（材料加工工程专业论文）镁合金的超塑性与变形过程中损伤研究.pdf

中文摘要 摘要 镁具有的密排六方晶格结构使得镁合金室温塑性差，近年来，镁合金的超塑 成形受到广泛关注。研究镁合金在特定组织结构和变形温度、变形速度条件下的 超塑成形性能及其成形技术，对扩大镁合金的应用范围和提高其使用价值是有益 的，尤其对工业态轧制镁合金板材超塑性的研究更具有明显的经济和实用价值。 本文围绕工业态轧制a z 3 1 b 镁合金板材的超塑性及变形失稳展开研究工作。 通过在h t - 9 1 0 2 材料试验机上进行的超塑性拉伸试验，研究了工业态轧制a z 3 1 b 镁合金板材的超塑性及其变形机制；通过在a l l i a n c er t 5 0 试验机上进行的超塑性 刚性凸模胀形试验，对轧制a z 3 1 b 镁合金板材的超塑成形性能进行了初步研究， 建立了a z 3 1 b 镁合金板材超塑成形极限试验曲线( f l c ) ，并对成形过程中a z 3 1 b 镁合金板料发生集中性失稳的条件进行了分析。利用金相显微镜、扫描电镜( s e m ) 、 以及自编的空洞识别图像分析软件等手段对a z 3 1 b 镁合金板材超塑性变形过程中 的空洞损伤演化规律进行了定量分析。基于细观统计损伤力学，系统研究了镁合 金材料超塑性变形内部损伤行为的计算方法，采用数值模拟预测含空洞损伤演化 的a z 3 1 b 镁合金板材超塑性理论成形极限曲线图。 在变形温度为6 7 3 7 6 3 k 、应变速率为l x l 0 - 4 l x l 0 。3s 4 的实验条件下，工业 态热轧a z 3 1 b 镁合金板材表现出良好的超塑性。在变形温度为7 2 3 k 和应变速率 为lx1 0 3s 4 的最佳变形条件下，最大断裂延伸率达到2 1 6 ，在此条件下的应变 速率敏感性指数珊可达0 3 6 左右。a z 3 1 b 镁合金超塑性的主要变形机制是晶界滑 动( g b s ) ，变形初期有动态再结晶发生。随着变形程度的增加伴随晶粒长大，但 晶粒仍然基本保持等轴。 通过超塑性刚性凸模胀形试验研究了轧制a z 3 1 b 镁合金板材的成形性能。在 变形温度为5 7 3 k ，初始应变速率为3 3 x 1 0 - s 。1 的条件下，试件胀形最大高度为 4 1 2 0 m m ，半径为5 0 m m ，其高径比为h d = 0 8 2 4 。首次建立了a z 3 1 b 镁合金板 材超塑成形极限试验曲线( f l c ) 。 采用x l 3 0 t m p 扫描电镜对拉伸后试样及超塑性变形各阶段试样轴剖面的空 洞进行观察，并用自编的“空洞识别图像分析软件”对空洞体积分数和空洞半径 进行了测定和分析。在a z 3 1 b 镁合金超塑性变形过程中，空洞体积分数工和拉伸 方向真应变占之间的关系呈指数变化规律。采用r i c e - t r a c e y 模型，首次建立了 a z 3 1 b 镁合金超塑性变形过程中空洞长大数学模型。首次基于微损伤演化物理规 律及统计细观损伤力学，推导出了超塑性变形过程中材料损伤演化方程。 最后系统研究了镁合金材料超塑性变形内部损伤行为的计算方法。建立了预 重庆大学博士学位论文 测a z 3 1 b 镁合金板材成形极限的相关数学模型，自主开发了板料超塑性成形极限 数值模拟程序，该程序考虑了板材超塑性成形中的损伤效应，用本文基于微损伤 演化物理规律及统计细观损伤力学推导出的超塑性变形过程中材料损伤演化方 程，进行了a z 3 1 b 镁合金板料超塑性成形极限数值模拟。数值模拟的理论预测成 形极限曲线与胀形试验数据建立的成形极限曲线基本吻合。 关键词：镁合金，超塑性，空洞，损伤演化，成形极限 i f 英文摘要 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v ep 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 ed u et ot h e i rh c p s t r u c t u r e ，a n dt h es u p e r p l a s t i cf o r m i n go ft h e s ea l l o y sh a sd r a w ni n c r e a s i n gr e s e a r c h a t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r s i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et os t u d yt h es u p e r p l a s t i c i t ya n d f o r m i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o y sa td e f i n i t et e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t ei na n e n dt o 瓿p a n dt h e i ra p p l i c a t i o nf i e l d p a r t i c u l a r l y , t h es t u d yo