（材料加工工程专业论文）镁稀土合金塑性变形的显微组织演变规律研究.pdf

镁稀土合金塑性变形的显微组织演变规律研究 学科：材料加工工程 研究生签字：务钇才 指导教师签字： 摘要 近年来，添加重稀土元素g d 和y 的镁合金因其室温强度和高温强度高、抗蠕变性好， 因而受到研究者的广泛重视。在镁合金热机械变形过程中，动态再结晶作为一种有效的软 化和晶粒细化技术，对控制镁合金的变形组织、改善镁合金的塑性变形能力和提高材料力 学性能起着非常重要的作用。本文研究了g w l 0 1 合金在高温压缩变形过程中的变形行为、 组织演变特征，及随后的退火工艺对热压缩后合金动态再结晶组织的影响，并根据其高温 压缩特性制定热轧制工艺进行轧制变形，研究轧制参数对g w l 0 1 和g w 9 3 合金在热轧制 变形过程中的显微组织和力学性能的影响规律，为高性能变形m g - g d y 系合金的研究和 应用奠定基础。 高温压缩试验结果表明：在恒温条件下，g w l 0 1 合金的稳态流变应力随应变速率增 加而增加：经固溶处理后，合金的变形抗力较铸态增加，临界应变也增加，说明固溶处理 后合金不易发生动态再结晶。动态再结晶定量分析表明：铸态g w l 0 1 合金在4 5 0 压缩 时，出现明显的动态再结晶现象，随着应变速率的增加再结晶数量减少，晶粒越来越细小； 固溶态g w l 0 1 合金在4 5 0 c 压缩时的动态再结晶体积分数曲线随着应变增大而上升，动 态再结晶临界应变先减小再增大，应变速率为1 0 - 1 。s1 时临界应变值最小。随着应变速率逐 渐增大，初始动态再结晶速度越来越小，在1 0 0 1 0 卜s1 范围内，动态再结晶速度曲线呈 递减趋势，变化先快后慢；在l 1 0 2s 以范围内，曲线先上升后下降，峰值减小。变形过 程中，小于临界应变时位错滑移起主要作用，通过t e m 可以观察到典型的镁合金滑移变 形微观形貌，之后发生明显的动态再结晶。 随后的再结晶退火试验结果表明：两种状态g w l 0 1 合金试样经4 5 0 高温压缩后在 2 0 0 退火时基本无静态再结晶现象，铸态合金在3 0 0 4 5 0 退火，均发生静态再结晶， 随着退火温度的升高，静态再结晶的速度加快，静态再结晶的百分数也增加。固溶态试样 经4 5 0 高温压缩后在小于3 5 0 退火时基本无静态再结晶现象，4 0 0 和4 5 0 时发生明 显的静态再结晶；随温度的升高，静态再结晶的速度和百分数都增加；同一温度下退火， 随时间的增加再结晶晶粒逐渐变大，由模糊逐渐变得清晰。铸态试样发生静态再结晶比固 溶试样容易，且再结晶程度要大很多。 对铸态、固溶态g w l 0 1 和g w 9 3 合金板材在4 5 0 进行多道次轧制，每道次中间进 行4 2 0 ，1 5 r a i n 中间退火处理。结果表明：随着轧制道次增多，轧制变形量增大，板材 的室温抗拉强度、布氏硬度和延伸率都得到提高，随后的时效处理使抗拉强度、布氏硬度 提高，而延伸率略有下降。固溶态合金板材在小于3 5 轧制变形量时，显微组织中存在 大量孪晶，孪生变形起主要作用，继续变形时孪晶逐渐消失，出现动态再结晶；而铸态板 材在轧制过程中始终没有出现孪晶组织，主要变形机制为滑移和再结晶。 关键词：镁一稀土合金；热压缩；动态再结晶；再结晶退火；轧制 s t u d yo nt h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nr u l e so f - m g r ea l l o y s d u r i n gp l a s t i cd e f o r m a t i o n d i s c i p l i n e ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nr e c e n ty e a r s ，m a g n e s i u ma l l o y sw i t hh e a v yr a r e e a r t he l e m e n t sg da n dyh a v ea t t r a c t e d t h es c i e n t i f i cr e s e a r c h e r sa t t e n t i o n s t h er e a s o ni st h a tt h e i ro w nh i g hr o o mt e m p e r a t u r e s t r e n g t h sa n de l e v a t e dt e m p e r a t u r es t r e n g t h s ，a sw e l la sw e l l k n o w nc r e e pr e s i s t a n c e d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o na sap o w e r f u ls o f t e n i n ga n dg r a i nr e f i n i n gt e c h n o l o g yp l a y sv e r yi m p o r t a n tr o l e i nc o n t r o l l i n gd e f o r m e dm i c r o s t r u c t u r e so fm a g n e s i u ma l l o y , i m p r o v i n gp l a s t i cd e f o r m a b i l i t y a n du p r a t i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t yi nt h et h e r m a ld e f o r m a t i