的强度和延展性。 镁合金的塑性加工技术目前研究很少，精锻工艺发展更加较慢，限制 了变形镁合金的大量应用【i ”。镁合金组织性能受塑性变形影响很大，因 此可以通过控制塑性加工条件来改善镁合金的组织性能。国际镁协会指出， 虽然铸造镁合金目前占主导地位，但经过挤压、锻造、轧制等塑性加工工 艺加工的镁合金产品具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的机械性 能【m 。 挤压是提高镁合金性能的重要方法。镁合金导热系数很大( 钛、铁、镁、 铝分别为1 6 7 6 、8 3 4 、1 6 7 2 5 、2 0 9 5 w m ) ，为钢的两倍，挤压温度范 围窄( 1 5 0 ) ，遇模具降温很快，塑性降低，变形抗力增大，充填性能下降， 因此适合温挤成形吕炎等采用等温锻造工艺成功的成形了复杂的镁合金 飞机上机匣，这是目前我国最大镁合金模锻件，投影面积达0 4 m 2 1 2 4 镁合金在结构件上的应用 作为主要结构部件，镁合金的应用得到了广泛重视。 汽车制造商们为了减少油耗，在设法提高燃油经济性，提高轿车空气 动力性的同时着力于汽车轻量化的研究；要使汽车轻量化，有两条路可走， 一是优化结构设计，但这方面潜力已经不大二是选用轻量化的材料。铝合 金、塑料( 树脂基复合材料) 、镁合金是目前认为较理想的三类材料。镁的 比重是铝的加，锌的1 4 ，也不到钢或铸铁的1 4 ，对于含3 0 玻璃纤维的 聚碳酸酯复合材料来说，镁的比重也不超过它的1 0 。镁合金的压铸件在 所有压铸合金中是最轻的。过去，人们常常对镁的加工安全性有所担忧， 但许多镁合金铸造加工厂的生产实践证明，只要加工方法正确，遵循正确 5 燕山大学工学硕士学位论文 的加工工艺规程，镁就是一种加工安全的金属。所以说，镁合金在汽车轻 量化上是极具竞争力的材料。 镁合金在汽车上用作零部件的历史至少约有6 0 年。早在1 9 3 0 年， l o u r i s h c h e v r o l e t 在一辆赛车上首次使用镁合金作活塞，v o l k s w a g e nb e e t l e 也在其发动机及传动系统上使用2 0 多公斤镁合金。不过，那时候，镁被认为 是潜力有限的一种特殊材料。直到1 9 7 0 年的石油危机，才使镁合金在汽车 工业中日益受到重视。随后不久，福特汽车公司就率先用镁合金制造了离 合器壳体、制动器与离合器的踏板支架、四轮驱动轿车的变速箱体、转向 柱部件等。紧接着，欧洲、日本、北美的汽车制造商也开始尝试着采用镁合 金制造发动机气缸盖。奔驰公司将镁合金制造的座椅框架用在其s e l 型的 跑车上；奥迪也在其v 8 型的轿车上用镁合金制造仪表板，丰田公司则将镁 合金的用途拓展到了转向轴上。 到了1 9 9 0 年，日本、北美、欧洲、韩国和中国都确信了镁合金压铸件 能应用于轿车的许多零部件上，它不仅能减轻轿车重量，增加轿车的行驶 安全性，改善操纵特性，还可减少装配成本，减少加工工具的损耗。 。 近年来镁合金压铸件应用发展较快，在汽车行业获得大量应用，德国 大众汽车公司预测到2 0 0 5 年镁合金在汽车上的用量可达6 0 8 0 公斤。汽车 采用镁合金比铝合金可减重2 0 2 5 。汽车方面的应用主要为汽车驱动系 统、汽车内饰件、汽车车身和汽车底盘驱动系统和内饰件主要采用压铸 件为主；车身件需要用变形镁合金板材，用热冲压方法成形。底盘需要承 载，要求材料具有耐疲劳、安全性、耐腐蚀等性能，采用热锻、热冲压、半 固态( s e m i s o l i d ) 等成形方法，半固态成形方法包括挤压铸造( s q u e e z e e a s t i n g ) 和半固态射铸( t h i x o c a s f i n g ) 。增加镁合金在汽车上的应用应该解决锻造镁 合金及抗蠕变性能和耐腐蚀性能。 