ns u p e r p l a s t i c i t yo f i n d u s t r i a lm a g n e s i u ma l l o ys h e e tw i l lb r i n ga b o u tg r e a t e re c o n o m i c a lb e n e f i t t h eg u p e 印l 枷c i t ya n df o r m i n gi n s t a b i l i t yo fi n d n s 缸a lm a g n e s i u ma l l o ys h e e t w g r es t u d i e di nt h i sp a p e r s u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fa z 3i bs h e e tw a s i n v e s t i g a t e dw i t h ，t e n s i l e t e s to nm a t e r i a l t e s t i n gm a c h i n e h t - 9 1 0 2 f o rt h e e s t a b l i s h m e n to ff l ca n da n a l y s i so fl o c a l i z e ds u p e r p l a s t i ci n s t a b i l i t yf o rf o r m i n go f m a g n e s i u ms h e e t ，s u p e r p l a s t i cb u l g i n gt e s th a v eb e e nc a r r i e do u to na l l i a n c er t 5 0 t e s t i n gm a c h i n e c a v i t ye v o l v e m e n tl a wo ff o r m i n ga z 3 1 bs h e e tw a sq u a n t i t a t i v e l y a 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 e ，s e ma n ds e l f - d e v e l o p e dc a v i t yi d e n t i f i c a t i o n s o f t w a r e t h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o ri n n e rd a m a g eb e h a v i o ro f s u p e r p l a s t i cm a g n e s i u m a 1 1 0 yw a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fm i c r o s t a t i s t i cd a m a g em e c h a n i c s , a n dt h e t h e o r e t i c a lf l dw i t hc a v i t ) ，e v o l v e m e n tp r e d i c t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a s o b t a i n e d i n d u s l r i a la z 3 1 bs h e e te x h i b i t sh i g hs u p e r p l a s t i e i t ya t6 7 3 7 6 3 ka n d 、v i 廿ls t a i n r a t e sl x l 0 。4 一l x l o 。3j 一m a x i m u me l o n g a t i o no f2 1 6 a n ds t r a i nr a t es e n s i t i v i t yo f o 3 6w e r eo b t a i n e da t7 2 3 ka n das t r a i nr a t eo f1 l o u s - 1 t h eg r a i nb o u n d a r ys l i d i n g ( g b s ) i st h ed o m i n a n td e f o r m a t i o nm o d eo fs u p e r p l a s t i ca z 3 1 bs h e e t , a n dd y n a m i c r c c r y s t a l l i z a t i o no c c u r sa tt h ei n i t i a ld e f o r m a t i o ns t a g ef o l l o w e db yah o m o g e n o u sg r a i n g r o w t hw i t hi n c r e a s i n gs t r a i n t h ef o r m i n gp e r f o r m a n c eo fi n d u s t r i a la z 3 1 bs h e e tw a se v a l u a t e dw i t hb u l g i n g t e s t ad r a w nc u pw i t hm a x i m u mh e i g h t4 1 2 0 m ma n dr a d i u s5 0 m m ( h i d = o 8 2 4 、 w a sa c h i e v e da t5 7 3 ka n ds t i l lr o t e3 3 x 1 0 。