（材料学专业论文）元素sb及热挤压对az31合金组织与性能的影响.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文对t 6 态和热挤压态不同含s b 量a z 3 1 合金进行室温及高温力学性能测试，并 采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜对不同状态合金进行组织形貌观察，位错组态的 衍衬分析，研究了元素s b 及热挤压对a z 3 1 合金组织与性能的影响。 结果表明：a z 3 1 合金经元素s b 合金化后，其合金由o g - m g 基体、m g t t a l l 2 和 m g a s b 2 相组成，其中高熔点的粒状m g a s b 2 相均匀分布在合金的基体中，可明显改善 合金的力学性能。随元素s b 含量的提高，a z 3 1 合金的室温及高温力学性能增加，当 s b 含量增加到o 8 4 ，经t 6 处理的该合金其室温抗拉强度由2 2 2 m p a 提高到2 9 7 m p a ， 提高幅度达3 3 8 。 经热挤压处理可明显改善a z 3 1 合金和a z 3 1 0 2 5 s b 合金的室温及高温力学性 能，随挤压温度降低，合金的抗拉强度及屈服强度提高。经3 6 0 x 2 挤压后，a z 3 1 合金 的抗拉强度由2 2 2 m p a 提高到2 7 6 9 m p a ，提高幅度达2 4 7 ；屈服强度由9 4 m p a 提 高到2 1 0 7 m p a ，提高幅度达1 5 0 8 。a z 3 1 0 2 5 s b 合金经2 2 0 热挤压及时效处理 后，室温抗拉强度由2 6 3 m p a 提高到2 9 7 6 m p a ；屈服强度由9 6 m p a 提高到2 2 2 1 m p a ， 提高幅度达1 3 1 4 。 经挤压处理可明显改善合金力学性能的原因是挤压期间发生的形变硬化及动态 再结晶，形变产生的高密度位错产生形变硬化效应，时效期间弥散析出的第二相具有 弥散强化作用；而挤压期间发生的动态再结晶具有明显的细化晶粒作用，可有效提高 合金的屈服强度。 a z 3 1 s b 合金在室温及高温瞬时拉伸的变形特征是孪晶变形和孪晶内的位错滑 移，其中a 位错沿基面滑移，a + c 位错沿锥面滑移是位错滑移变形的主要机制；在 1 5 0 拉伸期间的变形特征为a 位错沿基面滑移，a + c 位错沿柱面和半锥面滑移。 关键词：a 7 _ 3 1 合金，微量元素s b ，热挤压处理，组织结构，力学性能 元素s b 及热挤压对a z 3 1 合金组织与性能的影响 i n f l u e n c e so fe l e m e n ts ba n dh o te x t r u s i o nt r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 31a l l o y s a b s t r a c t i nt h ep a p e r , t h ei n f l u e n c e so ft h ee l e m e n ts ba n dh o te x t r u s i o nt r e a t m e n t0 1 1 m 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 fa z 31a l l o yw i t ht 6a n de x u m d e ds t a t e sa r e i n v e s t i g a t e db ym c a 1 揸o fo m 、s e m 、t e mo b s e r v a t i o na n dm c a s u r 鼬e n to fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s r e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o 舭o fa z 3 1a l l o y sw h i c hi sa l l o y e dw i t ht h ee l e m e n t s bc o n s i s t so fa - m gm a l f i x ，m g l t a h 2a n dm 9 3 s b 2p h a s e sw h i c hh a v eh i g l lm e l t i n gp o i n ta n d 8 1 ed i s p e r s e d l yp r e c i p i t a t e di nt h em a t r i x ，w h i c hm a yo b v i o u s l yi m p r o v et h ep r o p e r t i e so f a l l o y s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 3 1m l o y sa tr ta n dh i 。