（材料加工工程专业论文）铸轧镁合金的变形工艺及其组织和力学性能的研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 镁合金具有高的比强度、比刚度，良好的阻尼减震性，优良的机加工性能和 易于回收利用，被誉为2 l 世纪最具发展前途的金属结构材料，是近年来国内外 材料界研究的热点之一。进一步提高镁合金的综合性能，满足某些结构件“以镁 代铝 甚至“代钢 的性能要求；改善镁合金的塑性、减小各向异性，显著改善 其塑性成形能力；简化镁合金制品的制备工艺，降低其生产成本，扩大镁合金的 应用范围，是国内外研究的主要方向。 本论文主要针对镁合金薄板制备难度大、性能较低且工艺稳定性较差、塑性 较低且各向异性较大、塑性加工能力较差的问题，采用双辊铸轧法制备镁合金条 带坯料，利用轧辊的急冷作用及半固态条件下的塑性变形细化坯料组织及第二 相，减少偏析，从而改善其塑性变形能力，并缩短镁合金薄板制备工艺流程；通 过轧制工艺参数及热处理工艺参数的优化，改善其综合力学性能、减小各向异1 磐 并对铸轧过程中镁合金组织形成机理、温轧及热处理过程中组织演变及影响因 素，以及轧制镁合金的强化机理进行了分析，为镁合金薄板的制备、镁合金组织 及性能控制奠定了实验及理论基础。 本文采用双辊铸轧( t w i nr o l lc a s t i n g ，简记为t r c ) 法成功制备了厚度为 3 3 5 m m 的z k 6 0 和m g - 4 5 a i 1 0 z n ( 简记a z 4 1 ) 镁合金条带，确定了制备工 艺参数：铸轧温度、轧辊转速及预留辊缝宽度分别为6 4 0 - 6 8 0 0 c 、5 - - 6 r p m 、2 m m ( z k 6 0 ) 及6 3 0 - 6 5 0 0 c 、5 - , - 6 r p m 、2 m m ( a z a l ) ，并分析了其显微组织及形成机理。 研究结果表明，双辊铸轧镁合金的组织呈枝晶状，枝晶间分布着细小的第二相， 条带近表面有激冷区。铸轧过程中轧辊的急冷作用及半固态条件下的塑性变形导 致铸轧镁合金的晶粒组织比传统铸锭法的组织显著细化，且晶界第二相尺寸也显 著减小，分布均匀性明显改善，从而显著改善镁合金的塑性变形能力。 通过讨论温轧工艺参数对铸轧z k 6 0 镁合金组织和性能的影响，确定了 0 5 m m 厚z k 6 0 镁合金薄带制备的最佳轧制工艺，即先将3 s r n m 厚的铸轧条带 在3 5 0 0 c 轧制到l m m ，l m m 厚薄带在3 5 0 0 c 退火3 0 m i n ，然后再在3 0 0 0 c 下轧 制到0 s m m ，道次间压下量为3 0 ，道次间退火温度为轧制温度，保温时间为 5 m i n 。温轧变形改变了t r c 镁合金的组织形态，由枝晶状变为纤维状组织，晶 粒沿轧制方向被拉长，且薄带内部有剪切带、位错及孪晶产生。在, l $ s j 温度为 摘要 3 5 0 0 c 以上时，发生动态再结晶。随着轧制温度的降低、道次间压下量及总变形 量的增加，镁合金的组织细化且剪切带的密度增加，镁合金的强度及硬度增加。 在优化轧制工艺条件下，z k 6 0 镁合金薄带的拉伸强度、屈服强度和伸长率分别 为5 1 0 m p a 、4 4 1 m p a 和1 1 3 。 通过分析退火、固溶、时效等热处理过程中温轧z k 6 0 镁合金薄带的组织转 变及其对性能的影响，确定了z k 6 0 镁合金薄带最佳热处理工艺参数：退火热处 理一3 7 5 0 c 1 0 3 s ；t 6 热处酗7 5 0 c x 3 h r s + 1 7 5 0 c x l o h r s 。在3 0 0 0 c 及以上温度退 火过程中有静态再结晶发生，随着退火温度升高和保温时间的延长，再结晶晶粒 比例增加，得到均匀细小的等轴晶，继续提高温度或延长保温时间，晶粒明显长 大。退火处理使硬度及强度有所降低，但塑性明显提高，在最佳退火工艺条件下， z k 6 0 镁合金薄带的拉伸强度、屈服强度及伸长率分别为3 8 8 m p a ，3 0 1 m p a 和 2 2 9 0 , 4 。适当的t 6 处理可获得均匀细小的等轴晶组织( 平均晶粒尺寸为6 7 m a a ) ， 且显著减小了z k 6 0 镁合金薄带力学性能的各向异性，其三个方向的拉伸强度、 屈服强度和伸长率的偏差分别为2 3 m p a 、1 0 m p a 和1 0 。 轧制态z k 6 0 镁合金薄带表现出强的( 0 0 0 1 ) 基面织构，由于试样内部存在 高密度剪切带，使其织构分布向垂直于轧制方向分散。随着轧制温度降低、轧制 变形量和道次间压下量增大，( 0 0 0 1 ) 基面织构的最大极密度增加。温轧变形过 程中产生的( 0 0 0 1 ) 基面变形织构对合金起到强化作用。 研究热处理过程中z k 6 0 镁合金的相析出行为得知，退火处理后晶粒内部只 有圆盘状的颗粒析出，而适当工艺参数的t 6 处理后薄带内部既有圆盘状的颗粒 也有杆状的颗粒析出。这些强化相的析出有利于提高材料的组织均匀性和抗高温 软化能力。无论是退火过程的圆盘状析出相还是t 6 处理过程的圆盘状析出相， 均含有z n 元素和z r 元素，而杆状的析出相仅含有z n 元素不含z r 元素。另外， z r 还有一部分均匀分布在基体中，起到细化晶粒的作用。 温轧变形z k 6 0 镁合金变形过程中存在三种强化机制：细晶强化、第二相粒 子强化和位错强化，三种强化机制分别在温轧变形的不同阶段起主导作用，在共 同的强化作用下提高镁合金的强度。在三种不同强化机制共同作用的同时，温轧 变形过程中产生的( 0 0 0 1 ) 基面变形织构对镁合金起到强化作用。 