（材料加工工程专业论文）室温超塑性zn22wt％al合金制备及力学性能研究.pdf

硕士论文室温超塑性z n 2 2w t 合金制备及力学性能研究 摘要 本论文采用金属模铸造工艺，制备了4 0 0 m m x l 9 5 r n m x 8 5 r a m 的z n - 2 2 a l 合金锭。采 取热处理和塑性加工工艺相结合的方法，对铸锭进行加工处理。利用金相和电子显微学 等材料分析方法，对合金的组织结构进行表征。论文同时通过对合金进行拉伸和压缩实 验，研究了不同处理状态下合金的力学性能。讨论了不同的加工处理工艺( 铸造、热处 理和塑性加工等) 对合金的微观结构和力学性能的影响，分析了影响z n 2 2 a 1 合金的室 温超塑性的主要因素。结果表明：铸造后的组织存在严重的枝晶偏析、缩孑l 和疏松等缺 陷；对铸锭进行3 6 0 下4 8 小时的均匀化退火以及随后的淬火工艺有利于室温超塑性的 获得，均匀化退火消除了枝晶偏析，淬火得到了等轴的两相组织；将均匀化处理后的合 金进行压下率约为8 2 的热轧，随后空冷至室温即得到轧后空冷态合金，减少了铸造缺 陷，改善了合金组织均匀性；将轧后空冷态合金再在3 6 0 下保温3 小时后分别作淬火 和炉冷处理，得到轧后淬火和轧后退火态合金，轧后淬火态合金晶粒尺寸分布不均，轧 后退火态合金呈现片层共析组织。对以上各状态合金的力学性能测试分析表明，轧后淬 火态合金的流变应力和延伸率比未经轧制的淬火态合金有所提高，轧后退火态的延伸率 最低，塑性最差；轧后空冷态合金呈现出一定的室温超塑性，在室温下以1 0 4 s 1 的初始 应变速率下拉伸，延伸率可达2 1 4 ，此时的流变应力仅为1 3 1 m p a ，对其进行室温压缩 性能测试，结果显示出较好的可压缩塑性，压缩初始应变速率为1 0 。4 s 卅时，流变应力为 1 6 3 m p a ；对熟轧后空冷的合金，再在3 6 0 下保温6 小时后淬火，可使晶粒尺寸分布均 匀，合金表现出更好的室温超塑性效应，应变速率为4 x 1 0 。s 。1 时，延伸率提高到2 3 7 ， 此时的流变应力为7 7 m p a ，同样在压缩变形时，应变速率小于1 0 。s 1 时，流变应力均低 于1 3 1 m p a 。研究还发现室温下在1 0 4 s - 1 - 4 x 1 0 0 s 1 的应变速率下进行拉伸变形时，呈现 超塑性的轧后空冷态合金与保温6 小时后淬火的合金在室温下进行拉伸时，其应变速率 敏感性指数和延伸率均有很好的正相关性。 关键词：z n 2 2 a 1 合金，室温超塑性，热处理，轧制 a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，z n - 2 2 a 1a l l o yi n g o tw i t hd i m e n s i o no f4 0 0 m m x19 5 m m x8 5 r n mh a sb e e n p r e p a r e dv i ad i ec a s t i n g ac o m b i n a t i o no fm e t a lh e a tt r e a t m e n ta n dp l a s t i cp r o c e s s i n gw e r e a p p l i e d t op r o c e s st h e c a s t i n gi n g o t t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ez n - 2 2 a 1a l l o y sw a s c h a r a c t e r i z e db yu s i n gm e t a l l o g r a p h ya n de l e c t r o nm i c r o s c o p y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ea l l o y sw e r em e a s u r e db yt e n s i l ea n dc o m p r e s s i v et e s t i n g t h ee f f e c t so fh e a tt r e a t m e n ta n d p l a s t i cp r o c e s s i n go nt h em 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 s o ft h e a l l o y s w e r e d i s c u s s e d , a n dt h e m a i nf a c t o r sa c c o u n t e df o r t h ea c h i e v e m e n to fr o o m - t e m p e r a t u r e s u p e r p l a s t i c i t yo ft h ea l l o y sw e r ea l s oa n a l y s i