（材料加工工程专业论文）连铸az31镁合金的体积成形及其微观组织演变模拟.pdf

摘要 摘要 本文研究了连铸a z 3 1 镁合金在不同变形条件下的单向拉伸行为、体积 成形实验以及成形过程中的微观组织演变模拟，为镁合金体积成形技术的 发展和应用提供了可靠的依据。 在3 0 0 - - 4 5 0 。c 的温度范围和4 2 5 1 0 s i i 0 x 1 0 。2s 。1 的应变速率范围内 通过单向拉伸试验研究了连铸a z 3 1 镁合金在高温下的塑性及超塑变形行 为。计算了不同变形温度下表征晶界滑移难易程度的阀应力的值和不同温 度下的变形激活能。通过金相显微镜和扫描电镜观察并分析了超塑变形后 试样金相组织和断口特征。结果表明，在3 0 0 4 5 0 。c ，应变速率叠低于 1 ，0 1 0 。s 。的情况下，连铸a z 3 1 镁合金开始表现出超塑性。在4 0 0 。c ，应 变速率i 为4 2 5 x 1 0 4s “时，延伸率达到了2 0 0 ，应变速率敏感性指数研 为o 4 1 。用光学显微镜观察了变形前后的拉伸式样的金相组织，结果表明： 试样的初始晶粒尺寸约为2 5 岬，在变形之后颈缩区域的晶粒长大现象不是 很明显，晶粒沿着变形方向有所伸长，但晶粒形状基本保持为等轴状。 采用两段成形工艺，在2 5 0 叫0 0 的温度范围，成形出了连铸a z 3 l 镁合金直齿内齿轮。在2 5 0 。c 温度，零件已经基本成形，但成形零件表面质 量较差，当成形温度超过3 0 0 时，能成形出完好的内齿轮零件。试验证明 连铸a z 3 1 镁合金的最佳成形温度范围是3 0 0 。c - 4 0 0 。随着温度的升高， 成形压力逐渐减小。通过光学显微镜( 0 m ) 观察了成形制品的微观组织演变， 结果表明：成形零件的晶粒得到细化。 以有限元软件s u p e r f o r m 为平台，采用了修正系数后的y a d a 模型对连 铸a z 3 1 镁合金的齿轮成形实验中的微观组织演变进行了模拟。结果表明： 利用修正之后的y a d a 模型结合计算机模拟仿真，可以有效地、直观地预测 热成形过程的连铸a z 3 1 镁合会微观组织变化规律。 关键词镁合金；超塑性；体积成形；微观组织演变；有限元模拟 燕山大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oe x a m i n et h eu n i a x i a lt e n s i l eb e h a v i o r , b u l k f o r m i n ga n dt h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o ni nt h eb u l kf o r m i n go fc a s t i n ga z 3 1 m ga l l o yu n d e rd i f f e r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s ，a n dt od e t e r m i n et h eo p t i m u m p r o c e s s c o n d i t i o n sf o rt h eb e s td e f o r m a t i o np r o p e r t i e so ft h i sa l l o y , t h u s s u p p l y i n gar e l i a b l eb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nf o rt h eb u l k f o r m i n gt e c h n o l o g yo f m ga l l o y u n i a x i a lt e n s i l et e s t sw e r ec a r r i e do u ta tt h et e m p e r a t u r er a n g e3 0 0 - 4 5 0 。c a n dt h es t r a i nr a t er a n g e4 2 5 x 1 0 4s - l - 1 o x l o 一2s 一1t oe v a l u a t et h ep l a s t i ca n d s u p e r l a s t i c i t yo fc a s t i n ga z 3 1m ga l l o y t h et h r e s h o l ds t r e s sc h a r a c t e r i z i n gt h e d i f f i c u l t yf o rg r a i nb o u n d a r ys l i d i n ga n dt h ed e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g ya t v a r i o u st e m p e r a t u r e sw e r ec a l c u l a t e d t h et o p o g r a p h ya n df r a c t