s o b s e r v a t i o no nc a v i t i e sa l o n gl o n g i t u d i n a ls e c t i o no fs u p c r p l a s t i cs a m p l e sa t v a r i o u ss t a g e sw a sc a r r i e do u to i le l e c t r o n i cm i c r o s c o p ex l 3 0 - t m p c a v i t yf r a c t i o n v o l u m ea n dc a v i t yr a d i u sw e r em e a s u r e da n de v a l u a t e dw i t hs e l f - d e v e l o p e dc a v i t yi d u n f i f i c a f i u n s o r w a r e i th a sb e e nf o u n dt h a tc a v i t yf r a c t i o nv o l u m e 工i si ne x p o n e n t i a lr e l a t i o n 州t l lt r u e s t r a i n 占d u r i n gs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o n t h ec a v i t yg r o w t hm o d e lw a se s t a b l i s h e do n i i i 重庆大学博士学位论文 t h eb a s i so fr i c e - t r a c e yf o rt h ef n s tl i m e d a m a g ee v o l u t i o ne q u a t i o no fm a g n e s i u m a l l o yu n d e rs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nw a sd e r i v e dw i t hm i c r o - d a m a g el a wa n ds t a t i s t i c m i c r o - d a m a g em e c h a n i c s p r e d i c t i o nm e t h o df o ri n n e rd a m a g eb e h a v i o ro fs u p e r p l a s t i cm a g n e s i u ma l l o yw a s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d m a t h e m a t i cm o d e lo nf o r m i n gl i m i tp r e d i c t i o no f a z 3 1 bw a s e s t a b l i s h e dt od e v e l o pn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o l l w a r ef o rs u p e r p l a s t i es h e e tf o r m i n g l i m i t , w h i c hh a si n c l u d e dd a m a g ef a c t o r s d a m a g ee v o l u t i o ne q u a t i o no fm a g n e s i u m a l l o yu n d e rs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nd e r i v e d 、i t hm i c r o - d a m a g el a wa n ds t a t i s t i c m i c r o d a m a g em e c h a n i c sw e r ee m p l o y e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs u p c r p l a s t i c f o r m i n gl i m i t t h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no ff o r m i n gl i m i tc u r v e sd i a g r a m sa r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t