z e d t h er e s u l t ss h o wt h a td e n d r i t i cs e g r e g a t i o n , s h r i n k a g ec a v i t i e sa n dr a r e f a c t i o no c c u r r e di nt h ec a s tm i c r o s t r u c t u r e i no r d e rt oo b t a i n r o o m t e m p e r a t u r es u p e r p l a s t i c i t y ，i t sn e c e s s a r yt oh o m o g e n i z et h ez n - 2 2 a 1a l l o ya t3 6 0 c f o r4 8h o u r sa n dq u e n c hi ts u b s e q u e n t l y t h ed e n d r i t i cs e g r e g a t i o nw a sr e m o v e da f t e rt h e i n g o tb e i n gh o m o g e n i z e d ，as t r u c t u r eo fe q u i a x e dz i n c - r i c ha n da l u m i n u m r i c hp h a s e sw a s o b t a i n e da f t e rq u e n c h i n g h o tr o l l i n gw i t har e d u c t i o no f8 2 i nt h i c k n e s sw a sp e r f o r m e do n t h eh o m o g e n i z e di n g o t t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o yw h i c hw a sc o o l e di na i ra f t e rh o t r o l l i n g ，n a m e dr aa l l o yb e c a m em o r eu n i f o r m t h er aa l l o yw a ss o l u t i o nt r e a t e da t3 6 0 c f o r3h o u r sa n dt h e nq u e n c h e do rf u r n a c ec o o l e d ，a n dt h ep r o d u c t sw e r en a m e dr qa l l o ya n d r fa l l o y ，r e s p e c t i v e l y t h er qa l l o yh a sam i x t u r em i c r o s t r u c t u r ec o n t a i n i n gc o a r s e ng r a i n s a n df i n eg r a i n s ，a n dt h er ff l l o ys h o w sal a m e l l a re u t e c t o i ds t r u c t u r e m e c h a n i c a lt e s t ss h o w t h a tt h ed u c t i l i t yo fr fa l l o yi sp o o r t h ef l o ws t r e s sa n de l o n g a t i o no ft h er qa l l o ya r e h i g h e rt h a nt h a to ft h eh o m o g e n i z e di n g o t t h er aa l l o ys h o w sg o o dr o o m - t e m p e r a t u r e s u p e r p l a s t i c i t y t h em a x i m u me l o n g a t i o nr e c o r d e di nt h et e n s i l et e s t i n gw a s2 14 u n d e ra s t r a i nr a t eo f10 。