g l lt e m p e r a t u r ec a nb e e n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ee l e m e n ts b t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t h ( u t s ) o f a z 3 1 a l l o yw i t ht 6t r e a t m e n ta tr ti se n h a n c e dt o2 9 7 m p af i o m2 2 2 m p a a st h ec o n t e n to f e l e m e n t s bi si n c r e a s e dt oo 8 4 ( w t ) c o m p a r e dw i t ha z 3 1a l l o y ，t h ee x t e n to f t h ei n c r e a s e du t si s u p t o3 3 8 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 3 1a n da z 3 1 - 0 2 5 s ba l l o y sa tr ta n dh i g h t e m p e r a t u r ec a nb ee f f e c t i v e l yi m p r o v e db ym e a n so fh o te x t r u d i n gt r e a t m e n t , a n dt h eu t s a n dy t so ft h ea l l o yi n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fe x t r u d i n gt e m p e r a t u r e a f t e re x t r u d e da t 3 6 0 t h eu t so f a z 31a l l o ya tr ti si n c r e a s e dt o2 7 6 9 m p af t o m2 2 2 m p a a n dy t so f t h e o n ei si n c r e a s e dt o2 1 0 7 m p af r o m8 4 m p a t h ee x t e n to f t h ei n c r e a s e du t si su pt o1 5 0 8 b ym e a l 峪o f e x t r u d e da t 2 2 0 ( 2a g e i n gt r e a t m e n ta t1 8 0 t h eu t so f a z 3 1 - 0 2 5 s ba l l o y a tr ti n c r e a s e st o2 9 7 6m p af r o m2 6 3 m p a , a n dt h ey t so f t h e0 1 1 0a tr ti n c r e a s e st o2 2 2 1 m p af r o m9 6 m p a ，s ot h a tt h ee x t e n to f t h ei n c r e a s e du t si su pt o1 3 1 4 t h em a i nr e 冶l s o l l $ t h a tt 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 sa r ei m p r o v e db ye x u d i n g t r e a t m e n t 黜a t t r i b u t e dt ot h ed e f o r m a t i o ns t 蚴g t h e n i n ga n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n o c c u r r e dd u r i n ge x t r u d e dt r e a t m c a t t h ef a c tt h a tt h ed e n s e rd i s l o c a t i o n sc o m ef r o md l l r i i l g d e f o r m a t i o nm a yr e s u l ti nt h ee f f e c to fd e f o r m a t i o ns t r e n g t h e n i n g , a n d8 0 m eo ft h ef i n e r p a r t i c l ep r e c i p i t a t e dd u r i n ga g e i n gd i s p l a ya no b v i o u se f f e c to fs e c o n dp h a s es t r e n g t h e n i n g i nt h ef 删l g t , t h ef a c tt h a tt h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no c c l l l 苫d u r i n gh o te x t r u s i o np o s s e s s e s i i 沈阳工业大学硕士学位论文 a no b v i o u se f f e c to fd e c