l lc u l w e so b t a i n e di nb u l g i n gt e s t k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y , s u p e r p l a s t i c i t y , c a v i t y , d a m a g ee v o l u t i o n , f o r m i n gl i m i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：李参娟 签字日期：力仍年，口月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废态堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ，) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：痞善髟甬 导师签名： 汐陵易 签字日期：力刃年，矿月却日签字日期：妒年，口月2 驴e 1 1 绪论 1 绪论 1 1 镁合金的发展与应用概况 镁是地球上储量丰富、最轻和未被全面开发的工程金属材料。镁是地球上排 位第八的富有元素，其含量约占她壳重量的2 ，仅次于氧、硅、铝、铁、钙等元 素。镁也是海水中的第三富有元素，约占海水重量的0 1 3 ，其含量仅次于氯和钠 元素。1 8 0 8 年英国的s i r h m n p h r y d a v y 首先发明了还原氧化镁的方法，直到1 8 8 6 年镁合金才在德国开始工业化生产【1 1 。镁合金在两次世界大战期间广泛用于核工业 和军事航空领域，但是，在和平年代，由于其价格高、易燃、抗腐蚀性差、塑性 成形难等因素，镁合金的应用受到限制。尽管1 9 4 3 年世界镁合金的消耗量达到 2 2 8 ，0 0 0 t ，战后却又降低到每年1 0 ，0 0 0 t t ”。 镁合金的密度小，约为1 7 8 9 e m3 ，是铝的2 3 ，钢的l 4 ，同时具有比强度、比 刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽性强，铸造成本低，易回收，无污染等优 点，成为航空、航天、汽车、通讯、交通运输、家用电器等领域的优选材料，被 誉为2 l 世纪最具应用潜力的“绿色材料”。2 0 世纪9 0 年代镁合金在汽车上的应 用得到迅速发展，其用量几乎增加了一倍。一些过去用钢铁或铝合金制造的汽车 零件被镁合金取而代之，其中主要有：刹车和离合器的踏板及支架，仪表盘，汽 缸盖，变速箱体，各种排气通风和座椅用零件。例如，福特汽车公司于1 9 9 8 年推 出的轻质概念车p 2 0 0 0 采用了3 1 k g 的压铸镁合金轮毂；2 0 0 0 年福特公司在每台 轿车上使用了镁合金材料，可以降低车重4 5 ( 由1 8 8 6 k g 降至1 0 3 k g ) ，见表1 1 4 1 。 近年来，在减重、节能和环境保护意识的推动下，镁及镁合金的研究和应用得到 迅速发展。在镁的提取、铸造、成型加工、合金开发等方面取得了明显的技术进 步。1 9 9 8 年镁合金的消耗量回升至3 6 0 , o o o t ，此后以每年7 - 9 的速度递增。镁及 镁合金材料的开发和研究倍受关注，特别是在结构材料方面的应用得到极大的重 视。 与欧美等国相比，亚洲国家近年来更侧重于镁合金在“3 c ”( 即c o m m u n i c a t i o n s 通讯、c o m p u t e r 计算机和c o n s u m e r e l e e t r o n i c s 消费类电子) 产品上的应用。电子 信息行业由于数字化技术的发展，市场对电子及通讯产品的高度集成化、轻薄化、 微型化和符合环保的要求越来越高。曾经作为电子及通讯产品主要材料的工程塑 料，其强度终究无法与金属相比，而镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件 的壁厚可达1 1 5 m m ，并保持一定的强度和刚度，这非常符合产品超薄、超轻和微 型化的要求，这是工程塑料乃至铝合金所无法达到的。另外，由于镁合金拥有电 磁屏蔽、散热和环保方面的优势，使其成为“3 c ”产品厂商的最佳选择。1 9 9 8 年 重庆大学博士学位论文 以后日本的笔记本电脑厂商均推出以镁合金材料作为外壳的机型，目前对3 8c m 以 下的机种已全面使用镁合金外壳。中国的联想、华硕等笔记本电脑厂商也部分采 用了镁合金外壳。中国台湾是全球镁合金机壳生产基地，台湾的年生产能力足够 供应全球6 0 0 万台镁合金笔记本电脑外壳约6 0 的需求。近年来，电子信息行业 镁合金的需求量增加成为带动全球镁消耗量增加的又一重要因素“”。 表i 1 福特公司2 0 0 0 年使用的镁合金零部件 t a b l e1 1 a p p l i c a t i o no f m a g n e s i u ma l l o y sf o rv e h i c l ep a r t si nf o r d ( 2 0 0 0 ) 我国是镁金属生产大国，镁的储藏丰富，镁资源占全球总储量的2 2 5 。