4 s 1 ，a n dt h ef l o ws t r e s sw a s131m p a t h ea l l o ya l s op o s s e s s e de x c e l l e n t c o m p r e s s i v ef o r g e a b i l i t ya tr o o m - t e m p e r a t u r ew i t hf l o ws t r e s so f16 3m p a i nac o m p r e s s i v e s t r a i nr a t eo f10 4 s - 1 w h e nt h er aa l l o yw a ss o l u t i o nt r e a t e da t3 6 0 f o r6h o u r sa n dt h e n q u e n c h e d , i t sm i c r o s t m c t u r eb e c a m em o r eu n i f o r ma n di t sr o o m - t e m p e r a t u r es u p e r p l a s t i c i t y w a si m p r o v e d t h et e n s i l ef l o ws t r e s sw a s7 7m p ai nas t r a i nr a t eo f4 x10 - 3 s 1 ，a n dt h e e l o n g a t i o nw a s2 3 7 t h ec o m p r e s s i v ef l o w s t r e s si sl o w e rt h a n1 31 m p aw h e nt h e c o m p r e s s i v es t r a i nr a t ei sl e s st h a n10 。s 一t h er e s u l t sa l s oi m p l i e dap o s i t i v ec o e l a t i o n b e t w e e ne l o n g a t i o na n ds t r a i nr a t es e n s i t i v i t yi nt h er o o m - t e m p e r a t u r es u p e r p l a s t i cz n - 2 2 a 1 a l l o y s k e y w o r d ：z n 一2 2 a 1a l l o y ，r o o m - t e m p e r a t u r es u p e r p l a s t i c t i t y ，h e a tt r e a t m e n t , r o l l i n g i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 7 气 、 、 乃口年名艏 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：w 口年厶堵 硕士论文 室温超塑性z n 2 2w t a i 合金制各及力学性能研究 1 绪论 超塑性是多晶体材料在断裂前各向同性地显示高拉伸伸长率的能力【l 】。合金发生超 塑性时的断后伸长率通常大于1 0 0 ，有的甚至可以超过1 0 0 0 。a h c h o k s h i 等人对 共析z n 2 2w t a l ( 以下简称z n 2 2 a 1 ) 合金的的研究发现，其延伸率能够达虱 2 5 5 0 t 2 1 。 虽然超塑性的研究没有间断过，但至今没有包括结晶学理论和唯象学理论在内的关于超 塑性的严格定义。被大多数人所接受的还是关于超塑性的概念性描述，即超塑性是指材 料在一定的组织条件和环境条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现 象1 3 1 。 1 1 超塑性的研究历史 超塑性的研究历史要追溯到2 0 世纪初期。在1 9 2 0 年，德国人w r o s e n h a i n 等人在研 究三元共晶合金z n - 4 c u 7 a 1 板材时，发现弯曲速度对冷轧板的性能有较大影响。快 速弯曲时会很快折断，而慢速弯曲时，可完整地弯到1 8 0 0 1 4 1 。1 9 3 4 年，英国人c p p e a r s o n 5 j 发现p b s n 共晶合金室温下低速加载时，延伸率高达2 0 0 0 。1 9 4 5 年，前苏联人a a b o c h v a r 等发现共析z n 2 2 a 1 合金能够呈现很高的延伸率并第一次提出“超塑性一词扣j 。 2 0 世纪6 0 年代以后，随着超塑性理论研究的不断深入，超塑性现象也逐渐在工程中得到 应用。1 9 6 8 年英 l e y l a n d 汽车公司研制了一种商业上叫做p r e s t a l 的超塑性锌铝合金。他 们利用塑料成型工艺加工出了汽车车身外壳 7 1 。超塑性的早期研究材料主要包括共晶和 共析型合金。随后的研究又发现在镁合剑8 10 1 、铝合金【l l - 15 1 、铜合金f 1 6 1 、钛合斜1 7 1 、不 锈钢【l 引、高碳钢、低合金钢及铸铁等材料中也具有超塑性。自2 0 世纪6 0 年代后期以来， 为了适应与促进超塑性应用技术的发展，人们对超塑性机理也进行了大量深入的研究工 作，提出了许多新的见解和理论，但至今尚未获得一个完整的理论能对超塑性现象作出 全面的解释1 7 j 。 自a a b o c h v a r 发现共析z n 灿合金的超塑现象以来，人们就对其进行了广泛深入 的研究。z n 2 2 a 1 合金之所以一直引起人们的关注是由以下两个主要原因。