o np r o c e s s i n go fm a g n e s i u ma l l o y s t h eh i g h t e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o n d e f o r m a t i o nb e h a v i o r s ，t h e o r g a n i z a t i o n e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e c r y s t a l l i z a t i o no r g a n i z a t i o n sa f t e rs u b s e q u e n ta n n e a l i n gp r o c e s so ft h e g w 10 1 a l l o yw a ss t u d i e d t of o r m u l a t et h e h o tr o l l i n gp r o c e s sa n dc a r r yo nt h er o l l i n g a c c o r d i n gt o i t sh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ei n f l u e n c er u l e so fr o l l i n g p a r a m e t e r so nm i c r o s t r u c t u r e sa n d m e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fg w101a n dg w 9 3m l o y sd u r i n g h o tr o l l i n gd e f o r m a t i o np r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hp r o v i d i n gt h ef o u n d a t i o nf o rt h e r e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o no fh i g h - p e r f o r m a n c em g g d ya l l o y s t h er e s u l t so fh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o ni n d i c a t e dt h a ti nt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e ， t h eg w l 0 1a l l o yf l o ws t r e s si n c r e a s e s ，a l o n gw i t ht h es t r a i ns p e e di n c r e a s e s a f t e rs o l u t i o n t r e a t m e n t ，t h ea l l o yr e s i s t a n c et od e f o r m a t i o ni n c r e a s e sc o m p a r i n gt ot h ec a s ts t a t e ，t h ec r i t i c a l s t r a i na l s oi n c r e a s e s ，w h i c hs h o w e dt h ea l l o yi sd i f f i c u l tt od y n a m i cr e c r y s t a l l i z ea f t e rt h e s o l u t i o nt r e a t m e n t t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tc a s ts t a t e g w 101a l l o ya p p e a r so b v i o u sd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na f t e rc o m p r e s s i n ga t4 5 0 c ，a ss t r a i n s p e e dr a t ei n c r e a s e s ，r e c r y s t a l l i z a t i o nq u a n t i t ya n dc r y s t a lg r a i ns i z eb o t hr e d u c e a st h es t r a i n r i s e s ，t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nv o l u m ef r a c t i o nc u r v eo fs o l u t i o ns t a t eg w 101 a l l o ya f t e r 4 5 0 。