我国 探明的菱镁矿资源总量达3 1 4 5 亿吨。同时，储量巨大的白云石矿和青海的盐湖， 也含有十分丰富的镁资源。充裕的镁资源和劳动力优势使我国的原镁产量占全球 产量的4 0 ，是世界上第一大镁生产国和出口国。2 0 0 1 年我国原镁产量约2 0 万吨， 出口1 6 5 万吨。但我们应该认识到，我们决非镁产业强国，我国的镁金属大部分 以原材料的形式出口。全国目前共有镁生产企业1 0 0 多家，但应用开发滞后，技 术和设备落后，产品技术含量低，对技术附加值高的深加工产品关注不够，属于 以牺牲资源和环境为代价的原料出口型工业。 目前，我国已将“镁合金应用与开发”列为国家计委和科技部联合下发的“十 五”国家科技发展规划中材料领域的重点任务，同时“镁合金应用开发与产业化” 作为十五计划的第一批项目已在2 0 0 1 年8 月正式启动。在国家“8 6 3 ”、“十五” 攻关项目的支持下，重庆大学开展了变形镁合金的理论研究与产品开发：重庆镁 业科技股份公司开发出摩托车和汽车用镁合金零部件，实现镁合金应用的商业化； 重庆长安汽车公司2 0 0 4 年实现单车使用镁合金1 5 k g ，装车5 万辆；青岛金谷镁业 2 1 绪论 股份公司着力开发。3 c ”产品：山西广灵精华镁业科技有限公司致力于高纯镁特 种镁合金等的开发；深圳力劲集团公司由香港力劲公司和清华大学联合研发镁合 金铸造设备及工艺；二汽集团和北京有色金属研究总院运用半固态加工技术联合 开发镁合金的汽车零部件；上海交大轻金属精密成型国家工程研究中心研发新型 镁合金及精密成型技术等。 但由于发展历史不长，整体科技及管理水平低；随着我国经济体制改革的深 化，以及国际产业结构的调整，全球制造中心正在向中国大陆转移，中国镁业正 面临重大的历史机遇和挑战。通过建立镁合金技术创新体系，加强镁合金应用开 发，建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群，将我国的镁资源优势转化为 经济优势。 1 2 镁及镁合金的变形特点 镁的原予序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 0 5 0 ，熔点为6 5 0 。镁的晶体结构 为密排六方，在2 5 时的晶格常数为：a = 0 3 2 0 9 4 n m ，c = o 5 2 1 0 7 n m ；晶胞的 轴比为c a = 1 6 2 3 6 ，与密排原子堆集的理想值1 6 3 3 非常接近。镁的比重低，是 常见结构材料中最轻的金属，镁的这一特征成为大多数镁基结构材料应用的基础。 镁在2 0 c 时的体积热容为1 7 8 1 j ( d m 3 k ) ，在大多数金属材料中具有最低的体积 热容。此外，合金元素对镁的热容影响不大，因此，镁及镁合金的一个重要的特 征是其加热升温与散热降温比其他金属都快。镁的弹性模量e = 4 5 g p a ，较低的弹 性模量是镁作为结构材料的又一重要特征。由于金属的弹性模量是一个对组织不 敏感的指标，因此镁合金和镁一样弹性模量也较低，当受到冲击载荷时能够吸收 较大的冲击功。镁是一种非常活泼的金属，在n a c i 溶液中，镁在所有结构金属中 具有最低电位，其标准电位为一2 3 7 v ，即对任何其他结构金属呈阳极性。由于标准 电位最低，故其易氧化，在空气中生成氧化镁薄膜。表面膜生成可起到保护金属 并阻止其进一步氧化的作用，此种情况类似于其他活泼结构材料，如钛和铝。未 加保护的镁可比低碳钢更抗大气腐蚀。然而，与钛和铝的表面氧化膜比较，镁的 钝化层稳定性较差且更易被穿透。此外镁在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类， 有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀，所以其耐腐蚀性较差 2 , 3 j 。 在常温下，金属材料塑性变形的基本方式有滑移、孪生和扭折，而在高温下 还有晶界滑移和扩散蠕变等变形方式。晶体材料的变形模式与晶体结构有密切的 关系，由于镁属于密排六方金属，其晶体结构同体心立方和面心立方金属显著不 同，从而决定了镁的塑性变形模式。 虽然密排六方晶体的体致密度和原子配位数与面心立方晶体相同，但是由于 两种晶体原子密排面的不同堆垛方式，晶体的塑性变形能力相差悬殊。面心立方 重庆大学博士学位论文 晶体具有1 2 个滑移系，因此具有很高的塑性。而密排六方晶体在室温下仅有一个 滑移面( o 0 0 1 ) ，在滑移面上的三个密排方r 句 t t 2 0 、 互1l o 、 t 2 t o l 与滑移面组 成了这类晶体的滑移系，即在室温下密排六方晶体只有三个滑移系，根据多晶体 塑性变形协调性原则，要使多晶体在晶界处的变形相互协调，必须有五个独立滑 移系。显然，密排六方金属不能满足该条件，而需要孪生变形方式协同作用，以 保证多晶体的大塑性应变。因此，密排六方结构金属的塑性远比体心立方和面心 立方晶体结构金属的塑性差，例如a z 3 1 b 镁合金轧制薄板室温下的延伸率在1 7 左右。此外，同为密排六方结构金属，由于其轴比c a 不同，晶体的塑性变形能力 也存在很大差异，例如锌的塑性比镁高得多，室温拉伸时锌多晶体的延伸率约为 4 0 。故此，镁的室温塑性差成为阻碍镁合金作为结构金属材料广泛应用的主要原 因。 