关键词：镁合金；双辊铸轧；温轧：显微组织；力学性能 山东大学博七学位论文 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y s a r ec o n s i d e r e dt oh a v et h em o s tp r o m i s i n gd e v e l o p m e n t o u t l o o ka sm e t a l l i cs t r u c t u r a lm a t e r i a l si n21 缸c e n t u r y , f o rt h e i rl l i g hs p e c i f i cs t r e n g t h a n ds p e c i f i cs t i f f n e s s ，g o o dd a m p i n gc a p a c i t y , e x c e l l e n tm a c h i n a b i l i t ya n di l i g h r e c y c l i n gr a t e m a g n e s i u ma l l o yh a sb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hh o t s p o t si nm a t e r i a l s r e s e a r c hf i e l d t h ep r i n c i p a ld i r e c t i o nt oi m p r o v et h ei n t e g r a t e dp r o p e r t i e so f m a g n e s i u ma l l o yi st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs o m es t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，s u c ha s a l u m i n u m ，o re v e ns t e e l r e s e a r c h e sw h i c ha i mt oi n c r e a s et h ee l o n g a t i o n ，d e c r e a s e t h ea n i s o t r o p ya n di m p r o v et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a b i l i t y , s i m p l i f yf a b r i c a t i o n t e c h n i c s ，r e d u c em a n u f a c t u r i n gc o s ta n de x p a n dt h ea p p l i c a t i o n so fm a g n e s i u ma l l o y a r ea l s or e c e i v e dg l o b a la t t e n t i o n i ti sd i f f i c u l tt of a b r i c a t em a g n e s i u ma l l o ys h e e tf o ri t sp o o rt e c h n o l o g i cs t a b i l i t y , l o we l o n g a t i o n , s e v e r ea n i s o t r o p ya n dp o o rp l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a b i l i t y t w i nr o l l c a s t i n g ( d e s i g n a t e da st r ci ns h o r t ) t e c h n o l o g yh a sf a s tc o o l i n gr a t ea n dp l a s t i c d e f o r m a t i o ne f f e c tu n d e rs e m i - s o l i ds t a t e s i tc o m b i n e sc a s t i n ga n dh o tr o l l i n gi n t oa s i n g l es t e p ，w h i c hc a nr e f i n eg r a i na n ds e c o n d - p h a s es i z e ，r e d u c es e g r e g a t i o n , i m p r o v ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a b i l i t y , a n da l s os h o r t e nt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so f m a g n e s i u ma l l o y t h i sp a p e ra i m st oi m p r o v et h ei n t e g r a t e dp r o p e r t i e s ，r e d u c e a n i s o t r o p yo fm a g n e s i u ma l l o yb yo p t i m i z i n g t h er o l l i n ga n dh e a tt r e a t m e n t p a r a m e t e r s t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo ft r cm a g n e s i u ma l l o y s m i c r o s t r u c t u r e d u r i n gs t r i pc a s t i n gp r o c e s s ，t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fz k 6 0a l l o ys h e e td u r i n g r o l l i n ga