c c o m p r e s s i o nr i s e s a st h es t r a i ns p e e di n c r e a s e s ，t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nc r i t i c a l s t r a i nr e d u c e s ，a f t e r w a r d si ti n c r e a s e s w h e nt h es t r a i ns p e e dr a t ei s1 0 1s - l , c r i t i c a ls t r a i nv a l u ei s s m a l l e s t w h e nt h es t r a i ns p e e di n c r e a s e s ，t h ei n i t i a ld y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ns p e e dg r a d u a l l y r e d u c e s d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nr a t ec u w er e d u c e sg r a d u a l l ys l o w l yf r o m10 ，t o10 1s 。a n d i td r o p sa f t e rr i s i n ga sw e l la s t h ep e a kv a l u ed r o p sf r o m1t o1 0 2 s - 1 n l ed i s l o c a t i o ns l i pp l a y s m a j o rf u n c t i o nw h e nt h es t r a i n ：4 s s m a l l e rt h a nc r i t i c a lr e c r y s t a l l i z a t i o ns t r a i n ，t h r o u g ht e m c l a s s i c a l s l i p p i n g d e f o r m a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e so ft h e m a g n e s i u ma l l o y w a so b s e r v e d ， a f t e r w a r d sa p p e a r e dt h eo b v i o u sd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n s u b s e q u e n tr e , c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n gt e s t i n d i c a t e d ：a f t e r4 5 0 c o m p r e s s i o n t w o g w l 0 1 , a l l o y st e s ts a m p l e sb o 癣h a v en o n s t a t i cr e , c r y s t a l l i z a t i o np h e n o m e n o nw h e na n n e a l i n g a t2 0 0 ，b u tt h ec a s ts t a t ea l l o y _ h a so b v i o u ss t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，w h e na n n e a l i n gd u r i n g3 0 0 a n d4 5 0 c ，t h es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o ns p e e da n dt h es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o np e r c e n t a g eb o t h i n c r e a s ea s a n n e a l i n gt e m p e 面r a t u r er i s e o t h e r w i s e ，s o l u t i o n s t a t e s a m p l e h a sn o n - s t a t i c r e , c r y s t a l l i z a t i o np h e n o m e n o nw h e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r es m a l l e rt h a n3 5 0 c ，b u ti th a s t h eo b v i o u ss t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nd u r i n g4 0 0 ca n d4 5 0 c a st h et e m p e r a t u r ea s c e n s i o n t h e s t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o ns p e e da n dt h ep e r c e n t a g ea l li n c r e a s e ；u n d e rt h es a m ea n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，t h er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z ei n c r e a s e sg r a d u a l l yf r o mf u z z i l yt oc l e a r l y t h ec a s t s a m p l e sn o to n l ye a s i l yh a p p e nt h es t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，b