r e a s i n gg r a m ss i z e ，w h i c hm a ye f f e c t i v e l ye n h a n c 屺t h ey t so ft h e a l l o y s t h ed e f o r m a t i o nf e a t u r e so f a z 3 1 - s bm l o y sd u r i n gt e n s i l ed e f o r m a t i o na tr ta n dh i g l l t e m p e r a t u r ea r et h a tt h et w i n n i n gd e f o r m a t i o na n dd i s l o c a t i o ns l i p p i n gi n t h et w i n s t h e r e i n t o ， t h em a i nm e c h a n i s m so fd e f o r m a t i o na r e 垒d i s l o c a t i o ns l i p p i n go nt h eb a s a lp l a n ea n da + e d i s l o c a t i o ns l i p p i n go np y r a m i d a lp l a n e s t h em a i nf e a t u r e so ft e n s i l ed e f o r m a t i o na t1 5 0 a r ead i s l o c a t i o ns l i p p i n go nt h eb a s a lp l a n ea n da + cd i s l o c a t i o ns l i p p i n g0 1 1p r i s mp l a n e s a n d h a t f p y r a l i l i d a lp l a n e s k e yw o r d s ：a t e la h o y ，t r a c ee l e m e n ts b , h o te x t r u s i o nt r e a t m e n t , m i e r o s t r u e t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：互垃日期：抖多、f ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，e p 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布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论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：( 囝专鹰 沈阳工业大学硕士学位论文 l 引言 1 1 镁合金的特点及发展概况 镁是元素周期系中的第三周期第族化学元素。原子系数为1 2 ，原子量为2 4 3 2 ， 电子结构为l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 。晶体结构为密排六方，在2 5 c 时的晶格常数为a = 0 3 2 0 2 n m ， c = 0 5 1 9 9 n m ；晶胞的轴比为d a = 1 6 2 3 7 。配位数等于1 2 时的原子半径为0 1 6 2 r i m 。通 常所说的镁基材料大多是指商业化的镁及其合金，实际上还包括正在开发的镁合金和镁 基复合材料。这些材料的共同特点是；质轻、抗震、高导热性、抗电磁干扰和易于回收 等阍。 镁舍金在地壳中的储藏量极其丰富，约占地壳总量的2 1 ，一般从海水或矿石中 提炼。由于镁的化学性质比较活泼，在自然界中仅以化合物形态存在，这给纯镁的冶炼 技术带来很大困难，所以，镁在工业中的应用较晚1 6 1 。镁矿物质大致可分为硅酸盐、碳 酸盐、氯化物及硫酸盐四大类。镁的化合物不仅广泛分布于陆地，还大量的蕴藏在海水、 盐泉和湖泊中。在我国镁矿资源十分丰富，菱镁矿的质量和储量均居世界第一位，主要 分布在辽宁、山东、四川、河北等地。我国白云石资源丰富，品质优良，产地几乎遍及 各省，是硅热法( 又称为皮江法) 炼镁的原料。此外，我国很多内陆湖均有丰富的卤水 资源，海水中的镁更是取之不尽，用之不竭的天然资源。海水中提炼镁的方法如图1 1 所示。 由于镁属密排六方晶体结构，主要滑移面为基面，可开动的滑移系较少，虽然镁单 晶在取向有利时，伸长率可达1 0 0 ，但对多晶镁，室温和低温塑性仍较低，容易脆断； 当温度提高到1 5 0 2 2 5 ，则柱面 l o l o 和锥面 1 0 1 1 也参与滑移，因而高温塑性较好， 可进行各类形式的热变形加工。镁除了以位错滑移方式进行塑性变形外，孪晶变形也起 重要的作用，主要孪晶面是 1 0 12 和 l o l3 【7 研。 镁的熔点为6 5 1 ，与铝的熔点相近，镁的质量比铝轻，密度仅是铝的1 3 。镁的电 化学活性很强，电动序在常用金属中占最低一位。所以，镁的耐蚀性很差。