由于镁的室温塑性差，目前镁合金在汽车、飞机、通讯、电子等领域内的应 用大部分是铸造镁合金，其中又以压铸件为主。尽管压铸技术能够生产出具有复 杂几何形状的零件，但是这些零件的机械性能还不能满足大多数领域内多样化的 使用需求。与铸造镁合金相比，变形镁合金通过挤压、* l n 等塑性变形加工后具 有更优良的机械性能，采用变形镁合金可以满足多样化结构的需求，尤其是汽车 工业对变形镁合金的需求趋势逐渐增大【7 】。 相对于铸造镁合金，变形镁合金的发展还不十分成熟，合金系列较少。目前 常见的变形镁合金主要分为三个系列。按美国标准有：a z 系列( m g - a 1 - z n - m n ) ， a m 系列( m g - ：d m n ) ，z k 系列( m g - z n - z r ) ；其主要牌号有a z 3 1 b 、a z 6 1 、a z 9 1 和z k 6 0 a 等。中国变形镁合金牌号为m b 系列，主要有m b l 、m b 2 、m b 8 、m b l 5 和m b 2 6 等。 1 3 变形镁合金的超塑性与损伤研究现状 根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金和变形镁合金【l 2 ”。 前者是目前镁合金产品的主要生产方式。除采用传统的模铸工艺外，近年来，压 力铸造( d i ec a s t i n g ) l 州7 1 及半固态成型( s e m i s o l i df o r m i n g ) 1 ”刎技术被用于开发 新型镁合金材料，并取得了很大进展。但是，由于铸造镁合金的产品性能、可靠 性、成品率和设备吨位的限制，以及变形镁合金比铸造镁合金具有更高的强度、 更好的延展性、更多样化的力学性能，变形镁合金更具有发展前途和潜力f 2 ”。 因此，研究变形镁合金的塑性变形机理、开发变形镁合金塑性加工技术是目前急 待解决的问题。 镁具有的密排六方晶格结构使得镁合金室温塑性差，特别是镁合金板材用常 规的加工方法成形较难，必须研究新的加工成形技术。因此，研究镁合金在特定 4 1 绪论 组织结构和变形温度、变形速度条件下的超塑性成形及变形机制，对扩大镁合金 的应用领域和提高其经济技术指标有重要的价值。近年来，镁合金的超塑成形受 到广泛关注。一方面，超塑成形可由棒材、板材直接成形形状复杂的产品，且加 工成本比相应的压铸件低；另一方面，超塑成形产品的机械性能比相应的压铸件 高。镁合金的超塑成形可用压缩气体作为成形的动力，实现复杂形状结构件固态 下的近净成形，超塑成形已成为当前镁合金研究领域的一个焦点。 国内外学者对镁合金超塑性变形机理和工艺进行了大量的研究 2 9 - 6 5 1 ，但至今 仍未得到统一的理论能对超塑性现象做出完整的解释。关于超塑性变形理论的研 究包括：超塑性材料的研制；超塑性材料的变形过程和方式；材料超塑性变形条 件、力学性能与物理性能的变化及其规律；空洞的形核、长大、聚合或连接，最 终导致材料断裂的机理及演化方程；超塑性性能测试技术等。 超塑性变形过程中伴随着空洞的形核、长大、聚合或连接，材料的损伤、断 裂机理和宏微观力学理论的深入研究将有助于促进力学、材料科学、物理学、化 学领域的学科交叉和深化，以宏微观结合理论为主要标志的破坏科学正成为当代 力学和材料科学交叉领域的研究前沿。目前超塑性材料连续损伤演化方程【6 5 1 是基 于连续介质热力学势函数及内变量理论，从宏观连续损伤力学的框架建立起来的； 而基于细观的考虑结构参数模型的损伤理论和随机损伤理论正以强劲的势头吸引 研究者。统计细观损伤力学提供了一条沟通微损伤演化机理和宏观连续体损伤描 述的途径。研究和剖析材料超塑性成形过程中空洞损伤演变及其对成形性能的 影响规律，具有重要的实用价值和科学意义。 1 3 1 变形镁合金的超塑性 金属材料在特定的组织结构、变形温度和速度条件下，能够获得很高的延伸 率和很小的变形抗力的特性称为超塑性。正是由于金属超塑性所表现的优异变形 能力，超塑成形将成为解决难变形和成形形状复杂问题的有效手段，同时可以简 化加工工艺、降低模具加工费和生产成本。 通常认为，金属材料具有超塑性的必要条件之一是，其晶粒尺寸小于1 0 p r n 。 目前，国内外镁合金超塑性研究的一个重要方向即为：通过热机械处理方法将镁 合金晶粒细化，以实现镁合金的高应变速率或低温超塑性。一般晶粒细化的方法 采用快速凝固镁合金粉末的粉末冶金法( p m ) 、挤压比大于1 0 0 的高挤压比法及等 通道角挤压e c a p ( e q u a l c h a n n e l 盟g i l l a r p r e s s i n g ) 等。例如：k m a t s u b a r a 【2 9 1 等的研 究结果表明，对晶粒尺寸为5 0 r t m 的铸造a z 9 1 镁合金，在温度为4 7 3 k 的条件下， 采用e c a p 法处理后可获得0 7 a m 的均匀等轴细晶粒，经超塑性拉伸实验得到最 大8 4 0 的延伸率。h w a t a n a b e t 3 町等用快速凝固粉末冶金法对镁合金晶粒进行细化 处理，收到明显效果，并对其进行了超塑性实验研究，实验结果见表1 2 。研究表 5 重庆大学博士学位论文 明实验用镁合金材料具有良好的超塑性。