一是该合金 的超塑处理工艺容易操作，在一定条件下只需要简单的热处理即可获得超塑性。二是， z n 2 2 a 1 合金在非超塑状态下变形，需要的压力为4 - 5 k g f m m 2 ，而在超塑状态下只需0 0 1 0 0 2 2k g f m m 2 。另外还发现z n 2 2 舢合金在共折转变温度上下进行相变循环也可容易 地获得相变超塑性1 1 9 1 。在对z n 2 2 硝合金超塑性研究不断深入的同时，越来越多的研究 也开始向其它成分的z n 朋合金转变，甚至包括纯铝1 2 0 1 、纯锌、析出型合金1 2 l 】等。另外 在z n - 0 3 a l 阎，z n 0 4 a i 2 3 1 ，z n 1 1 砧【2 4 1 ，z n - 5 a 1 2 5 1 ，z n - 3 6 a 1 ，z n 4 0 a 1 和z n 5 0 a 1 1 2 6 】 合金中都发现有超塑性。目前z n 合金仍然是工业上比较有竞争力的超塑性材料【玛】。 l 绪论 硕上论文 1 2 超塑性的分类 a 1 一c u 共晶合金、z n a l 共析合金等低熔点有色金属是较早发现具有超塑性的材料。 它们实现超塑性的条件是晶粒细小等轴。因此超塑性被认为是某些合金所在一定的变形 条件下所特有的性能。但在随后的研究中发现一些合金在循环温度的环境条件下也能够 呈现超塑性现象。目前对超塑性的分类，按照材料变形持点和所处状态，主要包括组织 超塑性和相变超塑性【_ 7 1 。 1 2 1 组织超塑性 组织超塑性又称细晶超塑性或恒温超塑性。从变形特点及要求上看，组织超塑性应 需要以下三个条件。首先晶粒要细小等轴，组织要均匀。从现有文献看，大部分在1 0 1 a m 以内。其次变形温度一定，一般材料的超塑性温度范围在0 5 o 7 t m 。因为在此温度范 围内，金属内部组织处于非稳定态，原子热运动增强，有利于塑性变形。最后是应变速 率，超塑性变形应变速率要慢，并且在一定温度下有一个最佳应变速率范围。组织超塑 性是目前研究最多的一种超塑性。一般提到超塑性，就是指这一类超塑性【7 1 。z n 2 2 a 1 属于组织超塑性合金。 1 2 2 相变超塑性 相变超塑性是指材料在变动频繁的温度环境下受到应力作用时经多次循环相变或 同素异形转变而表现出很大的变形。相变超塑性首先要求材料具有固态相变。其次需要 对材料在相变温度区间循环加热和冷却，使材料发生往复组织结构转变，在外加载荷的 作用下使金属内部结构发生运动而呈现超塑性。在应力作用下每循环一次就得到跳跃式 的均匀变形，多次循环就累积得到大变形量。因此相变超塑性又称动态超塑性或环境超 塑性 7 1 。和组织超塑性相比，对相变超塑性的研究较少。 1 3 组织超塑性的变形机理 目前研究较多的组织超塑性，组织超塑性的变形机理的研究已经比较深入，但至 今没有一个变形机理能够说明整个超塑性流动过程。控制超塑性变形的主要机理有扩散 蠕变、晶界滑移、动态再结晶机理和复合变形机理。z n 2 2 a 1 属于组织超塑性合金，下 面阐述这几种主要的变形机理。 1 3 1 扩散蠕变机理 扩散蠕变机理包括晶内扩散蠕变和晶界扩散蠕变，他们的共同点是点缺陷的定向 运动产生超塑性大变形。下面要介绍的是与晶内扩散和晶界扩散相对应的两种变形机 理。 2 硕士论文室温超塑性z n 2 2w t a i 合金制备及力学性能研究 1 3 1 1n a b a r r o h e r r i n g 蠕变理论 n a b a r r o 。h e r r i n g t 2 7 - 2 8 1 模型是基于晶内扩散蠕变的超塑性变形理论。该模型认为，在 拉伸时，横向晶界的空位浓度高于侧向晶界的，因此横向晶界处的空位在应力的作用下 会穿过晶粒流向空位浓度低的侧向晶界。理论上可用式( 1 1 ) 表示，式中叠为应变速率，o 代表应力，彳l 为常数，q 为原子体积，k 为波尔茨曼常数，t 为热力学温度，d 为晶粒 尺寸，d 2 为晶内扩散系数。 = 彳l 糍d g ( 1 1 ) 2 彳1 丽g ( 1 1 ) 1 3 1 2c o b l e 蠕变理论 c o b l e 蠕变理论1 2 9 1 认为晶界扩散蠕变产生超塑性。该模型与晶内扩散蠕变理论的区别 在于点缺陷的流动路径。该理论研究表明，空位在晶界处运动的激活能远低于晶内的。 因此扩散更容易在晶界处进行，即有公式( 1 2 ) ，式中为4 2 常数，d 6 为晶界扩散系数，国 为晶界有效宽度，其余参数的含义与式( 1 1 ) 的相同。 扣么2 等d 6 ( 1 2 ) 1 3 2 晶界滑动机理 晶界滑动已经在多种超塑性材料里的变形过程中发现。利用它可以很好的解释超塑 性变形过程中晶粒的等轴性。通常单纯的的晶界滑动机理难以获得较大变形，它常伴有 其它变形机制来协调。下面阐述的就是几种主要的基于晶界滑动的超塑性变形机理。 1 3 2 1 扩散蠕变调节的晶界滑动机理 m ea s h b y a v e r r a l l 提出了一种晶内晶界扩散同时调节晶界滑动的模型，如公 式( 1 3 ) 。式中) ，为晶界能，0 7 2 y d 为门槛应力，a 是作为高扩散渠道的晶界厚度，其余 参数的含义与式( 1 1 ) 的相同。