u r es u r f a c e so f s u p e r p l a s t i c a l l yd e f o r m e ds p e c i m e n sw e r eo b s e r v e da n da n a l y z e db yu s i n g o p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e i ti ss h o w nt h a tt h e a l l o ye x h i b i t e ds u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o rw h e nt h es t a i nr a t el e s st h a n 1 o x l o 。3s i nar a n g eo f t h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ef r o m3 0 0t o4 5 0 。c i tw a s f o u n dt h a tt h ee l o n g a t i o np e r c e n t a g eo ft h ea l l o ya t4 0 0 * cw i t h g = 4 2 5 x1 0 4 s i sa l m o s t2 0 0 a n dt h es t r a i nr a t es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n tm = 0 4 1 t h e m i c r o s t r u c t u r e su n d e f o r m e da n dd e f o r m e ds p e c i m e n sw e r eo b s e r v e db yo p t i c a l m i c r o s c o p e ( o m ) t h ei n i t i a lg r a i ns i z eo f t e n s i l es p e c i m e n si sa b o u t2 5 岫t h e g r a i ns i z eg r o w t hn e a rt h en e c k i n gz o n ei sn o to b v i o u s a l o n gt h ed i r e c t i o no f d e f o r m a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tg r a i n sb e c o m eal i t t l ee l o n g a t e ，b u tt h eg r a i ns h a p e a l m o s t l ym a i n t a i n se q u i a x e d b a s e do nt h et w o s t a g ef o r m i n gt e c h n o l o g y , t h ec a s t i n ga z 31m a g n e s i u m a l l o yb a rw a sf o r g e di n t oc y l i n d r i c a ls t r a i g h ti n n e rg e a rb e t w e e nt h et e m p e r a t u r e 2 5 0 。ct o4 0 0 。c a t2 5 0 * c ，t h eg e a rf o r mo f t h ei n n e rg e a ri sa l m o s tf o r m e d b u t i i a b s t r a c t t h e r ea r es o m ec y c l i c i t yc r a c k so nt h es u r f a c eo ft h es a m p l e w h e ni m p r o v i n g t h et e m p e r a t u r ea b o v e3 0 0 。| c ，t h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es a m p l eh a sg r e a t l y i m p r o v e m e n t a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h i se x p e r i m e n t ，t h eb e s tt e m p e r a t u r e r a n g ef o rf o r g i n ga z 3 1m a g n e s i u ma l l o yg e a ri s3 0 0 t o4 0 0 。