n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，a n df a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h em i c r o s t r u c t u r e w e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i na d d i t i o n , t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fw a r mr o l l e d m a g n e s i u ma l l o yw a sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r w i t l lt h ea b o v er e s e a r c h ，t h e e x p e r i m e n t a la n da c a d e m i cf o u n d a t i o n s o f h e l p i n gi m p r o v e t h ef o r m a b i l i t y , m i c r o s t r u c t u r a lu n i f o r m i t ya n di n t e g r a t e dp r o p e r t i e so fm a g n e s i u ma l l o ys h e e tw e r e o b t a i n e d z k 6 0a n dm g 4 5 a 1 - 1 0 z n ( d e s i g n a t e da sa z 4 1i ns h o r t ) s t r i pw i n l3 3 5 m m i l l a b s t r a c t t h i c k n e s sw e r ef a b r i c a t e db yt r ct e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r , a n dt h ef a b r i c a t i o n p a r a m e t e r so ft r ct e m p e r a t u r e ，r o l l i n gs p e e da n dr o l l e rg a pw e r ea l s od e t e r m i n e d ( t h o s eo fz k 6 0a n da z 4 1 s t r i pa l e6 4 0 - 6 8 0 0 c ，5 - - 6 r p m ，2 m ma n d6 3 0 - - 6 5 0 0 c ， 5 - - 6 r p m ，2 r n m ，r e s p e c t i v e l y ) t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo ft r cm a g n e s i u ma l l o y s m i c r o s t r u c t u r ed u r i n gs t r i pc a s t i n gp r o c e s sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t , c h i l l e dg r a i ns t r u c t u r ea p p e a r e dj u s tb e l o wt h es u r f a c eo ft h et r cs t r i p ，a n dd e n d r i t e s t r u c t u r ed e v e l o p e df r o ms g l m a c et ot h ec e n t e ro ft r c s t r i pa l o n gt h et h e r m a lg r a d i e n t f i n ee u t e c t i c sa n di n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw e r es e e ni nt h ei n t e r d e n d r i t i cr e g i o n t h e g r a i ns i z eo ft r ca l l o yw a sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to fc ca l l o yd u et oh i g h e rc o o l i n g r a t ea n dt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o ne f f e c tu n d e rs e m i - s o l i ds t a t e sd u r i n gt r c p r o c e s s t h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw e r ea l s or e f i n e da n dd i s t r i b u t e du n i f o r m l y , w h i c h c o u l di m p r o v et h ed e f o r m a t i o nc a p a b i l i t yo fm a g n e s i u ma l l o y t h eo p t i m i z e dr o l l i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yd i s c u s s i n gt h ee f f e c to f r o l l i n gp a r a m e t e r so nm i c r