镁合金由于其密度小和良好的电磁屏蔽性，非常适用于便携式电子电 器通讯器材( 3 c 行业：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 re l e c t r o n i c s p r o d u c t s ) ，例如手机壳采用镁合金时，电磁波只通过天线接收和发送，减 少了信号损失，提高了通讯质量，也易于控制及减少对人体的伤害。 表1 1 给出了镁合金结构材料在汽车、航空航天、电子电器部件、体育， 6 第1 章绪论 表1 1 镁合金在汽车方面的应用 t a b l e1 - 1t h ea p p l i c a t i o n so f m a g n e s i u ma l l o yt oa u t o m o b i l e 类别部件名称 常用材料牌号成形方法 汽车驱动系统发动机箱盖、离合器，变速箱外壳，a z 9 1 a e 4 2 ， 压铸 凸轮轴盖，车轮轮，毂变速手柄a s 4 i , a z s l 汽车内饰件仪表盘内饰罩板，格栅发动机托架、 a m 5 0 , a m 6 0压铸，热冲压 座椅架方向盘 汽车车身件内门板、行李箱盖、仪表盘十字粱 a z 3 l热冲压，熟拉伸 镁板件 汽车底盘底盘筐，发动机轴、发动极架车轮、 a z 3 l锻造。挤压、半固 前后悬臂 性成形 电子电器部件 笔记本电脑外壳，硬盘中小件、手 a z 3 l 压铸，熟冲压， 机壳，相机架，打印机板 航空航天部件 直升机变速箱、座舱架、吸气管，等温锻，压铸、超 m b l 5 , a z 3 i ， 塑成形、热挤压 方向鸵 a z 9 l b z k 6 0 办公及日常生活用品等方面的部分应用实例。航空件镁合金作为质量轻、 刚性好的强韧性材料，用于航空、航天器、导弹，可以增加有效载荷和飞 行距离，降低使用周期和成本。因此早在二次大战期间就开始应用于航空 器材等领域。例如飞机内框架类结构部件可用镁合金管件。此外，由于密 度小、耐冲击及美观等特性，镁合金广泛用于体育器材、办公器具、家庭 工具等便携式用品1 1 8 - 2 “。 1 3 镁合金应用面临的主要问题及解决措施 1 3 1 镁合金应用面临的主要问题 到目前为止，镁合金之所以没有像铝合金那样得到广泛的应用，主要 是因为： ( 1 ) 目前，镁合金的加工方法是以铸造为主，但是铸造出来的产品晶粒 粗大，在铸造过程中，也会出现缩松、气孔、组织不均匀等缺陷，使铸造 7 燕山大学工学硕士学位论文 出来的产品强度不高，达不到实际应用的要求。 ( 2 ) 由于镁是密排六方结构，因此承受的变形量有限，特别在低温条件 下更是如此。在2 2 5 以下变形时具有有限的滑移面，这一性质决定了镁合 金在室温下滑移系少。镁在室温下产生塑性变形时只沿基面产生滑移，其 滑移系只有三个，而铝的滑移系数目是1 2 个。可见，镁的塑性较低。因此， 镁及镁合金在冷态塑性加工是困难的，未形成缩颈就会断裂。镁在室温时 的形变主要是通过在基面上密排面的( 1 1 2 0 ) 方向的滑移或在角锥面 1 0 1 2 ， 上的孪生实现。在应力方向平行基面时，受压时镁才发生这种孪生。在温 度高于2 2 5 左右时，附加的滑移面才开始起作用，形变才变得较为容易【2 l 】。 因此一般是通过热加工来制备变形镁合金产品的。这样，就使得镁合金的 塑性变形的生产工艺复杂，生产设备多，生产效率不高，最终使镁合金的 生产成本很高。镁合金变形主要通过在2 0 0 5 0 0 c 温度范围内挤压、轧制 和锻造的方式进行。对于镁合金变形，需要注意以下问题： ( 1 ) 镁晶体在各方向的弹性模量变化不大，因此无明显择优取向。 ( 2 ) 低温挤压会使基面和 位向近似平行挤压方向，轧制时则会使 基面平行于薄板表面，且使 沿轧制方向【2 ”。 ( 3 ) 发生多次拉压引起变形产品的强化，在挤压过程中产生大量细晶， 抗拉性能明显增强。 与铸造镁合金相比，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。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j 。通过挤压成形使镁合金组织晶粒细化。 晶粒细化不仅可以提高镁合金材料的强度而且可以提高其塑性，对于连铸 a z 3 l 而言更是如此，因为连铸a z 3 l 镁合金既不可能靠热处理强化亦不能 靠应变强化。细晶强化几乎是提高连铸a z 3 1 镁合金强度的唯一方法。连 铸a z 3 1 镁合金是最重要的商用变形镁合金，它同时具有良好的强度和延 展性，这主要是通过控制轧制、挤压或锻造以及在向室温冷却时退火或伴 生退火效应保留了部分加工硬化。在镁中添加铝和锌可以产生固溶强化和 晶粒细化的效果1 2 4 。 8 第1 章绪论 1 3 2 解决措施 国际镁协会指出，虽然铸造镁合金目前占主导地位，但经过挤压、锻 造、轧制等塑性变形加工工艺加工的镁合金产品具有更高的强度、延展性 和更多样化的性能。因此镁合金的塑性加工技术的发展对于镁合金的大规 模的使用具有决定性的作用。但是如上面所指出的，镁合金的室温塑性很 低，因此在低温下变形时，容易产生发生裂纹等缺陷。这主要是因为镁合 金是密排六方结构，在室温下表现出较差的塑性，只有基面滑移产生变形； 在高温条件下，更多的滑移系被激活，使镁合金的塑性大大提高。另外， 镁合金在4 0 0 以上高温加工时表面极易氧化，同时，在高温下进行塑性变 形，容易因晶粒粗大而产生破裂【2 4 1 因此，在镁合金塑性成形时，应严格控 制加工温度由于镁合金对变形速度敏感，当变形速度增加时塑性显著下 降，因此在进行镁合金塑性成形时还必须选择合适的变形速度 1 4 变形镁合金的发展 1 4 1 发展状况 近年来，世界有许多国家对变形镁合金的研究和应用给予了高度重视。 围绕着变形镁合金，在如何提高其成形性能和力学性能方面展开了大量工 作，取得了许多新进展。 a z 3 1 是目前塑性成形性，力学性能和综合性能等指标最好的一种变形 镁合金，可以挤压成棒材、管材、型材，轧制成薄板、厚板，加工成锻件， 得到了工业上的广泛认识。m g - z n - z r ( z k ) 类合金具有相对较高的强度。 m g m n 系合金具有良好的抗腐蚀性和焊接性，m g l i 合金则具有优良的变 形性能。普遍而言，交形镁合金仍存在塑韧性不足，强度较低，抗腐蚀性 较差等问题，因而限制了镁合金的应用，目前变形镁合金的用量十分有限 晶粒细化和匀质化是镁合金强韧化的重要手段。大多数镁合金具有时效强 化效应，不过镁合金的时效硬化程度远低于铝合金。此外，固溶强化和加 工硬化也可以提高镁合金的强度【2 5 1 。通过合理的合金设计和工艺控制，开 9 燕山大学工学硕士学位论文 发出新型高性能变形镁合金，获得理想的组织结构模式，进一步提高镁合 金的综合性能是变形镁合金规模应用必须解决的一个重要基础问题。 镁的层错能低( t sm j m 2 ) ，易于发生动态再结晶，因此通过控制伴随动 态再结晶的热变形来细化晶粒被认为是一种很有发展潜力的变形镁合金组 织细化手段，我国的重庆大学和日本有关单位在这一方面开展了比较系统 的工作1 2 2 郐】，研究了变形参量，如变形温度、变形速率、应变等对组织的 影响，建立了再结晶晶粒大小与变形参量之间的定量关系式。这些研究工 作表明，提高应变速率和或降低变形温度可以细化晶粒；动态再结晶晶粒 大小受z e n e r - h o l l o m o n 参数的控制，z 参数和再结晶晶粒尺寸满足关系式： z d ”= a ( 1 - 1 ) 其中，妫再结晶晶粒尺寸；m 为晶粒尺寸指数；a 为常数。 