c t h ef o r m i n g l o a dg r a d u a l l yr e d u c e dw i t ht h et e m p e r a t u r ei m p r o v e d t h em i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o nd u r i n gt h ew a r md e f o r m a t i o nw a so b s e r v e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) i t i sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e g r a i nr e f i n e m e n th a p p e n e dd u r i n gt h e d e f o r m a t i o np r o c e s s w i t hy a d am o d e lw h i c hi sa m e n d e d af i n i t ee l e m e n ts o f tw a r ec a l l e d s u p e r f o r mw a su s e d t oa n a l y z em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o ni nt h e p r e c i s i o n f o r g i n gp r o c e s so fa z 3 1m a g n e s i u mi n n e rs p u r - g e a r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nc a l lb er e a l i z e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w h i c hh a st h e i l l u s t r a t i v ea n dh i g he f f i c i e n ta d v a n t a g e s k e y w o r d sm 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 ；b u l kf r o m i n g ；m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n l l 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 镁合金的体积 成形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：喧 - t - - 日期：2 。，g 年5 月日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 连铸a z 3 1 镁合金的体积成形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，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密n 0 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：如。占年与月，日 同期：z 口口6 年5 月f 日 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 镁是常用金属结构材料中最轻的一种，熔点6 5 1 ，比重1 7 4g c m 3 f 是 钢1 4 ，铝2 3 ) “j 。纯镁的力学性能很低，但和铝、锌、锆和稀土元素等构 成的合金热处理后其强度大大提高。镁合金不仅具有重量轻、比强度和比 刚度高的特点，而且还具有优良的阻尼性能、尺寸稳定性、机械加工性能 和良好的回收性【2 “。镁合金的优势在于它们较好的可加工性、轻量、有相 当高的导热性与导电性，无磁性，具有较高的比刚度和比强度，并有优异 的尺寸稳定性与良好的能量吸收特性，吸收振动性，是制造抗震零件的良 好材料，另外镁合金相对于复合材料具有更好的化学性能，不易老化，更 好的导电性和导热性。因而在航空航天、汽车以及3 c 产品领域有着广阔的 应用前景，被认为是2 1 世纪有色金属材料中最具开发和应用前途的金属材 料【5j 。但是，镁合金密排六方的晶体结构( h c p ) 决定了镁合金常温状态下塑 性变形能力较差【6 墙】，如何解决这一问题是镁合金应用的关键之一。镁合金 已经部分取代锌、铝、铸铁和钢等材料，广泛应用于航空航天、汽车和电 子等行业。我国是镁的发展大国，据国际镁合会协会i v i a 估计，目前全世 界镁的总产量4 5 万吨中，中国占l o 万吨，因此，加强对镁合金性能的研 究具有巨大的价值和潜力 9 1 。至今大多数镁合金零部件均通过压铸成形工艺 制造，变形镁合金比铸造镁合金具有更优良的性能，更适于制造承力构件， 因此变形镁合金的成形技术被认为是镁合余应用技术中最有挑战性的课题 之_ _ 1 0 1 2 1 。 1 2 镁合金的应用与前景 镁合金是我国“十五”科技开发的重点项目。镁作为最轻的工程金属材 料，具有一系列优异的特性，广泛应用于航空、航天、汽车及通讯、计算 机和消费类电子产品。 