o 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 fz k 6 0a l l o ys h e e t i ts h o u l db es e p a r a t e di n t ot w os t e p st og e tz k 6 0a l l o ys h e e t 、 ，i t l l0 5 m mt h i c k n e s s w h i c hp o s s e s s e dg o o dp r o p e r t i e s t h et r cs t r i pw a sr o l l e da t3 5 0 0 ct or e d u c et h e t h i c k n e s sf r o m3 5 r n mt olm mi nt h ef i r s ts t e p a n dt h e nt h ew a r mr o l l e ds h e e tw a s a n n e a l e da t3 5 0 0 cf o r3 0 m i n , a f t e rt h a tc h a n g e dt h er o l l i n gt e m p e r a t u r et o3 0 0 0 ct o r e d u c et h es h e e tt h i c k n e s st o0 5 r a m t h er o l l i n gr e d u c t i o nr a t i oo f3 0 p e rp a s sw a s m a d ef o rw a r mr o l l i n g t h es h e e tw a sa n n e a l e da tt h er o l l i n gt e m p e r a t u r ef o r5 m i n b e t w e e nt h et w op a s s e so ft h er o l l i n gp r o c e s s w a r mr o l l i n gc h a n g e dt h es h a p eo fg r a i n sf r o md e n t r i t et of i b r o u ss t r u c t u r e ， w h i c hc o n s i s t e do fe l o n g a t e dg r a i n sa l o n gt h er o i l i n gd i r e c t i o n h i g hd e n s i t ys h e a r b a n d s ，d i s l o c a t i o na n dt w i n n i n gw e r ef o r m e dd u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s s d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o nt o o kp l a c ed u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s sa ta n da b o v e3 5 0 0 c w i t ht h e d e c r e a s i n go ft h er o l l i n gt e m p e r a t u r e ，i n c r e a s i n go ft h ep e rp a s sr o l l i n gr e d u c t i o na n d t o t a lr o l l i n gr e d u c t i o n ，t h eg r a i ns i z ed e c r e a s e d ，w h i l et h ed e n s i t yo fs h e a rb a n d s i n c r e a s e d , s t r e n g t ha n dh a r d n e s si n c r e a s e d t h et e n s i l es t r e n g t h , y i e l ds t r e n g t ha n d e l o n g a t i o no fa sr o l l e dz k 6 0a l l o ys h e e tp r o d u c e db yt h eo p t i m i z e dr o l l i n gp a r a m e t e r s 山东大学博+ 学位论文 鲁皇皇皇, , ut-=, ： - - i ni l l - - | ：拿喜| 詈曩 a r e510 m p a , 4 4im p aa n d11 3 ，r e s p e c t i v e l y t h e o p t i m i z e dh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r sw e r ea l s od e t e r m i n e db ya n a l y z i n gt h e e f f e c to f a n n e a l i n g , s o l i d s o l u t i o na n da r t i f i c i a l a g i n g h e a tt r e a t m e n to n m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw a r mr o l l e dz k 6 0a l l o ys h e e t s t h e o p t i m i z e da n n e a l i n gp a r a m e t e ri sa n n e a l e da t3 7 5 。