该模型的m 值虽然小于l ，而且能够解释等轴性，但它只 适用于低速和中速变形阶段【3 0 1 。 = 等k t 如一坠d ) ( 1 + 警d d ) j d g ( 1 3 ) = - i o 一一) i l + o j 1 1 j i d 2 、 一 。7 、7 1 3 2 2 位错运动调节的晶界滑动机理 b a l l h u t e h i s o n 31 模型认为晶界滑动是晶粒群的运动。位错由起阻碍作用的晶粒内发 射并在晶界处发生堆积，高温下晶界吸收攀移的位错使得应力集中得以消除，进而滑移 可以继续进行。 m u k h e r j e e l 3 2 】模型与上述模型的区别在于，它认为位错产生于晶界，它滑过晶粒后在 晶界处塞积。基于位错理论得到如下公式。该公式计算的聊值为0 5 。它主要适用于超 塑性变形的中速阶段。 l 绪论 硕士论文 = 蔓d = 丝g 堕k t ( 里d ) 2 ( 1 4 )、，、， 1 3 2 3 位错运动调节的晶界滑动一晶粒转动机理 在c u 的双晶实验中，m c l e a n 认为晶格位错在晶内滑移到晶界后分解成两个分位错。 平行于晶界的分位错的滑移使晶粒产生滑动，垂直于晶界的分位错的攀移使晶粒转动。 而且转动的程度随晶粒尺寸的增大而减小【3 们。 1 3 3 动态再结晶机理 动态再结晶是金属在变形过程发生的再结晶。但是，目前对于动态再结晶是超塑性 的变形机制还是伴生现象，人们仍然存在分歧。如c m p a c k e r ，o d s h e r b y 和h j o h n s o n 等人认为动态再结晶是超塑性变形的一种机制。g i f k i n s 和s n o w d e n 等人表示， 超塑性流动过程会抑制再结晶的发生。a c t i i x o i t o b 则认为在超塑性流动的过程中会伴 随再结晶现象的发生【3 0 1 。 1 3 4 复合变形机理 实验证明，没有那种单一的变形机制能够解释所有的组织超塑性现象，或者解释s 行曲线上三个不同区域的变形特点。d h a v e r y 和w a b a c k o f e n 在1 9 6 5 年提出，超 塑性变形机理包括晶内扩散蠕变和位错攀移，不同的变形条件下，二者所起的作用不同。 低应力下，晶内扩散蠕变其主要作用；高应力条件下，位错攀移对变形的贡献较大。p a c k e r 和s h e r b y 则认为超塑性变形中晶界扩散在低应力时起主导作用，位错攀移控制的蠕变 在高应力时其主导作用【3 0 j 。 1 4 组织超塑性的力学解析 对超塑性变形的微观过程和变形机理的研究固然重要，但是对超塑性变形的力学规 律的研究将更能够全面了解超塑性现象的全貌。尤其是对超塑成型，掌握超塑性变形的 力学规律，对实际工业生产将具有重要的指导意义。关于超塑性流变力学理论的研究， 最早的应该是美国麻省理工学院的a b a c k o f e n 等人。他在1 9 6 4 年提出了应力与应变速 率的经验关系，这可用公式( 1 5 ) p 副表示。其中k 和m 在一定变形条件下为常数。该公 式已经能够被大多数人所接受。他指出，m 值与超塑性现象有对应关系，并提出了m 值 的测定方法。对上式两边分别取对数后作微分就得到应变速率敏感性指数小，即公式 ( 1 6 ) 。应变速率敏感性指数m 值是超塑性变形的重要参数，有时称它为应变速率硬化指 数。超塑性变形时应力对应变速率比较敏感。材料发生颈缩时，局部应变速率增大，这 时如果m 值大的话，那么继续变形会需要更大的应力，这就使得颈缩处进一步变形更加 4 硕士论文室温超塑性z n 2 2w t a i 合金制各及力学性能研究 困难，导致颈缩向其它均匀变形部分扩散流动。通过这样的不断循环，可以得到均匀大 变形。因此，m 值代表材料塑性变形时抗局部颈缩的能力。 o = 碰厢 ( 1 5 ) m ：粤盟 ( 1 6 ) = o 1 1 o l d l o g g 、7 需要指出的是，上述m 值只有在超塑性变形的均匀阶段起作用。它至多表示材料获 得高塑性的可能性p 4 】，并不是高塑性的绝对值。代表材料塑性指标的延伸率j 与m 值 在一定的条件下具有正相关性，但也不是绝对的1 3 。大多数材料的应力应变速率曲线 都呈“s ”形，如图1 1 所示。它包括低应变速率、低聊值的i 区，中应变速率、高m 值的i i 区和高应变速率、低m 值的i 区。三个区域的变形机理有所不同。超塑性变形表 现在i i 区。 图1 1 超塑性材料的应力应变速率对数曲线示意图【3 5 】 1 5z n 2 2 a ! 合金的超塑性研究现状 作为研究最多、应用最广、最有代表性的超塑性材料，大多数研究发现，z n 2 2 a 1 合金表现超塑性的前提条件是具有a ( 富铝相) 和d ( 富锌相) 两相组织。需要特定的温度范 围和一定的应变速率范围，而且晶粒尺寸要在1 0 9 i n 以内。在一定条件下，随着晶粒尺 寸的细化，超塑性能得到提高。研究发现，细化晶粒可以使最佳超塑性变形条件向高应 变速率和较低的温度下转移。这无疑对超塑性的工业化规模生产提供了重要依据。