（材料物理与化学专业论文）累积叠轧焊法制备超细晶镁合金及组织细化机制研究.pdf

摘要 摘要 本文对a z 9 1 和a z 3 1 镁台会在变形温度为2 0 0 5 0 0 、应变速率为 o 0 0 1 - 1 0s - 条件下的热压缩变形行为进行了研究。在此基础上，采用g l e e b l e 物理模拟和实际轧制方法，对其在累积叠轧焊过程中的组织演变和晶粒细 化的机制进行了研究。 结果表明：a z 9 1 和a z 3 1 镁合金在热压缩变形过程中发生了动态再结 晶。随变形温度的降低或应变速率的增加，峰值应力升高，边裂的倾向增 大，能量消耗效率逐渐降低。适宜的变形工艺为变形温度3 5 0 、应变速 率0 0 ts 一。a z 9 1 和a z 3 1 的热变形激活能分别为8 0 1k j m o l 和6 0 。8k j m o l 。 a z 9 1 和a z 31 镁合金在变形温度3 5 0 、应变速率0 o ls o 和变形量8 0 为工艺条件的累积叠轧焊过程中，晶粒在第一次轧制过程中明显细化，在 随后的叠轧过程中，晶粒细化程度有限，但均匀程度增加，其机制是在多 次叠轧过程中发生了反复动态再结晶。采用a r b 技术成功制备了厚度为 2m m 、平均晶粒尺寸为3g m 、组织均匀的超细晶a z 3 1 镁合金板材。 关键词a z 9 1 镁合金；a z 3 1 镁合金；累积叠轧焊；组织细化：动态再结晶 燕山大学：学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eh o tc o m p r e s s i o nb e h a v i o ro fa z 9 1a n da z 31m a g n e s i m n a l l o ya tt h et e m p e r a t u r eo f2 0 0 5 0 0 a n dt h es t r a i nr a t eo fo 0 0 1 1 0s 。1w e r e i n v e s t i g a t e d i tw a ss h o w nt h a t a st h es t r a i n c o n t i n u o u s l yi n c r e a s e d ，h o t d e f o r m a t i o no fa z 91a n da z 31 a l l o yr e s u l t e d i n d y n a m i cm c r y s t a l l i z a t i o n n e v e r t h e l e s s ，s i n c et h ep e a kf l o ws t r e s sa n dt h ec r a c k i n gs u s g e p t i b i l i t yi n c r e a s e d w i t ht h es t r a i nr a t ea n dr e d u c t i o ni nd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ef e a s i b l e p r o c e s sr e g i m ew a sr e s t r i c t e dt oan a r r o wr a n g e ，f o re x a m p l e ，a tt h et e m p e r a t u r e o f3 5 0 a n dt h es t r a i nr a t eo f0 0 1s 。a sa no p t i m u mo p e r a t i o nf o rap e r f e c t m i c r o s t m c eo fa z 9 1a n da z 31 a l l o y t h e i r a c t i v a t i o n e n e r g y f o rh o t d e f o r m a t i o ni s8 0 1k j t m o l a n d6 0 8k j m o l ，r e p e c f i v e l y t h em i c r o s t r u c t u r e e v o l u a t i o na n dg r a i nr e f i n e m e n tm e c h a n i s mo fa z 9 1a n da z 3 1a l l o yi m p o s e d b yh o tc o m p r e s s i o na n da c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n gw a sa l s oe x a m i n e du s i n g g l e e b l ei s o t h e r m a lc o m p r e s s i o nt e s ta n da c t u a lr o l l i n go p e r a t i o ni nl a bs c a l e i t w a sd i s c o v e r e dt h a td u r i n gt h em u l t i p l ea c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n go fa z 9 1a n d a z 31 a l l o yp e r f o r m e da t3 5 0 a n do 0 1s t h em i c r o s t r u c t u r ew a sm a i n l y r e f i n e di nt h ee a r l i e s to p e r a t i o na n di n c r e a s i n g l yu n i f o r m e du n d e rt h er e m n a n t d e f o r m a t i o n s t h em e c h a n i s mf o rt h eg r a i nr e f i n e m e n ti sa c c u m u l a t i o no f d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n c a u s e db ye a c h d e f o r