对镁合金a z 3 1 、a z 6 1 、a z 9 1 和z k 6 0 研究结果表明实验数据与式( 1 1 ) 吻合的很好【2 6 1 。对m g m - z n 合金，h w a t a n a b e 及其合作者的计算结果给出 用z 3 ；汪凌云等人的计算得到所= 2 9 。 除变形参量外，h w a t a n a b e 等人还研究了起始晶粒度对再结晶晶粒大 小的影响。虽然通常情况下，动态再结晶晶粒尺寸与起始晶粒度无关，但 是对合金a z 6 1 和z k 6 0 的研究结果表明，其动态再结晶晶粒尺寸随起始晶 粒度的减小而减小。h w a t a n a b e 及其合作者给出了a z 6 1 合金动态再结晶晶 粒尺寸与起始晶粒度之间的经验关系式： 凡= a ( 1 n l n 磊) ( 1 2 ) 其中，疗为起始晶粒指数。 然而简单的数学运算即可使其正确性受到明显的影响。因此，起始晶 粒度、变形参量与再结晶晶粒尺寸之间的定量关系及其物理意义、内在机 理等仍有待于进一步深入细致的研究。 等通道挤压近年来被认为是一种很有效的晶粒细化方法。等通道挤压 可使a z 3 l 镁合金获得平均晶粒尺寸为5 u m 的细晶组织，而对a z 6 1 进行等通 道挤压后，平均晶粒尺寸可以达到1 4 l s m 。等通道挤压与适当的退火工艺相 结合，可以大大提高变形镁合金力学性能。z k 3 1 经4 道等通道挤压和3 0 0 c 1 0 第l 章绪论 退火后，其拉伸性能优越于a z 6 l 锻造态镁合金。 大比率挤压可非常有效的细化晶粒。连铸a z 3 1 镁合金在3 5 0 c 条件下 按1 0 0 ：1 挤压后，晶粒尺寸可由1 5 血减d , n s t t m ；z k 6 0 在3 1 0 按1 0 0 ：1 尺寸 可减d , n 2 8 p x n 。但大比率挤压工艺对设备的要求较高，实现大规模生产的 难度很大。 挤压开坯后再进行轧制，这种工艺( “挤压开坯- 车l 制成形”技术) 对难 变形金属是一条有效的加工途径。在挤压时，一方面变形金属的应力状态 接近静水压力，另一方面温挤压过程金属温度下降比较缓慢，因此有利于 金属的塑性成形。另外通过挤压变形可以细化镁合金晶粒，从而显著改善 镁合金的成形性能，保证轧制时合金具有较高的塑性。 在流变应力与变形参量相互关系、参数控制及定量模拟等基础研究方 面，德国i f u m 、国内的重庆大学及日本的有关单位做了较多的工作 2 4 1 。日 本利用钢塑性有限元法计算成形过程中的应力分布，采用最大拉伸应力来 描述和预测镁合金的成形性，并证实了该失效准则可以有效描述和预测 z k 6 0 合金1 0 0 2 0 0 c 温度内精密锻造成形性。重庆大学采用等温压缩模拟 a z 3 1 b 镁合金的塑性变形行为，证实了流变应力、应变速率和变形温度之 间满足关系式： a ，= a o 毒4 7 ( 1 3 ) 其中，a ，为一定温度和应变下的流变应力；a 。、为与温度有关的常数，毒为 应变速率；m ( r ) 为应变速率敏感指数。试验表明m ( r ) 在3 0 0 4 0 0 和舌为 0 0 1 5 s 1 范围内基本保持不变。 1 4 2 变形镁合金的应用前景 变形镁合金与铸造镁合金相比具有更高的强度、更好的塑韧性和优良 的综合性能，更适合于制作大型结构件和满足结构多样化的要求。正是看 好镁合金的应用前景，镁合金的研究和开发才在世界各国蓬勃开展起来 据i m a 的报道 2 7 1 ，变形镁合金的用量从1 9 9 8 年和1 9 9 9 年起开始呈上升的 势头，扭转了长期以来的下降趋势。镁合金在汽车上的应用是推动了变形 燕山大学工学硕士学位论文 镁合金的发展的主要因素，可以预计，一旦高性能变形镁合金生产技术瓶 颈获得突破，变形镁合金在汽车、电子、交通运输、国防军工、航空航天 等领域中的应用将会形成镁合金应用的新高潮。 