镁在潮气、 元素s b 及热挤压对a z 3 1 合金组织与性能的影响 园墼 i 电解 网 1 _ j 图1 1 海水提炼镁流程图 f i g 1 1p r o r 蝴u r e so f e 舭gm gf o r ms e a w a t e r 淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀，而与其它金属接触时，会发生接触腐蚀。 固态镁易发生氧化，熔镁则易发生燃烧 9 1 。纯镁是柔软可锻的金属，镁中所含的杂质大 多数对镁的机械性能有不良影响。 在工业中，纯镁除了少部分用于化学工业、仪表生产及军事工业外，主要用于生产 镁合金，及制备镁铝中间合金。目前世界上的原镁产量约有5 0 用于生产镁合金，3 3 用于生产铝合金。其余的原料镁在生产某些合金时，作为还原剂、脱氧剂及变质剂等应 用。镁合金具有远大于其它合金的减震能力。例如镁合金k i a ( 含o 7 锆) 在2 0 时 的减震能力不仅高于铝合金，而且是灰口铸铁的4 6 倍。此外，镁合金具有比强度高、 阻尼性、铸造性能好等优点【仲1 2 1 。因此，镁合金很适宜于作为结构材料应用，并且被认 为是当前应用中最轻的金属结构材料，目前原料镁主要在如下领域获得应用：5 3 4 用 于生产铝合金，1 9 1 用于生产镁合金，1 1 o 用于制作化学用品及还原剂，9 3 用于炼 钢脱硫，4 7 用于生产球墨铸铁，2 5 在其它场合应用【5 1 1 】。 镁元素在一百多年前已被科学家发现，但是长久以来并未成为人类文明中所使用的 主要金属结构材料。其主要原因是难以使用一般的还原手段提炼镁金属，不论使用何种 方法提炼纯镁( 9 9 8 哆，皆需要大量的能源和电力。因此，虽然目前的技术已经能提炼 大量的镁金属，但成本很高，使得生产镁金属的价格约为生产铝金属的两倍以上。这是 镁金属成为主要结构用材的障碍之一嘲。除此之外，镁合金的铸造技术较铝合金特殊， 回 回 沈阳工业大学硕士学位论文 其耐蚀性也较差，因而自始至终，各国投入研究的规模及工业应用的技术积累较少，这 些均使镁合金的成分设计、合金的系统性知识远不如其它结构金属材料【1 3 1 。 但镁合金的全球市场，历经多年的发展，其市场规模，长远而言，呈逐渐扩大的趋 势。目前，有关镁合金的应用和新产品的开发已经成为北美和欧洲的跨世纪研究热点， 同时也引起了亚洲一些国家和地区的广泛关注，如日本、韩国和台湾等。据美，欧专家 预测，这些国家和地区的镁合金的需求量还将持续增长，其发展趋势之所以如此，主要 在于镁合金的应用对现代化的社会发展具有重要意义。继国际镁合金协会成立之后， 1 9 9 6 年成立了欧洲镁合金协会，并规定：每年9 月至1 0 月召开一次镁合金在汽车工业 中应用的学术会议和产品博览会。同年，德国投资2 4 0 0 万马克，阿伦专科工业大学， 慕尼黑工业大学，杜易斯堡大学和多特蒙得大学以及大众汽车公司等5 7 家工厂展开了 代号为m a d i c a ( m a g n e s i u md i ec a s t i n g ) 的联合公关项目，内容从模具制造、高压铸 造、半固态成型、焊接、机械加工到表面处理以及废品回收等，目的是保证德国汽车工 业在今后很长一段时间内继续处于领先地位1 1 4 1 。 镁合金作为商业产品被认为是与铝合金同时问世于1 9 8 6 年，但一直到第一次世界 大战时镁合金的应用才开始普遍。在第二次世界大战期间，镁的用量再次急剧增加。战 争中，作为结构用材的镁合金仅限于军事用途，主要应用在飞机上，例如：发动机部件， 框架及起落架【1 5 1 。和平年代，北美和欧洲对镁合金的研究与应用从未间断过，镁合金的 应用范围也从单纯的飞机制造扩展到汽车，照相机，机器人，体育用品和办公用品等其 它行业上来了。由于镁合金的诸多优点，以及比较高的性能价格比，使得它在许多领域 取代了铝合金成为结构材料，特别是汽车上的应用更为广泛d 6 q 羽。 在镁的初级产品应用上，中国近几年也有所突破。2 0 0 3 年中国镁的消费量为5 1 2 k t ， 总量不大，但增长较侠，较上年增长2 7 1 8 。其中以镁作为铝合金的添加元素为例； 2 0 0 3 年用镁2 1 k t ，占总消费的4 1 ；镁粉用于钢铁脱硫：2 0 0 3 年用镁8 0 0 0 t 。占总消费 的1 5 6 2 ；镁合金用于压铸件：2 0 0 3 年用镁1 0 2 0 0 t ，占总消费的1 9 9 2 。中国镁合金 的优势还被国内许多企业所认识，在汽车、摩托车和3 c 产业中镁合金产品或零部件已 经开始获得应用。例如，为上海大众生产的汽车配套的变速箱上下壳体，年消耗镁合金 元素s b 及热挤压对a z 3 1 合金组织与性能的影响 2 5 0 0 t ；青岛金谷镁业生产的手机、p d a 外壳、c d 机、m p 3 、便携d v d 、对讲机外壳 等8 类3 c 产品的年产量达2 0 0 万件等。除此之外，分布在广东、江苏等地的为3 c 产 品配套的镁合金压铸厂受香港，台湾两地从资金投入、技术支撑、市场开拓以及管理的 介入等全方位的激发和拉动，发展较快。图1 2 所示为镁合金的发展趋势【1 9 1 图1 2 镁合金的发展趋势 f i g 1 2d e v e l e p m e n tt r e n do f m a g n e s i u ma l l o y s 1 0 多年来，中国镁工业以年均3 7 的增长率迅速发展，成为世界镁生产大国、出 口大国，也给中国经济发展带来无限生机。