u th a v eg r e a t e re x t e n t t h ec a s ta n ds o l u t i o ns t a t eg a m p l eg w101a n dg w 9 3w e r em u d p a s sr o l l e dw i t h4 2 0 c a n d15 m i nm i d t e r ma n n e a l i n gt r e a t m e n t t h er e s u l t si n d i c a t e dt 1 1 a ta st h er o l l i n g p a s s i n c r e a s e s ，a st h er o l l i n ga m o u n t5 fd e f o r m i t yi n c r e a s e s ，t h ea l l o yp l a t e sr o o mt e m p e r a t u r et e n s i l e s t r e n g t h ，t h eb r i n e l lh a r d n e s sa n dt h ee l o n g a t i o nr a t i oa r ea l le n h a n c e d ，s u b s e q u e n ta g e i n gm a d e t h er o o mt e m p e r a t u r et e n s i l es t r e n g t ha n dt h eb r i n e l lh a r d n e s sr i s e , b u tt h ee l o n g a t i o nr a t i o s l i g h t l yf a l l sd o w n w h e nr o l l i n ga m o u n to fd e f o r m i t yi ss m a l l e rt h a n3 5 ，t h em i c r o s t r u c t u r e s o ft h es o l u t i o na l l o yp l a t ec o n t a i nm a s s i v et w i nc r y s t a l s ，t w i nd e f o r m a t i o np l a y st h em a j o r f u n c t i o n ，s u b s e q u e n tf u r t h e rd e f o r m a t i o nm a k e st h e t w i nc r y s t a l sg r a d u a l l yv a n i s ha n dd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o nh a p p e n s b u tt h ec a s ts t a t em i c r o s t r u c t u r eh a sn o tt w i nc r y s t a l so r g a n i z a t i o n t h r o u g h o u tt h ee n t i r er o l l i n gp r o c e s s ，w h i c hc o n s i d e r e ds l i p p i n ga n dr e c r y s t a l l i z a t i o na st h e m a i nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m k e yw o r d s ：m g - r ea l l o y s ；t h e r m o c o m p r e s s i o n ；d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；r e c r y s t a l l i z a t i o n a n n e a l i n g ；r o l l i n g 学何论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名 指导教师签名： 嗍：1 少l 7 4 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的校风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 己申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同共做的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 嗍：砷 孙亚秀、 7 5 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，镁合金用量急剧增加，广泛用于航天、航空、交通运输、计算 机、电子通讯、消费类电子、国防空军等领域。镁及镁合金具有密度小、比强度高、比刚 性好、抗冲击性和抗震性能优越、散热性能和电子屏蔽性好等特点，且能回收、无环境污 染、资源丰富，被誉为“2 1 世纪绿色工程材料”【l 巧】。 纯镁强度较低，难以作为结构材料直接使用。在纯镁中添加微量合金元素，即合金化 可以改善其综合力学性能。工业镁合金中常用的合金元素有a 1 、z n 、m n 、z r 、s i 、r e 、 a g 、c u 等。铝和稀土元素的作用是改善镁合金机械性能和铸造性能；m n 能形成a 1 f e m n 化合物，减少f e 的质量分数，提高镁合金的耐蚀性；z n 能改善镁合金耐蚀性和强度；乃 可细化晶粒；s i 与m g 形成m 9 2 s i 硬质点，提高镁合金的蠕变强度；a g 可提高镁合金的 耐热性。