1 5 本文的研究内容 通过上述文献综述可以看到，采用挤压变形方法细化镁合金的晶粒， 是提高其强度、机械性能、低温塑性和高应变速率塑性、耐蚀性的一个重 要途径。采用挤压方法可以制备出细晶镁合金。但所制备镁合金制品内部 组织晶粒尺寸并不均匀，从而使其综合性能未能达到最佳的状态。如何通 过控制挤压工艺来制备出内部组织晶粒尺寸更加均匀的变形镁合金相关领 域的研究还很不充分，对其细化机制还有待于进行深入的研究。 本文拟以连铸a z 3 1 镁合金为对象，开展以下研究工作： ( 1 ) 进行连铸a z 3 1 镁合金压缩变形试验，研究其动态回复和再结晶行 为，并以此为依据修正流变应力模型。 ( 2 ) 采用m s c s u p e r f o r m 有限元软件模拟反向温度场挤压过程中的微观 组织演变，确定反向温度场挤压的实验方案。 ( 3 ) 针对铸态a z 3 1 镁合金，采用反向温度场挤压的方法探索热传递对材 料成形微观组织的影响，以及不同挤压比、不同温度条件下成形组织均匀 挤压试件对模具与试件温度之差的要求。 ( 4 ) 采用光学显微镜观察连铸a z 3 1 镁合金在不同变形条件下的金相图， 总结镁合金塑性变形过程中微观组织的变化规律。 ( 5 ) 通过有限元模拟结果与实际晶粒组织的比较，总结出得到晶粒尺寸 均匀挤压件的成形参数。 1 6 本选题研究的主要特色及要重点解决的关键问题 到目前为止，对如何成形出晶粒尺寸均匀，机械性能良好的镁合金加 工件的方法还未有论述。传统的加热方式由于加工过程中摩擦热的产生及 1 2 第1 章绪论 模具和工件向外界散热的影响，工件加工完成后其内部晶粒结构复杂，这 必然对工件的机械性能产生一定影响。如何通过控制模具温度和试件的变 形温度来成形机械性能良好的工件是本课题研究的主要特色。解决问题的 关键在于计算机模拟与实验的紧密结合，进行多次实验，在实验中进行规 律性的总结。课题所要解决问题如下： ( 1 ) 针对再结晶软化与加工硬化对材料应力应变关系的影响，提出新的 流变应力模型，并依据连铸a z 3 1 镁合金的压缩实验曲线回归得出更加适用 于连铸a z 3 1 镁合金的流变应力模型。 ( 2 ) 采用m s c s u p e r f o r m 有限元软件，并利用修正的y a d a 模型及修正的 流变应力模型模拟连铸a z 3 1 镁合金反向温度场挤压变形过程中不同变形 条件下的微观组织演变规律。 ( 3 ) 设计、加工挤压模具和试件，并根据模拟的相关数据确定实验方案， 进行挤压试验，观察变形试件的金相组织。 ( 4 ) 总结镁合金反向温度场挤压塑性变形过程中微观组织的变化规律。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章连铸a z 3l 镁合金压缩变形性能及流变应 力模型的建立 2 1 引言 变形镁合金是目前被普遍认为为最有应用发展前景的结构材料，而 a z 3 1 镁合金又是变形镁合金中冶炼生产工艺比较成熟、机械性能良好、具 有代表性的m g - a i z n 系产品之一【2 8 】。 连铸是大批量生产金属棒材最经济、效率最高的生产方式，所以研究 连铸a z 3 1 镁合金在不同条件下的变形性能和成形工艺，对变形镁合金的 进一步应用推广，具有重要的现实意义。由于镁特殊的密排六方晶体结构， 决定了镁合金在室温下表现出较差的塑性，但随着温度的升高镁合金的塑 性发生明显改善，所以可以通过温、热成形和超塑成形的方式来制造复杂 的镁合金零件1 2 9 j 。 通过连铸a z 3 1 镁合金压缩试验研究温度、变形速度等对镁合金变形性 能的影响，分析镁合金的流变应力，提出适合镁合金的流变应力数学模型， 可用于指导镁合金塑性加工