燕山人学上学硕士学位论文 与钢、铝合金、工程塑料等结构材料相比，镁合金所具有的轻质、高 阻尼性能、抗振性能、散热性能、抗电磁干扰和易于回收等一些非常明显 的优点，使镁合金在交通工具、3 c 产品领域受到越来越多的关注。由于镁 合金的独特优异性能，以及国际市场上镁价格的下降，使得镁合金的应用 领域进一步扩大。镁合金不仅在轿车工业中的应用进一步扩大，而且电子 工业尤其是通讯业的飞速发展，对电子器材的薄壁轻量化提出了更高的要 求，给镁合金的发展带来了巨大契机。下面主要介绍一下镁合金在汽车：e 业和电子工业中的应用情况。 1 2 1镁合金在汽车工业中的应用 在汽车工业中，镁合金的应用虽然没有像在航空航天领域中应用那样 成熟，但是，汽车设计生产轻量化概念的提出使镁合金在最近1 0 年来得到 了很大的发展i l 。汽车工业中镁合金用量在发达国家出现了持续快速增长 的势头。这是由于汽车尾气排放c 0 2 所造成的污染占大气污染的6 0 7 0 ， 目前全世界仅c 0 2 排放量就己累计达2 3 1 0 1 0t 。在大气污染中，汽车排放 的污染气体被认为是世界重大公害之一，己严重地威胁到人类的生存和发 展，因而人们期待着将镁合金应用于汽车，以减轻重量、节约能源、降低 污染、改善环境。汽车质量大小对其能量的消耗有着重要的影响，质量每 降低1 0 0 蝇，油耗可减少0 7l 。用镁合金制作汽车结构件以减轻质量的尝 试持续了近7 0 年，但汽车减重的呼声从未像现在这般强烈。近来，欧共体 向欧洲的汽车厂家建议，到2 0 0 5 年汽车废气中的c 0 2 含量应由现在的每公 里1 8 3g 降至1 2 0g ，也就是要求汽油发动机百公里耗油不超过6l ，柴油发 动机百公里耗油不超过5 3l 。当然，人们可从燃料管理系统等途径寻求解 决的方法，但在这些方法中，汽车轻量化的努力将举足轻重，而镁合金无 疑将会扮演极为重要的角色。f o r d 汽车公司通过使用镁合金零部件使得汽 车的综合性能有较大改善 1 4 1 ( 见表1 - 1 ) 。在物体形状一定的情况下，固体弹 性区域内的静态应力应变关系决定于物体的杨氏模量，而动态下的应力 应变关系，即激振力振动振幅关系，特别是在共振状态下，则随衰减而有 很大变化。因此即使镁合金的杨氏模量值很低f e 兰4 5g p a ) ，但却不失为一种 2 篁! 主堑丝 优良的减震材料。可以在相同重量下得到较高的强度，而且阻尼性能良好 并具有很高的抗冲击韧性，尤其是适合于制造经常承受冲击的部件。 表1 12 0 0 0 年f o r d 汽下公司镁合金零部件的使用情况 t a b l e1 - 1 t h es e r v i c ec o n d i t i o no f m a g n e s i u ma l l o yo f f o r di n2 0 0 0 零部件名称 代替前重量蜒代替后重量蛞 减轻率轻量化率 车身 1 255 45 87l 内饰件 3 1 52 l03 3l o 2 发动机 5 523 623 51 9 悬挂件 6 222 595 83 6 2 刹车 3 91 85 42l 固定件 1 457 25 073 方向盘 5 63 93 01 7 电气外壳3 21 84 41 4 合计1 8 8 61 0 3 24 58 5 1 镁合金在汽车中主要可以作为壳体和支架两种类型的零部件。这类零 部件有转向轴、座椅架和轮毂( 图1 1 ) 。例如，法拉利9 9 8 款f 3 5 5 的6 种车 型b e r l i n e t t a ( c o u p e ) 、g t s ( t a r g a ) 和s p i d e r ( c o n v e r t i b l e ) ，以及它们各自的一 级方程式赛车均采用了5 孔18 英寸的镁合金轮毂。1 9 9 9 年台北国际自行车 展中，美利达展出的轻型自行车车身框架选用了镁合金，整车净重只有7 5 k 。台湾龙通关实业公司与台湾自行车研发设计中心合作开发出 n e o b k e ”牌的m a c t 6 4 折叠式自行车，在2 0 0 0 年东京自行车展上萨式亮 相。该车的骨架采用镁合金，车轮及转轴使用钛合金，前叉等配件采用铝 合会，座椅及把手则使用碳纤维，总重量仅6 4k g ，号称目前世界上最轻的 折叠式自行车。日本k a w a s a k i 新近推出的z x 1 2 r 型摩托车的引擎外壳 等部件采用了大量的镁合金，全车净重仅2 1 0k g ，比z z r 1 1 0 0 的引擎足足 轻了1 2 垤。重庆镁业科技股份公司开发的l x l 5 0 镁合金绿色概念摩托车， 该车在曲轴箱体、箱盖和轮毂等零件上应用了镁合金，用量约1 2 妇，比原 设计减轻了约6k g 的重量。转向轴经常承受较大的扭矩，座椅架和轮毂长 3 燕山大学工学硕士学位论文 时期承受冲击、采用阻尼性良好的镁合金后，不仅收到了极好的减重效果， 而且提高了汽车行驶过程中的平稳性和安全性。镁合金轮毂最初是使用在 赛车上面，后来逐步转向普通轿车，可以采用a z 8 1 、a m 6 0 等合会。 目前，汽车工业镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日 本和韩国。