但是，快速发展的同时，带来一些问题：如 工艺简单，技术装备落后，环境恶劣，资源、能源浪费比较严重，产品质量不够稳定等。 这些问题必将给镁业良性发展带来严重后果。因此，急需以新技术和先进装备改造和提 升镁冶炼；以科学发展观，全面创新，建立科技型、环保型、效益型的机械化、自动化 的“新型镁冶炼示范企业”。生产优质镁合金，以带动和影响镁冶炼行业健康有序地发展。 在镁产业发展战略上做到完善宏观战略决策体系，建立镁及镁产业发展的目标选择与动 态调整机制；建立经济、科技部门信息共享机制，加强产业政策、技术政策和投资机制 之间的协调：实施知识产权战略，加速国家标准的制定与推广，加速标准国际化；加强 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 “官产学研”协调合作，充分发挥人的创造力，培养多层次高素质创新人才；重视国际合 作，加强自主创新，突出区域比较优势，培育高新技术型产业集群和增长级。 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒和型 材，国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行大力开发， 因此，研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料显得十分重要。 镁合金重量轻，强度不高但具有很高的比强度、比刚度和比弹性模量，且具有极好 的切削加工性能。但是，以往除了在航空航天领域，镁合金并没有像铝合金那样得到广 泛的应用。近年来，随着汽车工业和电子工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降 低能源消耗和减少污染( 包括汽车尾气和废旧塑料) ，提出了更迫切的要求。为了解决 以上闯题，人们将目光投向了镁合金，使镁合金的基础研究和开发取得了很大的发展； 同时，生产出大量镁合金零部件以代替塑料、铝合金，甚至钢制零件。预计镁合金将成 为本世纪最重要的商用轻质材料刚。汽车中典型的镁合金构件的重量如表1 1 所示。 表1 1 汽车中典型的镁合金构件的重量 t a b 1 1w e i g h to f m g a l l o y ss t r u c t u r ec o m p o n e n ti nm o t o rv e h i c l e s 构件名称估计重量( 以中型轿车为例) ，k g 仪表盘 保险杠 支柱及托盘 前座椅架 电子控制箱 传动齿轮箱 汽缸头盖 油盘 踏板之架 轮圈 驾驶盘 2 o 5 0 2 5 4 5 1 o _ 2 o 1 8 o - 2 4 0 o 2 o 7 8 0 1 2 o o 5 1 o o 8 1 ，2 1 o 1 8 1 4 o 1 6 o 0 3 o 5 元素s b 及热挤压对a z 3 1 合金组织与性能的影响 1 2 镁合金的强化原理 1 2 1 固溶时效硬化原理 通过对m g - a 1 合金相图的研究，同样可以解决合金力学性能发生变化的原因【2 l 】。 m g - a i 系共晶温度为4 3 7 。c ，共晶成分为m g + m g l 7 a i l 2 ，m g l 7 a 1 1 2 相具有立方晶体结构， 4 3 7 时铝在镁中的溶解度为1 2 6 ，并随温度下降而迅速减少；4 0 0 时约1 0 ，3 0 0 时约6 ，2 0 0 c 时约3 1 ，1 5 0 c 时约2 3 ，室温下约1 5 。经固溶时效处理后，m g l t 舢1 2 弥散析出，有一定的强化作用。由于铝在镁中的固溶度随温度下降具有明显的变化，因 此利用淬火处理可获得过饱和固溶体。在随后的时效过程中过饱和固溶体不经过任何中 间阶段直接析出非共格的平衡相m g l 7 a i l 2 ，不存在预沉淀阶段或过渡相。但m g l t a i l 2 相在形成方式上有两种类型，即连续析出和非连续析出，它们在机制上有原则差异。在 一般情况下，这两种析出方式是共存的，但通常以非连续析出为先导，然后再进行连续 析出 2 2 1 ，因为前者在能量上更为有利。 1 2 2 晶界强化 晶界处因晶格缺陷较多使原子扩散迁移速度加快，导致晶界强度降低。强化品界的 措施有：( 1 ) 在晶界处形成大量细小析出硬化相；( 2 ) 增大晶粒尺寸以增大原子扩散距 离，但根据h a l l p e t c h 效应，增大晶粒尺寸会降低合金的力学性能：( 3 ) 加入富集于晶 粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界处的晶格空位、改善晶界附近的组织形 态。已发现表面活性元素如c e 、c a 、s r 、b a 和s b 能改善镁合金的高温性能例。此外， 晶界处铸造缺陷( 如m g - a i 基合金的缩松等) 使镁合金的蠕变强度大大降低，消除此类缺 陷对改善高温性能亦非常重要。 根据两元镁合金的力学性能，合金元素可分为三类：( 1 ) 即提高强度又提高韧性的 元素，按作用效果依次增强的顺序为灿、z n 、c a 、a g 、c e 、g a 、n i 、c u 、t h ( 强度) ： t h 、g a 、z n 、a g 、c e 、c a 、a i 、n i 、c u ( 韧性) ；( 2 ) 提高韧性但强化能力较低的元 素为c d 、1 1 和l i ；( 3 ) 具有较好的强化效果，但牺牲韧性的元素为s n 、p b 、b i 和s b 田】。 