目前常用的镁合金有5 个系列，即a z ( m g a 1 一z n m n ) 系列，a m ( m g a 1 m n y 系列，z k ( m g z n z r ) 系列，a s ( m g a 1 s i ) 系列，a e ( m g a 1 一r e ) 系列 6 - 1 0 。 镁合金按成型工艺可分为铸造镁合金和变形镁合金。由于镁晶体为密排六方结构，室 温下基体的独立滑移系少，室温塑性低，塑性成型能力较差，因而镁合金在铸造成型领域、 优先得到重视和发展。铸造( 即液态成型) 是镁合金的主要成型方法，包括砂型铸造、金 属型铸造、重力铸造、熔模铸造、消失模铸造、永久模铸造和压铸等在内的多数铸造方法 均可用于镁合金成型，其中压铸是最成熟、应用最广泛的方法i 】。目前，用于汽车零部 件的镁合金大都以普通压铸法生产。 尽管目前镁合金的大部分结构件都采用铸造成型方式，但是，变形后的镁合金组织晶 粒细小，所以其强度和韧性比铸件高。国际镁协会( a ) 指出，虽然铸造镁合金占主导 地位，但经过挤压、锻造、轧制等塑性加工工艺的变形镁合金产品具有更高的轻度、更好 的延展性和更多样化的机械性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。 为了推动镁合金在航空航天、汽车、摩托车及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 sp r o d u c t s ) 产品中大量应用，发展镁工业，必须加大镁合金的成型工艺技术方 面的研究i 】2 】。国际上，变形镁合金产品还没有实现大规模工业化，尚处在实验阶段。在 国际镁协会分析开发与应用镁合金的三个阶段中，长期的目标是开发变形镁合金的新合金 品种、新工艺方法，以适应生产高质量的薄板、棒、管等产品的发展趋势。 新型变形镁合金及其成型工艺的开发，已受到国内外材料工作者的高度重视。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 高强变形镁合金， 其强度及断裂韧性可相当于时效态的a 1 7 0 7 5 或a 1 7 4 7 5 合金，而采用快速凝固( r s ) + 粉末冶金( p m ) - i - 热挤压工艺开发的m g a i z n 系e a 5 5 r s 变形镁合金，成为迄今为止报 两安一r 业大学硕+ 学位论文 道的性能最佳的镁合金，其性能不但大大超过常规镁合金，比强度甚至超过7 0 7 5 铝合金， 具有超塑性，腐蚀速率与2 0 2 4 t 6 铝合金相当，还可以同时加入s i c p 等增强相，成为先 进镁合金材料的典范。日本1 9 9 9 年开发出的超高强度的i mm g y 系变形镁合金材料，以 及可以冷加工的镁合金板材。英国开发出m g a 1 b 挤压镁合金，用于m a g n o x 核反应堆 燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上的兼具有优良力学性能和耐腐蚀性能的变 形镁合金，法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极板材料【l 孓1 8 j 。 众所周知，镁资源在全球范围内十分丰富，可以从菱镁矿、白云矿及海水中提取。我 国是世界上镁储量最大的国家之一，2 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 以上初级原材料出口，属于典型的出口资源型工业【1 9 艺2 1 。目前我国大部分镁合 金产品为铸造成形，对于变形镁合金的研究和应用还都处于基础阶段。因此，利用我国丰 富的镁资源基础，研究具有高技术含量的变形镁合金，具有重大意义。 1 2 镁和镁合金的特点 纯镁的自由价电子结构排除了任何共价键现象，因此导致了具有最低的平均价电子结 合能和结构金属材料中最弱的原子间凝聚力，镁的弹性模量e m r = 4 5 g p a ，切变模量 k m g = 1 7 g p a ，而比弹性模量e p = 2 5 g p a c m 3 g 。与纯铝比较，纯铝的附加共价键3 p i 使 其上述性能的值均比镁高( e a l = 7 1 g p a ，k a l = 2 6 g p a ，e i p = 2 6 g p a c m j g ) 。了解纯镁的基 本性质有利于指导镁合金材料的设计、研究和镁合金产品的开发( 见表1 1 ) 2 3 - 2 8 。 图1 1 是金属镁的晶体结构，可以看出纯镁的晶体结构为密排六方( h c p 结构) ，在2 5 时的晶格常数为：a = 0 3 2 0 9 n m ，c = 0 5 2 1 l n m ；晶胞的轴比为c a _ 1 6 2 3 6 ，与理论值十分 接近。由于晶体发生塑性变形时滑移面总是原子排列最密的面，而滑移方向总是原子排列 表1 1 纯镁的基本性质 最密的方向，因此密排六方结构的镁，其塑性变形在低于2 2 5 时仅限于基面 2 1 绪论 b 童 岛 叠 2 诱 0 0 0 1 ) 滑移及锥面 1 0 12 孪生。与其他常用金属比较，如，铝( f e c 结构) 、 铁( b e e 结构) 、铜( f c c 结构) ，镁的滑移系少是造成其塑性变形能力差的主要原因。在较高 温度下，由于晶体中 1 0 11l 面 方向滑移系出现，从而使镁在高温下的塑性增加。 此外，由于密排六方晶体各晶面原子密排度常随轴比( c a ) 值变化而变化，因此在镁中加入 锂( l i ) 、铟( i n ) 和银( a g ) 等元素可以使轴比降低，如镁中加入8 a t l i ，轴比由1 6 2 3 6 下降 到1 6 1 8 ，从而激活棱柱滑移系 1 0 1 0 ，使镁合金在较低温度下也具有延展性1 2 9 。