cf o r10 3 s a n dt h eo p t i m i z e dt 6 t r e a t m e n tp a r a m e t e ri ss o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n ta t3 7 5 0 cf o r3 h r s ，a n dt h e na r t i f i c i a l a g i n ga tl7 5 0 cf o r1 0 h r s s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw a so b s e r v e dd u r i n gt h ea n n e a l i n gp r o c e s so fz k 6 0a l l o y s h e e ta ta n da b o v e3 0 0 0 c f i n ee q u i a x e ds t r u c t u r ew a so b t a i n e da f t e ra n n e a l i n g t r e a t m e n t f r a c t i o no fr e c r y s t a l l i z e dg r a i ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fa n n e a l i n g t e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m e ，b u tt o oh i g l la r r a y i n gt e m p e r a t u r ea n dt o ol o n g h o l d i n gt i m ew o u l di n d u c eg r a i ng r o w t h t h es t r e n g t ha n dh a r d n e s so fz k 6 0a l l o y s h e e td e c r e a s e dal i t t l ea f t e ra n n e a l i n gh e a tt r e a t m e n t , b u tt h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e d o b v i o u s l y t h et e n s i l es t r e n g t h , y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fz k 6 0a l l o ys h e e t a n n e a l e da to p t i m i z e da n n e a l i n gp a r a m e t e ra r e38 8 m p a ，3 0 1m p aa n d2 2 9 ， r e s p e c t i v e l y i tc a nb en o t e dt h a tp r o p e rt 6t r e a t m e n tc a no b t a i nf i n ee q u i a x e d s t r u c t u r e ( t h em e a ng r a i ns i z ei s6 7 1 x m ) ，s ot h ea n i s o t r o p yo fz k 6 0a l l o ys h e c t s t e n s i l ep r o p e r t i e sw a so b v i o u s l yd e c r e a s e d t h ed e v i a t i o no ft e n s i l es t r e n g t h , y i e l d s t r e n g t ha n de l o n g a t i o na l o n gd i f f e r e n ta n g l et or o l l i n gd i r e c t i o na r e2 3 m p 毛10 m p a a n d1 o ，r e s p e c t i v e l y w a r mr o l l e dz k 6 0a l l o ys h e e te x h i b i t e dl l i g hi n t e n s i t yo f ( 0 0 01 ) b a s a lp o l e t e x t u r e ，a n dt h ef o r m a t i o no fs h e a rb a n d st e n d st oc a u s et h eb a s a lp o l et e x t u r et i l t s l i 曲t l yt ot h et r a n s v e r s ed i r e c t i o n t h em a x i m u mp o l ei n t e n s i t yo f ( 0 0 01 ) p o l ef i g u r e i n c r e a s e d 诵t l lt h ed e c r e a s i n go fr o l l i n gt e m p e r a t u r e ，i n c r e a s i n go fp e rp a s sr o l l i n ga n d t o t a lr o l l i n gr e d u c t i o n z k 6 0a l l o yw a ss t r e n g t h e n e db y ( 0 0 01 ) b a s a lp o l et e x t u r e d i s c - s h a p e dp r e c i p i t a t e s c o u l db eo b s e r v e da f t e ra n n e a l e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ，a n