这些地区和国家的压铸镁合会用量近年急剧增加。例如，1 9 9 1 年压铸镁合金的用量仅为2 4 万吨，到1 9 9 7 年则增至6 4 万吨，而且其中 8 0 的压铸镁合金用于生产汽车零部件。据预测，这些地区和国家由汽车工 业拉动的镁合金需求量还将持续增长。 ( a ) 镁合金压铸齿轮箱( b ) 镁合金汽车内框架( c ) 镁合金手提电脑外壳 图1 - 1镁合金在汽车电子工业中的应用 f i g 1 - 1 t h ea p p l i c a t i o no f m a g n e s i u m a l l o y i n t h ea u t o m o t i v ea n de l e c t r o n i c i n d u s t r y 1 2 2 镁合金在电子工业中的应用 电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是新兴的镁合金应用领域。 由于数字化技术的发展，各类数字化电子产品不断出现，电子器件高度集 成化和小型化，出现了大量便携式电子器材，如手体电话、便携式电脑f 见 图1 - l c ) 和小型摄录像机等。电子工业中对镁合金的增长需求缘于镁合金在 减轻重量、大的刚度和具有良好的薄壁铸造性能等方面的优点；同时，其 热导性好、热稳性高、电磁屏蔽特性好、阻尼性能好和可回用性等镁材料 特性，这也是电子行业将目光投向镁合金的重要原因。目前镁合金主要应 用领域i l 副： 4 第1 章绪论 ( 1 ) 便携式电脑以往，便携式电脑生产厂商如东芝公司，为了便于改 善塑料外壳的性能，通过充填氧化镁或采用铝合金生产，这显然无法与镁 合金外壳相比。1 9 9 7 年3 月，松下公司上市镁合金外壳便携式电脑十分畅 销。n e x t 型电脑机壳上原先的a b s 塑料件改为镁合金压铸件后，尺寸精 度、刚度和散热性都获得了改善。 f 2 1 摄录像器材压铸镁合金薄壁、复杂形状零件已经应用于索尼数字 式便携式摄像机d c r v x1 0 0 0 壳体上。镁合金外壳紧凑、强度高，并月，手 感好。这种压铸镁合会壳体满足了复杂内部要求，用a z 9 1 d 镁合金热室压 铸而成，在其表面涂一层丙烯酸仿皮材料。 ( 3 ) 通讯器材美国芝加哥w h i t e m e t a lc a s t i n g 公司用a z 9 1 镁合金生产 的雷达定位器壳体压铸件，重量与原先的塑料壳体相等，而其刚性、强度 和耐冲击性都得到极大改善。在移动通讯方面，目前，塑料壳体的移动电 话通话质量不高。为了解决这一问题，有的移动电话在塑料壳中增加了会 属衬垫，以达到抗干扰的目的。如果将镁合金用于制造移动电话外壳，则 可以完全解决这一难题，使通讯过程中的电磁波只通过天线接收和发送， 减少了电磁波的散失，提高移动电话的通讯质量，同时还能减少电磁波对 人体大脑的伤害。除此之外，采用镁合金外壳，可以提高刚度和强度，不 易摔坏，满足了轻巧、美观、实用的要求。目前，汽车工业镁合金用量较 多的地区和国家主要是北美、欧洲。据预测，这些地区和国家由汽车电子 工业拉动的镁合金需求量还将持续增长( 图l 一2 ) 。 图1 - 2 近期荚国与欧洲镁合金消费量趋势图【1 0 f i g 1 - 2t h e t e n d e n c yc h a r t o f c o n s u m p f i o n q u a n t i t y o f m a g n e s i u m a l l o yi nu s aa n de u r o p e 1 0 l 5 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 镁合金变形行为研究 1 _ 3 1 单向拉伸行为的研究 近年来，数值模拟技术在金属材料塑性加工领域内被广泛的采用，为 了充分发挥这种技术的潜力，需要研究所加工材料的单向拉伸行为以获得 数值模拟所需的精确的本构方程，进而为材料塑性成形过程的控制与预测 提供依据。因此，研究变形镁合金在不同变形条件下的单向拉伸行为对于 镁合金塑性成形技术的发展和应用具有重要作用。 1 3 1 1 金属高温超塑变形的特点金属高温超塑性变形通常具有以下几 个方面的特点i m l ： ( 1 ) 只有在较高的温度( 丁0 5 t m ，t m 为材料熔点) 和特定的应变速率范 围( 通常1 0 - 2 1 0 4s - i ) 的条件下才呈现超塑性。 ( 2 ) 超塑性变形的应力和应变速率的双对数关系曲线呈s 形( 图1 3 ( a ) ) 。 把曲线分为三个区域，即图中的i 区、i i 区和i i i 区。超塑性发生在i i 区。 获得最大超塑性延伸率的应变速率范围通常是与这一曲线斜率最大的范围 对应的。 