由于 一般z n 2 2 a 1 合金的超塑变形温度较高，使得其性能的充分利用受到了限制。因此发展 室温超塑性更具有现实意义，越来越多的研究开始关注z n - 2 2 a 1 合金的室温和高应变速 率超塑性。 l 绪论硕士论文 1 5 1z n 2 2 a ! 合金高温超塑性的发展 目前，对z n 2 2 a 1 合金的高温超塑性，国内外有很多的研究工作。文献【3 0 】记载了 两种制备超塑性z n - 2 2 a 1 合金的工艺。这两种工艺首先是将浇注的铸锭经过3 5 5 3 7 5 保温8 小时以上的固溶处理。随后是两种不同的工艺路线。第一种是固溶处理后炉冷， 然后加热到2 9 0 3 6 0 保温2 小时，挤压成棒材或压成板材，接着在3 1 0 3 6 0 保温超 过l 小时，淬入冰水，浸泡l 小时后，再在2 5 0 - - 2 6 0 。c 保温0 5 小时即具备超塑性。第 二种是在固溶处理后直接淬入水中保持1 小时，再加热到2 5 0 保温1 5 小时，并在此 温度轧制成板材或棒材，轧后的合金即具备超塑性。然而，这两种工艺下得到z n 2 2 a 1 合金在室温下的延伸率都比较低，只是在2 2 5 附近得到最大的延伸率。 罗兵辉，周善初【3 6 1 把轧制态的z n 2 2 a 1 在3 6 0 下保温1 小时，然后放于2 0 水中 进行淬火，时效不同时间后，室温下以1 5 x 1 0 刁s 1 的应变速率拉伸至延伸率为1 8 6 。 文献没有指出合金所能达到的最大延伸率，但说明了超塑性变形的主要机制是晶界滑移 和新晶粒挤入孔洞，位错通过滑移或攀移，协调晶界滑动的连续进行。李尧等1 37 j 利用石 墨坩埚制得3 0 0m m x l 8 0m m x 2 5m mz n 2 2 a 1 合金。将铸锭在3 7 0 下保温6 小时，经 水淬后在2 7 0 下轧至3 m m ，然后冷轧到l m m ，3 7 0 下退火1 小时，最后水淬。拉伸 过程中通以直流脉冲电流，电流密度j = 7 4 x 1 0 2 a m m 。2 ，脉冲间隔时间5 0 p s ，脉冲频率 1 0 h z 。结果发现超塑性变形所需要的温度可降低2 0 ，显示超塑性的温度范围扩宽 ( 2 3 0 2 8 0 ) 。2 3 0 。c 下在应变速率为1 6 7 x 1 0 。3 s 1 时，延伸率大于1 2 5 0 ，已经超出拉伸 机极限。最重要的是发现施加脉冲电流后，在应变速率和变形温度一定的条件下试样的 聊值得以提高，表明试样在电流的作用下抗颈缩能力增强。石志强等【3 8 】在其研究中发现， 合金的表面处理状态对其超塑性能的有相当大的影响。不论是表面镀层还是在表面施加 感应电荷，都会降低超塑应变速率和延伸率。研究还发现z n - a 1 合金的超塑性变形主要 通过晶界或相界滑移进行。0 【p 相界滑移容易进行并可实现长程滑移。该研究认为，两 相的存在是超塑性能必不可少的条件，要使合金表现更好的超塑性，可以通过减小晶粒 尺寸，增加晶界数量的方法来实现。韩彬等【3 9 1 研究发现z n 5 a 1 共晶合金的超塑性优于 亚共晶合金z n 1 0 a 1 及过共晶合金z n - 2 5 a 1 ，研究认为其优异的超塑性来源于细密的 层片状共晶组织( 叶d ) 。 许晓静掣4 0 4 1 】曾采用低压渗透法制备s i c w z n 2 2 a 1 复合材料。对材料挤压和固溶 处理后进行拉伸实验。虽然制得的材料表现出一定的超塑性，即3 8 5 以6 6 7 x 1 0 之s 1 的 应变速率拉伸时，得到的延伸率最大，为1 5 0 ；但是相比不加s i c w 的z n - 2 2 a 1 合金， 其超塑性显然是降低了。更为严重的是，在共析温度区间，以1 6 7 x 1 0 弓s d 的应变速率拉 伸时，该复合材料的延伸率仅为4 0 ，远低于相同条件下z n 2 2 a 1 的1 1 6 0 。y u w e ix u n 等1 4 2 】利用溅射法制得z n - 2 2 a 1 金属粉末，再在9 0 k 的温度下球磨，最后进行热等压挤压 制成块体材料。通过冷球磨制得的包含纳米级不连贯的弥散颗粒的z n 2 2 a 1 合金。在同 6 硕士论文室温超塑性z n 2 2w t a i 合金制备及力学性能研究 一条件下，蠕变门槛应力值是一般的z n - 2 2 a l 合金的5 倍左右。这些研究表明，一般情 况下在z n 2 2 a 1 合金中混入其它组元或弥散小颗粒对其超塑性是不利的。s a i dr c a s o l c o t 4 3 】发现在z n - 2 2 a 1 中加入a g 会起到细化晶粒的作用，晶粒尺寸可降低5 0 ，还 可提高最大延伸率下的应变速率。但银是贵重金属，引入工业生产中会提高生产成本， 因而限制了它的使用范围。 t e r e n c egl a l l g d o n 【4 “7 l 和他的工作小组在研究z n 2 2 a 1 合金的超塑性方面做了大量 工作。他们结合等径角挤压, ( e c a p ) i 艺首先研究了合金在高温下( 2 0 0 ) 的超塑性。