db o t hd i s c s h a p e da n dr o d l i k ep r e c i p i t a t e sc o u l db ef o u n dh e r p r o p e rt 6t r e a t m e n ti nt h ew a r mr o l l e dz k 6 0a l l o ys h e e t t h ee x i s t e n c eo ft h e d i s p e r s e ds t r e n g t h e n i n gp a r t i c l e si m p r o v e dt h eu n i f o r m i t y o fs t r u c t u r ea n dt h e v a b s t r a c t - i 鼍墨毒i i i ! i ! _ 一 r e s i s t a n c et os o f t e n i n ga te l e v a t e dt e m p e r a t u r e so fz k 6 0a l l o ys h e e t z nc o u l db c f o u n db o t hi nd i s c - s h a p e dp a r t i c l e sa n dr o d l i k ep a r t i c l e s z rw a sf o u n di nd i s c s h a p e d o ri r r e g u l a rs h a p e dp a r t i c l e s ，b u tw a sn o tf o u n di nt h er o d - l i k ep r e c i p i t a t e s i na d d i t i o n , t h eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e dz ri nt h em a t r i xp l a y sar o l eo f r e f i n i n gt h eg r a i ns i z e t h r e es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m se x i s t e dd u r i n gt h e r o l l i n gp r o c e s so fz k 6 0 a l l o y - 咖r e f i n i n gs t r e n g t h e n i n g ，s e c o n d p h a s ep a r t i c l es t r e n g t h e n i n ga n d d i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n i n g t h et h r e es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m sd o m i n a t et h es t r e n g t h e f f e c ta td i f f e r e n tm o m e m d u r i n gr o l l i n gp r o c e s ss e p a r a t e l y , a n dt h es t r e n g t ho fz k 6 0 a l l o yw a si m p r o v e db yt h e i rc o r p o r a t e de f f e c t s i na d d i t i o n , t h ef o r m a t i o no fh i g h d e n s i t y ( o o o1 ) b a s a lp o l et e x t u r ec a na l s os t r e n g t h e nz k 6 0 a l l o y k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；t w i nr o l lc a s t i n g ；w a r mr o l l i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y v l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：磙i 么菱日期：逊呈生f 垄 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：础一导师签名：摊日 期：雹避扯 山东大学博十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 镁在地壳中含量达到2 1 ，在地球上存在的元素中居第八位，作为工业 用金属，仅次于铝和铁( 地壳中铝占8 1 ，铁占5 ) 居第三位。镁合金具有 高的比强度、比刚度，良好的阻尼减震性，优良的机加工性能和易于回收利用， 因此轻质镁合金已经成为有色金属材料中发展最为迅速的合金系，在交通车 辆、电器包装、电子通讯、航空航天、国防科技等领域得到了广泛的应用，被 誉为2 l 世纪最具发展前途的金属结构材料l l 巧】。我国镁资源储量丰富，在镁工 业方面拥有三项“世界冠军，即储量、生产和出口。因此，利用我国丰富的 镁资源优势开展镁合金的研究显示出诱人的前景【6 】。然而，镁合金自身具有的 缺点，如强度较低、各向异性严重导致塑性加工困难等问题，使其作为某些结 构件的应用受到限制，因此，要进一步扩大镁合金的应用范围，满足其在高技 术领域的应用，必须提高镁合金的塑性加工性能，并使其具有优良的综合力学 性能。 1 2 镁的特点 镁是目前最轻的金属结构材料，纯镁在室温( 2 9 3 k ) 下的密度为 1 7 3 8 9 c m - 3 ，是钢的1 ，4 ，铝的2 3 。接近熔点( 9 2 3 k ) 时，固态镁的密度大约 为1 6 5g e m - 3 。