1 2 3 时效强化机理 时效处理是合金工件在经固溶处理后在室温、或加热到一定温度下保温，使其在金 属过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区、并脱溶析出微粒弥散分布于合金基体中的一种 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 处理工艺，以达到沉淀硬化、改善材料性能的目的。时效强化机理可以按位错通过析出 相的方式不同分为三类：内应变强化、切过颗粒强化、绕过析出相。 位错绕过析出相：当第二相是坚硬的微粒，分布在基体相的晶粒上时，就成为位错 运动的障碍。在位错与微粒之间的交互作用大到足以使位错停止在微粒前时，继续增加 外力，会使位错线弓出、使领先位错呈现弯曲形状，当应力继续增大时，位错就绕过微 粒，继而弯曲成环，留在微粒周围。然后伸直的位错才得以继续向前运动。由于位错被 弯曲而变长，并留下位错环，都需要外力作功。同时位错环会与后续的同号位错发生交 互作用，阻碍后续位错的运动。这些都大大提高了使位错滑移所需要的切应力，引起强 化。这一机制是奥罗万( o r o w a n ) 于1 9 4 8 年首先提出的，故通常称为奥罗万机制，它 已为实验所证实。奥罗万机制示意图如图1 3 所示。 = 30 圣 干暑0 蚕 图1 3 奥罗万机制示意图 f i g 1 3s c h e m a t i c d i a g r a m o f o r o w a n m e c h e n i s m 1 3 镁合金的晶粒细化及热处理 1 3 1 镁合金的晶粒细化 变形镁合金比铸造镁合金具有更优良的性能，更多样的型式，更高的生产率，更便 于连续化、自动化，因此研究变形镁合金及其晶粒细化具有十分重要的实际意义和理论 价值。晶粒细化不仅可以提高材料的强度而且可以提高塑性 3 0 1 。晶粒细化可分为两方面， 一7 一 元素s b 及热挤压对a z 3 1 合金组织与性能的影响 一方面是铸态晶粒的细化，另一方面是变形态晶粒的细化。材料的屈服强度与晶粒尺寸 有关，其关系式服从h a l l p e r c h 公式阅：o s = a o + k d m ，式中的o s 为屈服强度，0 0 为 位错在基体中运动的总阻力，亦称摩擦阻力。k 为度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数， 或表示滑移带端部的盈利集中系数。d 为晶粒平均直径。h a l l p e t e h 公式中的0 0 、k ， 在一定试验温度和应变速率下均为材料的常数。 镁合金的热挤压变形过程中，发生动态再结晶。动态再结晶晶粒大小的自然对数与 z 值的自然对数成线性关系，即i n d = - 0 3 4 3 l n z + 1 1 0 5 9 。镁合金适宜的挤压温度 3 0 0 3 5 0 ，挤压比在1 5 3 0 之间，挤压速度为o 7 6 8 m r a i n ，挤压态的平均晶粒尺寸可 控制在1 0 - 2 0 t a m 之内。当挤压比大子1 0 0 时，可获得细晶镁合金挤压薄板，其晶粒尺 寸为2 5 1 2 5 t t r a ；大挤压比+ 轧制可获得平均晶粒尺寸小于5 t t m 的细晶镁合金薄板。 1 3 2 镁合金的热处理 对于某些镁合金，性能的改进几乎完全决定于热处理，而其中的一个主要强化手段 就是固溶加时效处理。以a z 9 1 h p 为例与压铸态相比，a z 9 1 h p 合金经固溶处理后，屈 服强度减低1 5 ，延伸率增加1 2 0 0 - 1 5 0 ，抗拉强度可提高1 0 - 1 5 1 2 6 1 ，经人工时效 处理后，屈服和抗拉强度可提高2 0 - 2 5 ，硬度提高3 0 。而采用砂型铸造的z c 6 3 合 金在时效状态下，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到2 4 0 m p a 、1 4 5 m p a 和5 ， 高于m g a 1 z n 系合金的a z g l 。z k 5 1 在t 5 状态下的抗拉强度、屈服强度和伸长率分 别为2 3 5 m p a 、1 4 0 m p a 和5 ，z k 6 1 在1 5 状态下的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别 为2 7 5 m p a 、1 7 5m p a 和5 2 7 ，2 8 1 。经固溶时效强化处理后，镁合金性能有显著提高。因 此，热处理是镁合金强化的主要手段之一。 1 4 合金元素对镁合金的影响 ( i ) s b 对镁合金显微组织与力学性能的影响 为提高m g 合金的高温性能，大多采用r e 、a g 、y 、等价格昂贵金属进行合金化嗍 有文献报道，镁合金中加入第、v 族元素可提高a z 9 1 合金的室温和高温性能【3 0 】，但 s b 对a z 9 1 合金组织与性能的影响报道较少，下面简单介绍一下 3 1 , 3 2 。 