将 试样2 0 0 下退火1 小时后，采用b c 路线在2 0 0 下e c a p 8 道次，之后于2 0 0 下做 拉伸实验。应变速率从1 0 x 1 0 4 s 1 到1 0 x 1 0 0 s 。1 不等。实验中将e c a p 后的试样加热到 2 0 0 后空冷，测得晶粒尺寸为0 9 1 a m 左右，而原始晶粒尺寸为1 8 岬，很明显e c a p 晶粒尺寸得到了细化。研究发现在2 0 0 下，应变速率为1 0 x 1 0 。z s 。1 时，延伸率可达至 2 2 3 0 ，这是最佳变形条件，该温度下应变速率降低或提高，延伸率都会降低。他们在 实验中观察到了明显的晶界滑动现象，并且在富舢相中发现有晶粒转动，应变速率太 低或太高晶界滑动现象都不是很明显。他们还通过实验得到了晶界滑移对整个变形量的 贡献，在应变量为3 0 ，应变速率为1 0 1 0 。1 s d 时，贡献率为5 0 - t 7 ，应变速率为 1 0 1 0 之s j 时，贡献率为4 4 + 8 。在高应变速率( 1 0 s d ) 下，发现有空洞的产生，且其位 向垂直于拉伸轴向，并测出了空洞产生的数量，形状和尺寸( 5 9 m 2 ) ，并由空洞形状的改 变( 由球形变的被拉长) 证明了空洞在变形过程中长大机制的转变：即超塑扩散长大向塑 性控制的长大。他们对高温超塑性变形的机理作了重要阐述和分析。 以上阐述的超塑性大部分是在高温下得到的，即要求温度一般在2 0 0 以上。然而， 实际应用很少需要在高温下服役。另外，工程所需要的延伸率或塑性并不是要求非常大。 因此，开发z n 2 2 a 1 合金的室温超塑性变得尤为重要。还有一点需要指出的是，当向 z n - 2 2 a 1 合金中加入其它微量元素时，虽然有时可以起到细化晶粒的作用，但是对其塑 性会带来不利的影响。 1 5 2z n 2 2 a 1 合金室温超塑性的发展 高温( 2 0 0 3 0 0 c ) 和低应变速率( 小于1 0 3 s - 1 ) 下，z n 2 2 a 1 合金能够呈现很好的超塑 性。但无论是高温还是低应变速率，都会给工程加工制造及应用带来不变。例如利用合 金的超塑性进行塑性加工成型时，需要将其进行加热，这不仅提高了产品的成本，而且 还浪费能源。低的应变速率更是降低了生产效率。在建筑结构中用作减震时，所要求的 温度也只不过是室温。因此，发展z n 2 2 a i 合金的室温和较高应变速率下的超塑性将非 常具有现实意义。 研究表明【4 8 】z n 2 2 a 1 共析合金中的富z n 的1 3 相再结晶温度为7 5 ，室温下加工时 会发生加工软化现象，因此可以通过适当的处理工艺来实现它的高应变速率超塑性。另 7 1 绪论 硕士论文 外，粗大晶粒会降低再结晶形核率，实验中应避免进行使合金发生晶粒长大的热处理工 艺。c h i h f uy a n g 等1 4 8 】研究了z n 2 2 a 1 合金的室温高应变速率超塑性。他们将制得的铸 锭在3 8 0 下均匀化退火4 8 小时后进行轧制，然后在3 8 0 下固溶l 小时，之后淬火、 时效，最后分别在1 0 、室温和5 0 下进行e c a p 8 道次。其中时效工艺有两种，一种 是在1 0 于酒精中放置2 4 小时；另一种是在前者的基础上再在2 5 0 于油中时效2 4 小 时。研究发现，两步时效的合金晶粒尺寸要大于一步时效，其相应的性能也不如前者。 对于经过一步时效后不同温度下e c a p 8 道次的试样，在应变速率为1 0 x 1 0 之s 1 的情况 下，5 0 挤压后的试样室温下的超塑性能要比1 0 的好，前者的延伸率为2 5 0 ，应变 速率敏感指数为0 6 ，而后者分别为1 8 0 和0 4 。该研究一方面说明不同的时效处理对 z n - 2 2 a 1 合金的超塑性有重要影响，时效温度越低，相同条件下所表现的超塑性能越好； 另一方面也说明在较高温度下对合金进行e c a p 对之后的超塑变形有利。p r a v e e nk u m a r 等【4 9 j 还研究了2 0 0 下e c a p 不同道次之后晶粒尺寸的变化。结果发现晶粒平均直径随 着挤压道次的增加先降低后升高，在8 道次之后出现最小值。该研究将z n - 2 2 a l 合金的 室温超塑性有提到了一个新高度，即经过1 2 道次e c a p ，在应变速率为1 0 x 1 0 3 s d 时， 合金的延伸率达到约2 8 0 。即使应变速率提高到1 0 x 1 0 之s - 1 时，延伸率也达1 4 0 ，而 相同条件下未经e c a p 的合金的延伸率分别为1 7 0 和8 0 。可以看出经过e c a p 后的 z n 2 2 a 1 合金室温下也具有超塑性，而且在相同条件下比未经e c a p 的合金表现出较低 的流变应力和较好的超塑性能。s h a oh u ax i a 等【5 0 j 对z n 2 2 a 1 合金的室温超塑性作了进 一步的发展。实验采取了三种不同的工艺，第一种是在3 6 0 下保温2 4 小时后，将试样 淬火、室温时效7 2 小时；第二种是在3 6 0 0 c 下保温2 4 小时后，将试样淬火，紧接着在 室温下e c a p 8 道次；第三种是在第一种工艺的基础上再在7 0 下作冷轧处理。