文献 3 7 】阐述了对轧制态m b l 5 镁合金进 行的超塑性拉伸实验结果：晶粒尺寸为5 9 1 1 r n 的m b l 5 板材，在温度为5 7 3 k ，初 始应变速率5 5 6 x 1 0 。j 1 的变形条件下，获得的最大延伸率为3 0 9 ，当真应变为 o 3 时，试样的晶粒尺寸为4 5 岫1 ，说明在拉伸的初始阶段发生了动态再结晶。文 献t 4 8 研究了新型高强度镁合金m b 2 6 的超塑性，结果表明：热挤压态镁合金 m b 2 6 ，在温度为6 7 3 k ，真应变速率为1 1 7 x1 0 - 2s - 1 的变形条件下超塑性拉伸时， 其断裂延伸率高达1 4 5 0 ，应变速率敏感性指数m 值为0 6 。 表1 2 镁合金实验资料 t a b l e l 2 e x p e r i m e n t a l d e t a i l s f o r t h e m a g n e s i u m - b a s e d m a t c r i a l s 大量文献已经报道了等轴细晶镁合金的超塑性，但对具有非典型等轴细晶的 工业态( c o m m e r c i a l ) 变形镁合金超塑性的研究较少，而很多工业态镁合金就具有良 好的超塑性，无需经过复杂的热机械处理可直接进行超塑成形，其经济和应用价 值十分明显。j c t a n i ”1 等对工业态a z 3 1 镁合金板材采用分两步变形方法的超塑 性拉伸实验，在未对镁合金进行预处理的条件下获得了镁合金的超塑性，实验数 据见表1 3 。 表1 3 单步变形和两步变形试样的实验条件和断裂延伸率 t a b l e1 3 e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa n de l o n g a t i o n - t o f a i l u r ef o rs p e c i m e n st e s t e d u s i n gs i n g l ea n dt w o - s t a g ed e f o r m a t i o n 6 1 绪论 文献 4 7 】中特别强调了对具有非典型等轴细晶的工业态( c o m m e r c i a l ) 变形镁合 金超塑性的研究；给出了原始平均晶粒尺寸约为3 7 5 p m 、且晶粒大小不均匀的工 业态a z 3 l 镁合金的超塑性实验结果，在实验温度6 7 3 k 和真应变速率3 1 0 。5s - 1 条 件下，获最大延伸率3 1 4 。h w a t a n a b e ”1 等对原始晶粒度为1 3 0 p r o 的工业态轧 制a z 3 1 镁合金超塑性进行了研究，在实验温度为6 4 8 k 和变形速率为3 1 0 。s - 1 条 件下，延伸率达到1 9 6 。表明大晶粒的原始组织，在适当的条件下，可以得到较 高的延伸率。 据现有的国内外相关文献报道，多数研究者认为超塑性变形机制是以晶界滑 动( g b s ) 为主的多机制迭加，即在超塑性材料l nc r i n s 的s 形曲线的3 个区域内 都同时存在扩散蠕变、晶界滑动、位错滑移或位错蠕变等的作用。几乎所有的金 属超塑性材料拉伸试样s e m 断口形貌特征均为沿晶和晶内韧窝的混合型断裂，且 存在许多细小的空洞。这表明空洞的形核、长大、聚合或连接是金属超塑性成形 过程中普遍存在的组织变化特征。空洞的作用一方面引起应变软化效应，另一方 面导致金属材料变形性能及成形零件机械性能的降低，这给成形零件的使用可靠 性带来了不利影响。因此，对超塑性成形过程中空洞损伤演变的规律进行研究以 减少其对超塑性成形的不利影响尤为重要。 1 3 2 超塑性材料的空洞损伤研究 空洞是超塑性变形过程中普遍存在的组织变化，超塑性变形伴随着空洞的形 核、长大，继而发生空洞的聚合或连接，最终导致材料断裂。同时在空洞长大和 连接过程中，又不断有新的空洞形核和长大，所以，超塑性变形材料的损伤是空 洞群演化过程的结果。因此，为了预测镁合金板材超塑性变形失稳，优化镁合金 板材成型工艺参数，必须对其变形过程中空洞损伤演变规律进行定量研究，超塑 性成形空洞损伤演化过程研究也已引起材料和力学研究工作者的高度关注 6 5 4 】。 近年来损伤力学得到很大发展，将损伤力学应用于韧性材料成形方面的研究【8 “2 目 已成为金属塑性成形和固体力学研究领域内最重要的组成部分。 应该说，金属超塑性失稳和断裂的发生常起因于内部损伤的缓慢扩展。局部 化颈缩是金属板材成形的一个重要特征，可以用来表征材料的流动性。工艺因素 和金属流动性可改进金属板零件的设计并影响成形工艺的成功与否。为此，成形 极限曲线图( f l c ) 被广泛用于分析金属薄板成形工艺。f l c 就是用材料的局部化 颈缩去度量金属薄板成形产品的流动性。破坏前的最大流动性被定义为具体成形 过程中材料没有发生失稳的极限响应，评价金属流动性的常规分析方法是经典塑 性理论，最具有代表性的研究是h i l l t 8 目运用经典塑性理论分析了金属在局部化颈 缩过程中的流动性。但是，局部化颈缩的常规分析方法忽略了微缺陷引起的材料 性能退化。实验表明，金属材料超塑性变形时空洞化损伤严重，导致变形过程中 7 重庆大学博七学位论文 材料性能退化，即所谓损伤软化，损伤软化在引发局部化颈缩上起着举足轻重的 作用，成形极限曲线对内部损伤的发展很敏感。 