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 铸态a z 9 1 的组织结构是由o t - m g 基体和沿晶界分布的颗粒相所组成，根据 m g a j - z n 三元相图分析，沿晶界析出的颗粒相为m g l 7 a l l 2 相。随合金元素s b 的加入， 合金的铸态组织发生了明显的变化，原来合金凝固时形成的铸态树枝晶变得更细小、弥 散，同时生成了一些细小、均匀的层片状或条状共晶体。铸态a z 9 1 合金经过4 2 0 ， 1 2 h 的固溶处理后，m g l 7 a i l 2 相熔入基体中，其组织为单一的过饱和固溶体。在经过2 0 0 ，8 h 的时效处理后m g l 7 a i l 2 相从固溶体中析出，形成细小弥散次生相。加入元素s b 后，合金中除了具有m g l t a l l 2 相外，还出现了m g a s b 2 相分布在晶内和晶界处。 s b 加入a z 9 1 合金后，可降低a i 、z n 、m n 等元素在合金中溶解度，致使合金中有 更多的m g l 7 a 1 1 2 和m 9 3 s b 2 相析出，同时也改善了析出相形貌和分布，使原a z 9 1 合金 中的层片状、或条状m g l 7 a 1 1 2 相转变成粒状，故可有效提高合金的力学性能。在m g - a 1 合金系中，由于m g l 7 a 1 1 2 相的熔点只有4 3 7 c ，热稳定性较差，其中m g l 7 a i , 2 相沿晶界 连续分布、引起晶界弱化，并促使裂纹沿晶界扩展，发生韧性沿晶断裂是致使该合金系 降低高温性能的主要原因口3 1 。含s b 镁合金中，析出的高熔点m 9 3 s b 2 相( 熔点为 1 2 4 5 c 0 4 1 ) 具有较高的热稳定性，当加热至3 0 0 ，m g o s b 2 相的硬度只降低约4 0 ，并 在高温变形期间可有效地阻碍位错运动及晶内滑移，因此，含s b 合金表现出较好的高 温力学性能。a z g l 合金在室温的抗拉强度是2 2 2 m p a ，a z 9 1 0 3 5 s b 合金的抗拉强度 是2 6 4 m p a ；a z 9 1 合金在室温的屈服强度是1 0 6 m p a ，a z 9 1 0 3 5 s b 合金的屈服强度 是1 7 2 m p aa z 9 1 0 3 5 s b 合金的强化机制是固溶强化和第二相强化的综合作用。 ( 2 ) s i 、y 对铸造镁合金组织性能的影响 含l a 、c e 的混合稀土是用来提高镁合金高温性能的重要元素 3 5 - 3 7 1 ，但以往开发的 稀土耐热镁合金中稀土含量普遍较高，造成了合金材料的生产成本过高，限制了其在汽 车行业中的大量应用。添加适量的s i 、y 来改善合金的力学性能，尤其是高温力学性能， 旨在研究开发新型的低成本、并具有良好力学性能的耐热镁合金，借以推动镁合金在汽 车行业中的广泛应用。m g 6 0 z n - 1 5 a i 合金中加入s i 时，组织中析出高熔点m 9 2 s i 强 化相，能在一定程度上提高合金的强度和硬度，尤其是高温强度得到明显改善，但易造 成合金韧性的下降。m g 6 0 z n - i 5 a i 合金中加入少量y 时，合金铸态组织得到明显细化， 同时合金的室温强度和高温强度及硬度也有较大提高。m g - 6 0 z n - i 5 a 1 合金中同时加入 元素s b 及热挤压对a z 3 l 合金组织与性能的影响 s i 和y 时，合金的细化效果更加明显。高熔点s i y 颗粒相和m 9 2 s i 颗粒相对合金有更 强的弥散强化作用，合金的室温、高温强度以及硬度得到明显提高，并能保持良好的韧 性。 ( 3 ) 钇及混合稀土对镁铝锌合金组织与性能的影响 镁铝锌合金中添加稀土元素，铸态组织得到细化【3 s 】。稀土元素与铝形成杆状的铝稀 土化合物。铝稀土相熔点较高，当合金凝固的时候，该相将首先结晶析出。弥散分布的 析出相可以作为基体相的异质形核中心，或者被推到结晶前沿，成为阻碍枝晶组织继续 生长的障碍。其结果便是组织得到改善。镁铝锌合金同时存在连续与不连续析出，常常 以不连续析出为先导，然后进行连续析出。发生不连续析出的原因是析出驱动力较大( 过 冷度较大) 和元素的晶界扩散能力较大。发生不连续析出时，m g l 7 a i l 2 相首先在晶界形 核、并呈片状向晶内长大，片层间的a 固溶体同时达到平衡浓度，它们之间呈非共格关 系，析出区与未析出区有明显的界面，也呈现非共格关系，未析出区仍然保持原有的过 饱和状态。不连续析出进行到一定程度后，晶内未转变区开始产生连续析出，析出相也 是m g l 7 a 1 1 2 ，它以片状形式沿着基体的( o 0 0 1 ) 基面生长【3 9 】。此时，产生连续析出的原因 在于时效时间过长，母相中成分较为均匀。 加入到镁铝锌合金中的稀土，绝大部分都消耗在形成铝稀土化合物中，基体中很少。 这些化合物是合金凝固初期生成的，它们对镁合金的凝固和随后的时效析出都有影响。 铝稀土相的生成，一方面，提供了更多的形核机会，使得m g l 7 a 1 1 2 析出相分布更加弥散： 另一方面，消耗了铝的有效浓度，延缓了时效硬化效果，并在一定程度上延缓了时效峰 值的出现时间。稀土元素的表面活性作用使粗大骨骼状镁铝共晶化合物尺寸减小，同时 铝稀土颗粒相的生成增加了异质形核的机会。