2 】。 卜_ - 叫 ( 1 ) 一 一 ( b )( c ) 图1 1 金属镁的晶体结构 ( c n - a hs 如磅善2 ，于2 图1 2 晶粒尺寸对镁、铝合金强度影响 l 一 i 阳t _ 1 ， z 一一 _ 粤荟惑z 稃醛科 nl l 煳 阳 嘲 t 嘲f m p e n t m a 纽- g 图1 3 晶粒尺寸对镁的塑性的影响 值得注意的是多晶体镁结构特征中，晶粒细化对其屈服强度与延展性改善有巨大的作 用与潜力。晶粒细化是提高金属材料性能的重要途径。根据h a l l p e t c h 公式【3 3 - 3 5 】： 矿= t r o4 - k 。d 刈2( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中。为多晶体屈服强度，0 0 为单晶体强度，k v 为常数，d 为晶粒尺寸。图1 2 是晶粒尺寸对镁、铝合金强度影响，比较镁与铝在式( 1 1 ) 作用下的规律( 如图1 2 所示) ， 可见晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大于铝合金【掘3 蜘。尽管在铝合金中，晶粒 细化已成为其生产中不可缺少的重要技术措施，但该技术在镁合金生产中却未引起足够的 两安t 业大学硕士学位论文 重视。 晶粒细化到一定程度可以保证多晶镁合金具备充分的延性转变的能力。图1 3 是晶粒 尺寸对镁的塑性的影响，可以看出纯镁的晶粒尺寸细化到8 1 t m 以下时，其延性转变温度 可降至室温( 如图1 3 ) ，若采用适当合金化及快速凝固工艺细化到l p m 时，甚至在室温下 镁合金亦具有超塑性，其延伸率达到1 0 0 0 。因此研究镁合金晶粒细化，可以调整材料 的组织结构性能，获得变形性能优良的材料。 经过合金化后，镁合金具备了一系列的优异性能3 9 4 2 】： 1 ) 密度小。铝合金的密度大约是2 8 5 9 e r a 3 ，而镁合金的密度只有1 4 2 8 9 c m 3 。 其中当加入1 5 的锂时，镁合金的密度为1 4 9 c m 3 ，比铝合金轻一半。另外，它的密度比 钛合金轻3 - - 4 倍，比钢轻4 - - - 5 倍。它是目前比重最轻的结构材料，这对于现代一些手提 类产品是至关重要的。而对于汽车，这一特性显著的减少启动惯性，并降低自重而减少能 耗。 2 ) 比强度和比刚度高。镁合金的比强度比工程塑料和常用的金属材料如钢、铝都高 很多，仅次于钛。比刚度则在这些材料中最高。 3 ) 低温性能良好。一般的材料在低温时都会变脆，镁合金在接近绝对零度时仍具有 良好的力学性能，基本不脆，塑性和室温时基本一致。就因为这样一个特点，众所周知的 第一辆登月车的骨架就是用镁合金制作的。 4 ) 抗震性能良好。例如a z 9 1 在3 5 m p a 应力下的震动应力衰减系数为2 5 ，而铝 合金a 3 8 的只有1 ；在1 0 0 m p a 应力下，镁合金的衰减系数上升为5 3 ，而铝合金a 3 8 0 的只有4 。因而适合做汽车的车轮、方向盘和电脑、手机外壳来减小震动。 5 ) 集成性良好。以前汽车上的仪表盘是由2 0 - - 2 5 个小的零件制成，现在用镁合金 压力铸造得到的集成件不仅制备工艺简单，而且重量轻、价格便宜。 6 ) 压力铸造比铝合金好，因为镁合金压铸件有良好的散热性，散热能力比铝合金快 1 0 3 0 ，与钢铸模不反应。而铝合金与钢铸模则反应强烈。由铝合金生产的产品的最小 壁厚为1 2 1 5 r a m ，而由镁合金生产的产品的最小壁厚可以达到0 6 m m ，即使长时间使 用，也基本上看不到变形，其尺寸稳定性能优异。 7 ) 可回收性能好，符合环保要求。 尽管有很多的优异性能，但是目前镁合金的开发应用仍很有限，其潜力尚未充分挖掘 出来。这主要是因为镁合金在应用中还存在着很多问题，限制它大量应用的主要方面有 【4 3 删： 1 ) 低温变形困难。 2 ) 高温性能差，一般工作温度在2 0 0 。c 以下，尽管目前已有大量的研究工作致力于 提高镁合金的高温性能，但是仍需深入。 3 ) 化学性能活泼，易腐蚀。在空气中易氧化，易与水蒸气反应，在一定的条件下还 可以和二氧化碳、氮气反应，这样就需要在专门的熔剂覆盖下或保护气氛中熔炼，给冶炼 4 1 绪论 带来了困难。 4 ) 与铝合金相比，时效强化效果欠佳。例如a 3 8 0 ( a 1 s i c u z n ) 铸造铝合金时效后的 a b 达到3 2 5 m p a ，而a z 9 1 ( m g a i z n ) 铸造镁合金时效后的o b 为2 3 0 m p a 。所以，镁合金 的强化需要从多方面同时入手，这样就增加了成本，阻碍了应用。 1 3 变形镁合金的研究现状 虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但是，变形镁合金比铸造镁合金具有 更好的性能，可以满足更多的使用要求，因此，开发变形镁合金是未来的发展趋势。 变形镁合金一般指可用挤压、轧制、锻造等塑性成型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 系变形镁合金一般 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 1 、 a z 6 1 和a z 8 0 合金，由于m g a i 系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 i 系合金，常要用挤压工艺生产，典型的合金为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l 叫。 与大多数金属一样，镁合金的塑性变形方式主要有滑移和孪生。