结果发 现工艺一得到的晶粒平均直径为0 3 5 1 x r n ，工艺二的为0 5 5 i t m ，工艺三的为0 2 5 1 x m 。三 种工艺下在应变速率为1 0 x 1 0 之s - 1 时，测得应变速率敏感指数均大于0 3 。室温下在应变 速率为4 0 x 1 0 。3 s 1 时，工艺二和三处理后试样的延伸率较大，分别为3 3 5 4 - 8 和3 1 5 4 - 5 ， 这比t e r e n c eql a n g d o n 得到的研究结果提高了大约1 0 ，而且应变速率也提高大约4 倍。 目前为止，z n 一2 2 a 1 合金的室温超塑性的研究已经取得了初步的成果。对这些研究 成果进行推广应用，转化为现实生产力具有重要意义。在这一方面，日本的一些学者走 在了前头，尤其是在高层建筑的减震应用方面，自2 0 0 2 年就开始了具有积极意义的研 究与探索工作。 1 5 3z n - 2 2 a ! 合金的低周疲劳性能研究 我国是地震多发国家，地震的发生可以给人类社会带来灾难性的后果。尤其是发生 在最近的玉树和汶川大地震，对当地人们的生产生活造成了非常严重的危害。表1 1 列 8 硕士论文室温超塑性z n - 2 2w t a i 合金制各及力学性能研究 出了2 0 世纪以来我国造成死亡人数超过5 0 0 0 人的地震记录。为了减轻地震带来的灾害， 必须控制高层建筑、桥梁以及塔吊等体系的地震反应，适当调节建筑物的刚度。使结构 部件在地震时进入塑性状态，并具能够进行大量塑性变形，以耗散震动能量，减轻地震 反应，允许结构物有裂纹发生，但尽量避免倒塌，以尽量减少损失1 5 。地震时应变振幅 至少在士3 ，应变速率大于1 0 。3 s - 1 ，阻尼器承受拉压变形。一般说来，建筑结构常用减 震材料是低屈服点钢和p b 。然而低屈服点钢刚在每次地震后会出现加工硬化和疲劳腐 蚀现象，一次大地震后屈服应力可由1 2 5m p a 上升到1 8 0m p a ，因此用低屈服点钢做成 的阻尼器在每次地震后由于加工硬化现象都得需要维修。p b 材料没有热稳定性，而且 对人体健康有害。 表1 1 中国大地震记录表 z n 2 2 a 1 属于细晶超塑合金。细晶超塑性合金具有非常高的延展性和很低的变形抗 力，在室温下特别是在超塑性温度附近具有很好的减震效果，这主要是因其组织中较多 的晶界对振动波和声波传递的阻碍作用，但由于其强度低，故最好与强度较高的结构材 料结合制成复合材料。t s u t o m ut a n a k a 等【5 孓5 5 j 对共析z n 舢合金用于减震装置的超塑成 型工艺进行了研究。对具有超塑性的z n 2 2 a 1 合金在2 0 0 下以5 m m m i n 的速度进行液 压锻造得到的制件室温下延伸率可达3 4 0 ，为工程的实际应用提供了理论依据。他们 设计出了一个多工作点的z n a i 剪切变形板，用于防止减震装置的局部变形。另外还设 计出了民用减震零件，通过模拟地震环境下的服役性能，找出最佳外形设计并得出以下 结论：板状件比棒状件的生命周期更长，远超过2 0 次循环。作者发现将z n 2 2 a 1 板状 零件用于强烈地震运动中地震结构变细的环境下是有效的；通过有限元模拟发现在工作 部分的两面发生应力和应变集中，高温下由于低的变形应力影响会扩展到连接部分；工 作部分的组织和力学性能和使用态几乎一致。t s u t o m ut a n a k a 5 6 j 发现z n 2 2 a 1 合金在高 应变振幅( 士5 ) 进行低周疲劳实验时，疲劳寿命要比其他材料的长。该材料的疲劳裂纹 扩展速率比其他材料的低。在断裂端面发现有孔洞和裂纹分支，这是为了缓解在变形过 程中的应力集中而产生的，从而降低了裂纹传播的的速率，提高了疲劳寿命。t s u t o m u t a n a k a 5 7 1 研究了轧制和挤压后z n 2 2 a 1 的力学性能和微观组织对低周疲劳的影响。结果 发现，低周疲劳寿命明显依赖于组织结构，挤压获得具有等轴晶组织的试样要比轧制获 9 l 绪论 硕七论文 得的具有偏析相，层片结构的等轴晶组织的试样呈现更长的疲劳寿命。轧制后的合金疲 劳裂纹萌生于偏析相界、片层组织以及等轴晶粒之间；并沿着内部界面扩展。对于挤压 后的合金，相反的是裂纹的萌生对试样的表面波纹较敏感，且断裂截面有凹坑。轧制后 的材料室温下在应变速率为1 0 。2 s 1 时延伸率为7 5 左右，流变应力在3 0 0 m p a 左右，仍 可满足工程应用的要求。 国内的关于z n 2 2 a 1 合金的应用研究也逐渐展开。高光割5 2 】等通过对z n 2 2 a 1 合金 的阻尼特性的研究，发现该系列合金具有优良的阻尼性能。在o 1 1 0 h z 频率，2 x 1 0 。6 应变振幅下，z n - a 1 合金的室温内耗较普通铸铝合金z l l 0 4 高5 3 0 余倍。而且合金的 阻尼值随着温度上升而提高。这是z n - a i 系合金在高温下界面