镁是密排六方结构晶体，镁单胞内沿主要晶面和晶轴方向的原 子排布如图1 1 ( a ) i7 j 所示。在标准大气压和室温下，镁的晶格常数分别为 a = 0 3 2 0 2 n m ，e = 0 5 1 9 9 n m ，e a = 1 6 2 4 。其中c a 值非常接近由紧密堆积球体得 到的理论比值1 6 3 2 ，这种晶体结构是决定其塑性加工性能和使用性能较差的 重要原因。 在常温下，密排六方结构镁的塑性变形限于基面 0 0 0 1 滑移及锥 面 1 0 1 2 孪生( 如图1 1 ) 。因此，在室温塑性变形过程中，镁晶体中 只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，这是镁塑性较差和有较大的 第一章绪论 _ _ l i t i l i i 一i i _ 目童寡暑鼍皇_ _ l 毒量置皇量皇- | 置皇量一 h a l l p e t c h 系数的主要原因，也是多晶镁及其合金不产生宏观屈服而在晶界产 生应力集中的主要原因。 ( a 卜一口叫 f a 屡 b 艇 屡 - 0 0 0 l l ：；过4,1olol 2j l0 1 l o l 越及n o ，0 7 附二 i t o o l a , j f、 口l j o l 、1 i l a c ( 1 0 1 0 l _ 【0 0 0 1 l 图1 1 镁的晶胞7 j f i g 1 it h em a g n e s i u mu n i tc e l lc r y s t a l ：( a ) a t o m i cp o s i t i o n s ；b a s a lp l a n e ，a n dp r i n c i p a l p l a n e so f t h e 1 2 1 0 】z o n e ；( c ) p r i n c i p a lp l a n e so f t h e 1 1 0 0 】z o n e ；( d ) p r i n c i p a ld i r e c t i o n s 室温下镁的拉伸性能和压缩性能见表1 1 。室温( 2 9 3 k ) 下镁的最高纯度 为9 9 9 8 时，动态弹性模量为4 4 g p a ，静态弹性模量为4 0 0 p a 。镁的纯度为 9 9 8 时，动态弹性模量为4 5 g p a ，静态弹性模量为4 3 g p a 。随着温度的增加， 镁的弹性模量下降。 山东大学博十学位论文 表1 1 室温下( 2 9 3 k ) 镁的力学性能嘲 t a b l e1 1r o o mt e m p e r a t r u em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a g n e s i u m 载荷5 0 0 k g ，球面直径l o m m 1 3 镁合金的强化途径 工业纯镁的强度低，室温塑性差( 表1 1 ) ，如纯镁单晶体的临界切应力只 有4 8 - - , 4 9 m p a ，不能直接作为结构材料。通过合金化、热处理、晶粒细化、 引入陶瓷颗粒增强与镁合金复合等多种方法或这些方法的综合运用，镁的力学 性能会得到大幅度提高。长期以来，人们对镁合金的强化机理进行了大量研究， 镁合金的强化通常有以下几个途径，即合金化强化、热处理强化、细晶强化、 形变强化以及复合强化等。 1 3 1 合金化蟊化 镁合金的常用合金元素主要有铝、钙、锌、锰、稀土金属( 混合稀土、钕、 钇、钆等) 、钍、锆、银等，添加微量元素铍，杂质元素铁、镍等。镁合金的 合金化均是利用固溶强化、沉淀强化和弥散强化来提高合金的常温和高温力学 性能，因此其合金化设计主要从晶体学、原子的相对大小、原子价以及电化学 因素等方面进行考虑。 固溶强化是合金化元素( 溶质) 完全溶入基体金属( 溶剂) 中，溶质原子 在溶剂晶格点阵处取代溶剂原子，从而通过原子错排及溶质与溶剂原子之间弹 性模量的不同而强化基体金属。当合金元素在基体合金中的固溶度随温度的下 降而降低时，就可以在合金中产生沉淀强化，其强化机制是析出相阻碍位错运 第一章绪论 动和滑移，从而提高屈服强度。弥散强化的机制与沉淀强化类似，但析出相不 同，弥散强化的颗粒在合金凝固过程中产生，一般具有较高的熔点，而且不溶 于镁基体，具有良好的热力学稳定性。用于镁的合金强化元素主要有砧0 1 、 z n l l 】、r e l l 4 。1 9 】、a g l 2 0 1 、c a 【2 1 五刀、y 1 2 8 训等。 1 3 2 热处理蟊化 镁合金热处理的目的在于不同程度上改善其塑性、硬度和冲击韧性等。镁 合金的性能不仅与其化学成分有关，而且还与其所处的热处理和冷加工状态有 关。对于镁合金铸件而言，铸态的力学性能可以通过固溶和时效的方式改善； 对于锻件而言，既可以单独，也可以用冷加工、退火、时效等工艺来改善其性 能；对于固溶处理而言，为了获得最大的过饱和度，淬火加热温度通常比固相 线低5 - - 1 0 0 c 。镁合金的原子扩散能力弱，为保证强化充分固溶，通常需要较 长的加热时间。 1 3 3 细昌爱化 镁合金室温低的韧性和成形性与其密排六方结构和高度的各向异性的位 错滑移有关【3 2 】。晶粒细化，可以细化基体上的颗粒相并使其均匀的分布于基体 上，从而提高镁合金的力学性能、成形性能和可加工性能【3 3 州。因此，对于铸 造用镁合金零部件，细化晶粒就显得非常重要；同时，细晶对于半成品的最终 性能也有很大的影响。一般来讲，拥有极大冷却速度的高压压铸镁合金具有细 小的晶粒，在凝固过程中不需要晶粒细化剂来细化晶粒。然而，对于砂型铸造、 金属型铸造和连续铸造来说，它们的凝固速度相对较慢，只有在浇注之前加入 晶粒细化剂才能得到细小、均匀的组织1 3 5 】。 镁合金的细晶强化主要是通过控制镁合金晶粒度的方法来实现。合金的屈 服强度和晶粒尺寸的关系可用h a l l p e t c h 公式来表示，即： l 仃，= 仃o + kd 2 ( i - i ) 式( 1 1 ) 中，o 。一材料的屈服强度( m p a ) 咖一单