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 1120 ) ；2 ) 棱柱面滑移系 1 0 1o ) 和 1 12 o ) ；3 ) 锥面滑移系 1 0 11l 和 1 12 2 1 。 一般情况下，在镁合金变形时影响镁合金中滑移系的因素有：1 ) s c h m i d 因子；2 ) 临界剪切应力( c r s s ) ；3 ) 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0 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 0 0 0 1 1 12 0 ) 滑移和锥面 1 0 12 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 以上时，非基面滑移的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 1 0 11 ) 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c + 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几晶粒内部a 位错和c 位错的交界处。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。具有韧型 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 5 西安丁业火学硕十学位论文 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韧型分量的部分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。周海涛等m 】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基体中【4 7 枷】。 般来说，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 e p 金属来 说，变形孪晶在塑性变形中起着重要的作用。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，使得滑移一孪晶和孪晶一孪晶 的交互作用从能量上变得可行。 1 3 1 镁合金的塑性变形行为 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 0 0 0 ll 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，m g - - g d y 系合金中，在o m g 基体上分布有m 9 5 g d 相。该相会降低合金的塑性，随着温度的升 高，方面镁基体的滑移系增加，另一方面m 9 5 g d 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m 9 5 g d 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制变形加 丁i s 0 1 j o 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 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。丽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 1 ) 条件下轧制时合金容易发生动态再结晶而使轧制性能得到改善。变形织构是影响镁合金力 学性能和塑性变形能力的一个重要因素。大量研究表明，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( 0 12 ) 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 粒在多 i - n 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。车l 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，结果使滑移面平行于轧板表面，滑移方向平行于轧向【5 1 】。 6 1 绪论 多晶体的塑性变形比单晶体的要复杂得多，由于相邻晶粒之间得相互作用及其取向分 布得影响，并且多晶体各晶粒周围的环境非常复杂，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。一种是s a c h s 模型，该模型假设多晶体内各晶粒均承受相同的应 力。据此模型，当镁合金在2 0 0 温度一下变形时，其塑性变形机制为基面滑移和锥面孪 生，若变形程度足够大，将形成理想的 0 0 0 1 ) 基面纤维织构或板织构。另一种是t a y l o r 模型，该模型认为在外加应力作用下，多晶体内各晶粒均产生相同的应变。近些年来，国 内外对镁合金变形织构生成的定量分析大多基于t a y l o r 模型。按t a y l o r 模型进行分析时， 必须要确定各滑移系模式在塑性变形过程中的滑移量及其对总应变的贡献大小。对镁合金 而言，其关键是确定基面滑移、柱面滑移、锥面滑移及锥面孪生的相对c r s s 比值及滑移 系的组合方式【5 2 1 。 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及其不利。形成 ( 0 0 0 2 ) 基面织构后，在后续加工过程中，由于加工压力方向通常与基面垂直，使得s