西7 亟喾 ： 毳 ，、 薹 、 - 、 ： o o k ( a ) 应力一应变速率关系图( b ) 应变速率敏感性指数值应变速率关系圈 ( a ) s t r e s sv s s t r a i nr a t er e l a t i o n s ( b ) wv a l u e sv s s t r a i nr a t er e l a t i o n s 图1 3 超塑性流动应力和应变速率敏感性指数m 值及应变速率关系图l ”j f i g 1 3 s u p e r p l a s t i cr e l a t i o n sb e t w e e ns t r e s s mv a l u e sa n ds t r a i nr a t e s 【1 7 1 ( 3 ) 图1 - 4 曲线用b a c k o f e n 提出的超塑性流动方程来描述：盯= k 营m 式 中k 为材料系数，m 为应变速率敏感性指数，它是表征材料超塑性变形能 力的重要指标。m 值在i i 区有最大值( 图1 - 3 ( b ) ) 。超塑材料的m 值处于o 3 6 第1 章绪论 0 9 之间，一般约为0 5 。 ( 4 ) 在超塑拉伸过程中，颈缩的发展不明显或扩展很缓慢，一般认为这 是由于高的应变速率敏感性所致。 1 3 1 2 镁合金单向拉伸行为的研究2 0 0 0 年，印度的r n a r a y a n a s a m y i l 副 通过单向拉伸试验研究了z m 2 1 镁合金在室温下的单向拉伸行为，考察了 轧制方向、横向和厚度方向不同变形方向上该合金的单向拉伸变形特征， 结果发现，在厚度方向的应变硬化指数明显大于轧制方向和横向的应变硬 化指数。在低应变( 真实应变小于0 0 2 ) 时，厚向异性指数很高；而在高应变 时却很低，揭示了镁合金的厚向异性随着应变水平的变化规律。 对镁合金高温下单向拉伸行为研究较早和较深入的国家主要有日本、 韩国和美国。1 9 9 8 年日本京都大学的h t a k u d a 1 9 1 对m g a i z n 系合金在高 温下的单向拉伸行为进行了研究，导出了一个由温度补偿的应变速率z ，即 z e n e r - h o l l o m o n 参数表示的镁合金高温拉伸变形时的本构方程式，计算结 果表明镁合金高温下的流动应力盯与参数z 的对数成线性关系。 1 9 9 9 年，日本大阪市政技术研究院的h w a t a n a b e 2o 】通过2 5 0 - 4 0 0 。c 温 度范围内的单向拉伸试验研究了温度7 1 和晶粒尺寸d 对a z 6 1 镁合金超塑 性单向拉伸变形中的扩散行为的影响。结果发现，应变速率与晶粒尺寸d 的平方和流动应力盯的平方根成反比。在2 5 0 3 0 0 的温度范围内，变形激 活能接近于晶界扩散激活能，而在3 2 0 - 4 0 0 的温度范围内，变形激活能则 接近于晶格扩散激活能。在较低超塑性变形温度，主要变形机理为滑移和 晶界扩散控制的晶界滑移；而在较高的温度下，是通过晶格扩散控制。该 结果表明镁合金超塑变形中的扩散过程受到温度和晶粒尺寸的显著影响。 2 0 0 1 年，韩国的w j k i m 2 1 l 等人研究了a z 6 1 和a z 3 l 轧制镁合金在 3 0 0 4 2 0 的温度范围内的单向拉伸行为，通过计算不同镁合金塑性单向拉 伸过程中的应力指数和变形激活能确定了不同镁合金的高温超塑变形机 理，进而建立了不同变形镁合会以晶粒尺寸指数、塑性流动应力指数和变 形激活能为变量的高温下的超塑性变形机理图。 2 0 0 4 年，美国威耐州立大学的r k r i s h n a m u r t h y l 2 2 】等人通过单向挖伸试 验研究了, 6 9 2 3 1 b 镁合金在高温下的变形行为，确定了适于该合金成形的温 7 燕山大学学硕士学位论文 度和应变速率条件。 由此可见，近些年关于镁合金单向拉伸行为的研究主要集中于本构方 程、各向异性特征和适于成形的变形条件。而对于镁合金变形过程中的软 硬化行为和应变速率敏感性则有待深入研究。 1 3 2 微观组织演变的研究 1 3 2 1 动态再结晶的研究为了扩大镁合金在结构零件中的应用，特别是 在汽车工业中，很多研究集中于增强镁合金的塑性。而研究镁合金在不同 温度f 变形时的微观组织演变，特别是对晶粒尺寸具有重要影响的动态再 结晶( d r x ) 行为，对于揭示镁合金的变形机制进而通过控制d r x 来细化或 保持变形过程中晶粒的稳定，是改善和提高镁合金塑性和超塑性能的一个 重要途径。 r 由于缺少固相转变，在高温下的d r x 对于镁合金的晶粒细化是非常重 要的。尽管再结晶已经在面心立方( r c c ) 金属中进行了广泛的研究，例如奥 氏体钢和铝，镁合会的d r x 的机理和动力学尚不完全清楚。最近的研究结 果表明，在镁和镁合金中的再结晶现象比f c c 金属中的要复杂。在镁合金 中不同的d r x 机理已经有所报道，而d r x 动力学似乎是变形温度，应变 和应变速率、变形模式、晶粒尺寸和晶粒取向( 织构) 的复杂函数。 目前，在镁和镁合金中已经观察到了3 中不同的d r x 机 里 2 3 , 2 4 1 ，它们 是：传统方式( 非连续方式) 、连续方式和孪生诱发方式。不同机理依赖于变 形温度和应变以及化学成分和材料的微观组织。传统的d r x 即不连续的 d r x 是通过形核与锯齿形晶界胀起的方式为特征的。该d r x 方式在镁合 金的高温下的大应变量拉伸时偶尔可以观察到。另一方面，连续的动态再 结晶，作为一个原子重新排列的过程，不包含大角度晶界的迁移，是一个 主要的d r x 机理，特别是在镁合金的中温和低温区域内。