为了透彻地认识金属板材的成形过程，板材成形极限和断裂极限的研究已从 经典理论发展到应用损伤力学概念和方法。损伤力学在一般( 非超塑) 金属板料 塑性成形上的应用有l e m a i t r e 9 6 , 8 7 和l e e 【8 8 3 所做的工作，他们发现，在双轴拉伸 下金属板的塑性失稳经历了材料的退化，并认为可以用损伤力学理论推算成形极 限曲线( f l c ) 。c h o w t ”1 等应用与损伤耦合的弹塑性本构关系，预测金属薄板成 形的局部化颈缩和破坏极限。由于超塑性变形所具有的特点，其与一般( 非超塑) 金属板料塑性变形理论存在很大差异。因此，须对超塑性板料变形时的屈服准则、 超塑性变形空洞长大数学模型、超塑性变形损伤演化方程、超塑性板料变形中的 失稳过程、超塑性板料成形极限计算、超塑胀形后空洞体积分数大小及其分布等 进行系统的综合分析和计算，才能达到丰富和完善含空洞损伤演化效应超塑性理 论体系。并将其用于变形镁合金板材成形工艺和模具设计，为镁合金板材成形工 艺优化和产品质量控制提供理论依据。 目前，镁合金超塑性变形损伤研究报道很少，d h b a e 等呻1 通过铝合金高温超塑 性拉伸实验，研究了超塑性变形过程中，空洞形核和早期长大的细观物理机制，给出 空洞长大的数学模型公式( 1 1 ) k k c h o w t ”】等通过对粗晶a 1 5 0 5 2 铝合金高温超塑 性拉伸实验研究空洞演化，得到了相同的结果。 e = c v a e x p ( r e )( 1 1 ) 式中：e 为空洞体积分数；g 为超塑性变形初始空洞体积分数；r 为材料常数；占 为材料超塑性变形真应变。 文献【7 9 】基于含损伤内变量的连续介质热力学给出了金属超塑性变形时的损 伤演变方程式( 1 2 ) ，并以铝合金l y l 2 c z 和半硬态黄铜h 6 2 板料为例，研究了金 属板料超塑性变形时的损伤演变。 叫r 唧( 制马 ( 1 2 ) 式中：d 为损伤变量，d = 0 时，材料无损伤；当d = o c 时( d 。：损伤变量i 临界值) ， 材料破坏；b 。和马为材料特性常数，可通过单向拉伸实验确定；盯。、盯。分别为 平均应力和等效应力；p 为累积塑性应变。 设p 。为累积塑性应变门槛值，即p p 。值，d = 0 ，则在比例加载时，由式( 1 2 ) 可得 。= 玩一k 生。r , 丌j j 。嘞) 8 ( 1 。) 1 绪论 在单向拉伸时，吒吒= 1 3 ，设f ，为单向拉伸破坏时的塑性应变，为单向 拉伸时的应变门槛值，则上式为 d 。= b o e x p ( 1 3 ) 且- r 一户 ( 1 4 ) 式中：d 为损伤变量临界值。c 1 3 3 主要存在的问题 虽然镁合金由于密度低等优点使其在结构材料应用方面具有很大潜力，但镁 具有的密排六方晶格结构使得镁合金室温塑性差，用常规的加工方法成形较难， 必须研究新的加工成形技术。镁合金目前主要采用压铸方法加工成形产品，而镁 合金的冲压、胀形和超塑成形等塑性加工技术很不成熟；塑性加工技术的发展是 镁合金得以广泛应用的前提条件。只有解决镁合金塑性加工技术难题，才能使其 得到广泛应用。除此之外，对镁合金的塑性变形机理的认识不够全面和深入、未 能建立起完整的塑性变形理论体系是限制变形镁合金材料应用的关键因素，因此 对如何从根本上改善镁合金的变形能力，改进现有的塑性变形工艺及开发新的塑 性变形技术缺乏理论指导。 大量文献已经报道了镁合金细晶超塑变形的控制机理，但对工业态镁合金超 塑变形的协调机制研究较少，因此有必要对工业态镁合金超塑变形的微观机制作 深入研究。并且镁合金超塑成形速度慢，在变形过程中易出现空洞化而影响结构 件的使用性能等因素使得镁合金超塑成形处于实验室研究阶段，达到工业化生产 和商业化应用尚有一定差距。 1 4 本论文研究的目的及意义 随着节能、环保新工业时代的来临，镁及镁合金的研究和应用得到人们极大 关注。我国是世界上镁矿资源最丰富的国家之一，在世界金属镁的生产上占有重 要地位，但其大部分产品是以原镁形式出口，因此，我国在对技术附加值高的深 加工镁产品的开发和相关变形机理的研究有待提高。镁具有的密排六方晶格结构 使得镁合金室温塑性差难以加工，从而大部分金属镁制品都是由压铸成型，而很 少采用冲压、胀形及超塑成型；如果镁合金的塑性成形性能得到改善，将使其在 工业构件领域有更广泛的应用；因此，研究镁合金在特定组织结构和变形温度、 变形速度条件下的超塑性成形性能及其成形技术，无疑对扩大镁合金的应用范围 和提高其经济使用价值是有益的；尤其对工业态镁合金超塑性研究更具有明显的 经济和实用价值。 大量的国内外相关文献报道，几乎所有的金属超塑性材料拉伸试样s e m 断1 ：3 形貌特征均为沿晶和晶内韧窝的混合型断裂，且存在许多细小的空渭：这表明空 9 藤庆大学博士学位论文 溺熬形孩、长大、蒙合或连接怒企莛超塑经藏影过程孛磐速存在豹缀绞交纯特征。 空澜的作用一方酾引起应变软化效应，另一方面导致金属材料变形倭能及成形零 件机械性能的降低，这给成形零件的使用可靠性带来了不利影响。这种塑性损伤 是在众属丈变形过程中弓| 起的，在金属成型熊王过程中，必须考虑这秘损伤，著 显在成型后，损伤还会继续影噙材辩静往熊。隧诧，霹a z 3 1 b 超塑莰叛耪成形遥 程中宅洞损伤演变的规律