由于细化了第二相，合金的性能得到了一 定程度上的改善。晶界处形成大量细小杆状铝稀土化合物硬化相，可以起到强化晶界的 作用。这种在凝固过程中产生的弥散相由于具有很高的熔点，而且在基体中的溶解度极 低，具有较高的热稳定性。室温下变形时，由于弥散相和沉淀相都成为位错滑移的障碍， 从而强化了合金。但是杆状铝稀土相对基体有明显的割裂作用，使合金的伸长率降低。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 5 镁合金的挤压技术 金属在挤压变形区中处于强烈的三向压应力状态，可以充分发挥其塑性，提高其变 形能力，获得大变形量，因此，对于塑性较差的镁合金，挤压成形是最容易实现的塑性 变形 4 0 1 。挤压时鲍应力状态为三向压缩，应交状态为两向缩短一向伸长在一般冷挤压以 及温挤压时，沿挤压方向的晶粒应该拉长。但实际上镁合金经挤压变形后的晶粒为等轴 状晶结构，这说明在挤压过程中发生了动态再结晶。 在塑性变形过程中总存在一定的加工硬化，因此金属变形的流变应力会随应变的增 加而增加。当变形温度很低时，应力基本上随应变呈线性增长。当较高温度( d 5 t m ) 变形 时，材料处于高塑性状态，会同时存在加工硬化和回复软化的两个方面的过程。加工硬 化是由于在外加应力作用下，增大了位错密度和由于位错之间的交互作用而形成各种稳 定、非稳定的位错组态，动态回复软化包括：位错密度的降低和位错重新排列成低能量 状态组织【4 “。在热变形过程中，主要的软化过程为动态回复和动态再结晶。镁合金的层 错能较高 4 2 1 ，因此在4 0 0 c 条件下挤压，主要是发生动态再结晶以释放变形能。在热挤 压过程发生动态再结晶后，合金的组织为细小的等轴晶，因此挤压态合金呈现出良好的 力学性能。 由于镁合金在低温下滑移系较少，塑性变形能力差，因此塑性变形多在加热条件下 进行。镁合金典型挤压温度范围是3 0 0 - 4 6 0 。同时，合理的挤压温度还和特定的合金 牌号和挤压形状有关 4 3 1 ，例如，a z 3 1 合金在1 5 0 c 以下即可挤压成形，而a z 6 1 和z k 6 0 合金的挤压温度则必须在1 5 0 以上。此外，镁合金的成型性还受挤压速度的影响，速 度过高会导致表面热裂，研究表明：镁合金的极限挤压速度主要取决于材料的成分。一 般面言，随合金元素含量增多，极限挤压速度降低。图1 4 为极限挤压速度与材料种类 的关系，其中，a m l 0 、a z il 、m 1 和z m 2 1 镁合金挤压速度可达到4 0 m m s 而不开裂【4 3 】 元素s b 及熬挤压对a z 3 1 合金组织与性能的影响 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 l o 5 o 梦梦梦梦梦梦梦梦秽拶 图1 4 极限挤压速度与材料种类的关系 f 培1 4r e l a t i o nb e l w e e n l 9 1 ls p e e da n dt y p eo f m a t e r i a l s 1 6 本试验研究的主要内容 以上综述了镁合金国内外发展现状，及在镁合金研制过程中，与如何提高镁合金力 学性能有关的基础理论方面的问题。由于镁合金的重量轻，具有高的比强度，比刚度和 比弹性模量等特点，越来越得到国内外的生产厂家及研究者所重视，在镁合金以往的研 究中，主要是关于该合金在航天航空领域上的应用，而目前镁合金在汽车工业上的应用 已成为研究与开发的重点。 尽管镁合金已得到应用，但有关变形镁合金和压铸镁合金在室温和高温性能的比 较，报道较少。据此，我们拟对应用较为广泛的m g - a i - z n 系列变形镁合金的力学性能 进行研究，以期对镁合金在室温及高温变形特征及影响力学性能的因素做进一步的探 讨。 镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金，而无论是哪种镁合金在应用中都有微变形， 特别是在高温服役过程中尤其明显，所以在镁合金应用之前，必须对该系列合金的变形 特征进行研究。 本文通过一系列实验对铸态镁合金a z 3 1 、a z 3 1 0 2 5 s b 、a z 3 1 0 4 s b 、 a z 3 1 0 8 4 s b 、以及挤压态a z 3 1 、a z 3 1 0 2 5 s b 合金进行了力学性能测试和组织形 gg勺oqa勺oo扫 沈阳工业大学硕士学位论文 貌观察，研究了s b 对铸态a z 3 1 合金组织与力学性能的影响以及热挤压处理对合金组 织结构及力学性能的影响，并通过t e m 的观察与衍衬分析，对铸态a z 3 1 - 0 8 4 s b 合 金拉伸变形特征、和挤压态a z 3 1 、a z 3 1 0 2 5 s b 合金的挤压变形及拉伸变形特征进行 了研究。 本文的主要研究内容如下： 1 将a z 3 1 、a z 3 1 0 2 5 s b 、a z 3 1 - 0 4 s b 、a z 3 1 0 8 4 s b 进行力学性能测试， 研究元素s b 对t 6 态a z 3 1 合金力学性能的影响； 2 研究元素s b 对t 6 态a z 3 1 合金组织结构的影响； 3 研究热挤压、及时效对含0 、0 2 5 s b a z 3 1 合金组织结构的影响； 4 研究热挤压