由孪生诱发的 d r x 已经在较粗的晶粒度镁合金变形中经常被观察到【2 5 1 。 1 9 8 2 年，i o n 等人【2 6 】发现，m g 一0 8 a 1 在热变形中的动态再结晶是由 于缺少易于被激活的滑移系。第一个原因是由于镁合金的h c p 晶体结构只 有少数的滑移系数量。即便是在高温下锥平面和侧平面滑移系丌动，激活 8 第1 章绪论 的滑移系的数量仍然比较有限，与具有面心立方晶体结构的铝合金相比。 第二个原因是 l j 于镁合金具有低的层错斛”j ，对于纯镁层错能在6 0 7 8 k j m 2 。还有一个原因是由于镁与铝相比所具有的高的晶界扩散率幽j 。因此， 位错在亚晶界的塞积可以被这些晶界所吸收，由此导致了一个加速的动态 再结晶过程。 加拿大的w j l i u 等人i 2 9 】通过会相显微镜( o m ) 观察了a z 3 1 镁合金在 2 5 0 4 0 0 范围内单向拉伸变形中的d r x 行为，结果发现小的再结晶晶粒 组成环绕大的未再结晶晶粒的项链结构。这样的项链结构表明，在a z 3 l 镁合金变形过程中d r x 的控制机理为连续的动态再结晶。连续动态再结晶 是一个原子重排的过程，不包含大角度晶界的迁移。这是在中温和低温区 域内的镁合金的主要的再结晶机理。可以确认的是，在变形的镁合金中， 动态连续再结晶f d c r x l 晶粒是直接从位错核和亚晶组织发展来的【3 0 ，”】。 新加坡南洋工业大学的j c t a n p 2 j 等人研究了a z 3 1 镁合金在2 0 0 , - 4 5 0 的温度内两阶段变形中的d c r x 特征。结果发现，在高温条件下两阶段 法的晶粒细化作用不太有效由于快速的晶粒长大。晶粒细化是由于包含有 晶界取向不断增大以及低角度晶界向高角度晶界的连续转换的动态连续再 结晶所致。 美国的r k r i s h n a m u r t h y t l 9 j 研究了镁合金在3 5 0 5 0 0 。c 温度下拉伸变形 时的微观组织演变，结果发现，在变形的早期就发现了动态再结晶现象， 该现象是一个晶粒长大和晶粒细化的综合过程。在一定的临界应变下，采 取合适的温度和应变速率可以实现晶粒尺寸的稳定。同时发现在高温超塑 变形中涉及到的变形机理包括位错蠕变和晶界滑移，而前者在较低温度、 较高温度和较大的初始晶粒下起主要作用。在变形过程中，动态再结晶不 仅能够保证晶粒尺寸的稳定，而且还有助于增强成形性能。 美国通用汽车研究与开发中一6 , ( g m r d ) 的a l a n a l u o 3 3 j 研究了a z 3 1 镁 合金温变形中的微观组织演变，结果发现孪生是镁合金在室温和中温条件 下的主要变形机理。动态再结晶在温度低于1 5 0 下观察到，导致了细晶粒 在先前的晶界处形成了项链结构。这些新晶粒导致了应变集中和失稳由于 应变硬化能力的降低，并导致了空洞引起的断裂破坏。 9 燕山人学上学硕十学位论文 俄罗斯的a g a l i y e v l 2 q 通过压缩试验研究了z k 6 0 镁合金在1 5 0 4 5 0 。c 温度范围内的塑性变形机理和d r x 行为。结果发现，不同温度下d r x 的 机理是不同的。在高温区间( 3 0 0 4 5 0 。c ) ，原始晶界胀出和亚晶界的长大是 d r x 的机理，该机理是受到位错攀移的控制。 日本的t m o h r i 3 4 ) 等人研究了热轧a z 9 1 镁合金在3 0 0 * ( 2 和1 5 1 0 3s 。 条件下的超塑性和微观组织演变，结果发现晶粒度为3 9 5l a m 的热轧镁合金 在应变量为0 6 之后，晶粒尺寸减小为9 1g m ，说明在超塑变形的初始阶段 发生了明显的晶粒细化。晶粒细化是由于动态连续再结晶造成的。由于晶 粒细化，使得晶界滑移显著发生，并导致了6 0 4 的大延伸率。 1 3 2 2 变形机理的研究通常认为晶内滑移和孪生是具有h c p 晶体结构 的镁合金的温变形机理。a g a l i y e v 等人在研究z k 6 0 镁合金在加热条件下 的塑性变形特征时发现，在低于2 0 0 的温变形，z k 6 0 镁合金的变形机理 为孪生、基滑移和( a + c ) 类位错滑移。而在较高的温变形温度区间( 2 0 0 2 5 0 ) 该合金的塑性变形则与a 类位错按照f r i e d e l e s c a i g 机理进行的交滑移有 关。 镁合金高温下的超塑变形机理则依据合金的成分、晶粒尺寸、变形条 件的不同表现出不同的特征，其中晶粒尺寸对超塑变形机理的影响最为明 显。t , g l a n g d o n i 圳等人研究了平均晶粒尺寸小于1 0g r n 的材料的超塑性， 认为这些细晶材料超塑变形的主要机理为晶界滑移( g b s ) 。 j c t a n 3 6 1 研究了通过动态再结晶得到的细晶a z 3 1 镁合金超塑变形机 理，结果发现g b s 为主要的变形机理，g b s 对总变形的贡献在7 4 7 6 之 间。上海交通大学的y h w h 3 7 】等人研究了轧制a z 9 1 镁合金在2 5 0 4 2 5 范围内的超塑性变形行为和微观组织演变。结果发现，在高应变速率1 0 0s 1 下，该合金超塑变形的主要机理仍然为g b s ，而由晶界扩散控制的位错蠕 变是主要的协调机理。 h w a t a n a b e 3 s l 等人研究了粗晶m g a b z n 合金高温下的变形机理时发 现，粗晶镁合金在特定的条件下同样可以实现一定的超塑性。经计算该粗 晶镁合金超塑变形时的应力指数y 为3 ，晶粒尺寸指数为0 ，而变形激活能 接近于纯镁晶格扩散激活能，由此可知粗晶镁合会超塑变形机理为滑移控 1 0 第l 苹绪论 制的扩散蠕变，该变形机理与细晶镁合金超塑变形机理有明显不同。说明 了镁合金的超塑变形机理具有明显的晶粒尺寸效应。 综上所述，对镁合金变形中微观组织演变的研究主要集中于动态再结 晶和晶界滑移。动态再结晶能够使镁合金变形中的晶粒细化，提高变形的 均匀性，从而获得大延伸率。晶界滑移是细晶材料超塑变形的主要机理， 而晶界扩散可以在晶界滑移过程中起到重要的协调作用。 1 3 _ 3 成形性能研究 近几年，变形镁合会的研究呈现迅速发展的趋势，有关镁合金的研究 文献从2 0 0 0 年开始增加，直至今几仍然快速增长。 镁合金的成形性能远不如铁合金、铜合金及铝合金。特别是在冷加工 方面。镁合余冷加工的极大困难在于镁的结晶性质。镁的晶体结构是密排 六方，因此承受的变形量有限，特别在低温条件下更是如此。镁在室温时 变形主要通过在基面上密排的 11 2 0 方向的滑移和在角锥面( 1 0i2 ) 上的孪 晶。然而在锻压、挤压、轧制时能很好地变形的金属，必须有大量的滑移 面，使得在变形时滑移可以沿着这些面进行。因此镁合金的压力加工通常 在加热的条件下进行。 由于镁合金在中温时仅有少量的非基滑移系参与变形，因此镁合金在 中温下的塑性只能得到有限的改善，从而仅表现出常规的塑性变形能力。 文献【39 j 对镁合金板料在中温阶段的力学性能和冲压成形性能进行了较为详 细的研究。文中指出镁合金的塑性随着温度的增加而显著增强，并从晶体 学的角度对造成这种特征的原因进行了分析。同时认为，在同一应力状态 下，变形速度的提高会导致镁合金的塑性急剧下降，并认为这是因为速度 过快造成了再结晶来不及进行或进行的不充分。在镁合余的冲压加工时， 由于镁合金的低热容量和高传热系数，采用板料和模具同时加热的方式冲 压成形镁合金能够获得最好的效果。 为了检验变形镁合金在中温条件下冲压成形的可行性，德国汉诺威大 学i f u m 研究所的e d e o g e 等人 4 0 l 对3 种典型的镁合金a z 3 1 、a z 6 i 和 m 1 在中温条件下的力学性能和拉深性能进行了研究。结果发现，镁合金在 燕山大学t 学硕l 学位论文 较高温变形条件下表现出明显的加工软化行为；镁合金拉深成形时的成形 极限依赖于杯形件底部与杯形件侧壁的载荷传递。镁合金在温变形中表现 出的软化行为影响了拉深成形过程，致使镁合金的极限拉深比在2 0 0 2 5 0 的温度范围内达到最大值。该研究表明镁合金在中温条件下的冲压成形 部分地取代铝合金和钢是可能的。 日本的e y u k u t a k e 等人1 4 l j 分别采用锥形杯拉深试验和e r i c h s e n 实验研 究了a z 3 1 镁合金在2 0 3 0 0 中温范围内的成形性能，指出在2 0 0 。c 以上 的温成形可获得令人满意的效果。并且认为板料在2 0 0 以上各向异性织构 的消失是材料成形性能改善的一个重要原因。 日本京都大学的h t a k u d a l 4 2 1 等人通过s w i f t 拉深试验和e r i c h s e n 试验 检验了a z 3 1 镁合金板在室温下的成形性能。结果表明，a z 3 1 镁合金在室 温下的成形性能较差，冲头经历较小的行程后便在冲头圆角处发生脆性断 裂，断口处无明显的缩颈现象。 2 0 0 0 年哈尔滨工业大学的吕炎【4 3 l 等人对m b l 5 镁合金在3 5 0 3 6 0 的 精锻成形工艺进行了研究，采用组合式模具结构和局部加载的方法成功地 实现了某型直升机上机匣零件的等温精锻成形。 2 0 0 2 年日本大阪大学的o o g a w a 等人【4 4 】通过镦粗性能试验研究了 z k 6 0 镁合金在1 0 0 4 0 0 温度范围内的加工性能，并将镦粗试验结果用于 z k 6 0 镁合金的精密反挤压。结果发现在2 0 0 以下，该合会表现为脆性。 在2 0 0 4 0 0 。c ，镁合金表现出较好的加工性能，而当温度高于4 0 0 后，由 于严重的氧化，该合金的加工性能下降。 2 0 0 4 年美国威耐州立大学的g e r r i tk u r z l 4 5 i 等人采用充液拉深成形工艺 研究了m g a 1 z n 合金在2 2 5 。c 的温成形性能，获得了极限拉深比为3 6 的 良好的拉深性能。该结果表明与传统的拉深工艺相比，冲液拉深能显著提 高镁合金温态下的冲压成形性能。 以上的大多数研究都是针对变形镁合会的板材成形( 并且坯料大都是经 过细晶处理过的) ，对镁合金的体积成形的相关研究还不是十分深入和全面。 随着冶金工业技术发展，连铸的变形镁合金的相关性能也得到了很大的提 高，直接将连铸变形镁合会用于精密体积成形将会有很高的实用价值。所 1 2 第1 章绪论 以对连铸镁合金的体积成形性能