m a t i o n u l t i m a t e l y ，t h e h o m o g e n e o u s l yg r a i n e da z 3 1m a g n e s i u ma l l o yp l a t ew i t h2m mi nt h i c k n e s s a n d3g r no fg r a i ns i z ei na v e r a g ew a ss u c c e s s f u l l yp r o d u c e db yt h r e e r u n a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n go fac a s t k e y w o r d sa z 9 1m a g n e s i u ma l l o y , a z 3 1m a g n e s i t u na l l o y , a c c u m u l a t i o nr o l l b o n d i n g ，m i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n t ，d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n 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累积叠轧焊法制备超细 晶镁合金及组织细化机制研究，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。 作者签字介薛 隅砷辞川同 燕山大学硕士学位论文使用授权书 累积叠轧焊法制备超细晶镁合金及组织细化机制研究系本人在燕山 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，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相 关人员。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、缩印或其他复制手段保存论文， 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- s 。 本学位论文属于 不保密匝 ( 请在以上相应方框i a 打“4 ”) 作者签名：惹妒薛 r 期：铆辞3 月，日 导师签名同期：伽4 年3 月7 日 所 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 在工业使用的所有结构材料中，镁及其合盒有很多突出的工艺及性能 特点。例如，在镁中加入不同的会属元素能够形成一系列具有各种性能的 合金：镁的密度仅1 7 3 8g c m 一，是密度最小的一种结构金属，镁合金用作 结构件时，具有质量轻、比强度高、减振和抗冲击性能好、易切削加工、 不易老化的优点；熔点低，容易进行热成形，且能耗较低等【1 。鉴于这些特 点，镁及其合金可以广泛应用于汽车、通信、电子、电器、航空、航天、 国防等领域，以满足结构轻量化及环保的需求。因此，镁合金被誉为“2 1 世纪的绿色工程材料”。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源 丰富而同益受到重视，更加刺激了镁工业的发展。因此2 1 世纪是镁合金材 料飞速发展的时代 2 1 。 发达国家已经领导了新世纪镁合金材料发展的新潮流，而我国作为镁 资源大国、生产大国和出口大国，在镁合金的研究方面却还十分薄弱，镁 合金应用的发展非常缓慢，其主要原因是未能很好地解决镁的加工成形问 题和耐腐蚀问题。镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工 成板、带、棒、型材。因此，迫切需要对镁合金的加工技术及相关基础加 以深入的研究。 提高镁合金塑性成形能力的一个重要途径就是最大程度地细化其晶 粒。近年来的研究表明，采用快速凝固、喷射沉积、粉末冶金等先进制备 技术可以显著改善镁的加工成形性能，利用等径角挤压和累积叠轧焊等超 大塑性变形加工技术可以制备出超细晶粒的镁合金。 与上述其他先进制备和加工技术相比，累积叠轧焊技术具有设备简单、 工艺简捷的优点，具备生产宽幄超细晶粒镁合余热轧板卷的潜力，其产品 可以满足大型镁合金深冲件在低温超塑成形和高应变速率超塑成形的要 求，在航空、航天、汽车等重要结构领域具有广阔的运用前景。 燕山大学t 学硕士学位论文 但是，镁合会累积叠轧焊技术还存在一些相关的应用基础问题需要加 以研究，如镁合会在累积轧制过程中组织细化的规律和机制、累积轧制过 程中镁合金的界面反应、累积f l 匍j 过程中镁合金产生界面复合的机制和影 响因素等。 本文主要是对镁合金在累积叠轧焊过程中组织的演变和细化的机制加 以研究。 1 2 镁合金简介 1 2 1 镁合金的特点 镁合金具有以下几个特点1 3 4 j ： ( 1 ) 镁是目前最轻的结构材料之，它在常温下的密度为1 7 4g c ：n 3 ， 在现有的工程用金属中，镁合金密度最小，通常为1 7 5 1 8 5 窟o i 1 1 _ 一，约为 锌的i 4 ，钢的i 5 。 ( 2 ) 镁合金具有高的比强度和比刚度。镁合金的强度接近铝合金，但因 为镁合金密度小，所以镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则接 近铝合金。与工程塑料相比，虽然工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度 最高，但其弹性模量很小，刚度远小于镁合余，且工程塑料难以回收利用。 ( 3 ) 具有良好的铸造性和尺寸稳定性。镁与铁的反应性低，压铸时压铸 模的熔损少，铸模的使用寿命长；镁在单位容量下的热焓低，其压铸速度 可比铝高，且镁铸件的铸造和加工尺寸精度高，可进行高速机械加工，生 产效率高，成本低，适于汽车工业的大批量生产。 f 4 1 具有良好的阻尼系数，吸震性好，有利于减震和降低噪音。镁合金 在受外力时容易产生大的变形，这一特性能使受力构件的应力分布更为均 匀。在一定场合下，除有利于避免过高的应力集中外，在弹性范围内，当 受冲击载荷时，所吸收的能量比铝大一半。镁合金的这个特性与其弹性模 景较低有关，即弹性形变与弹性模量成反比。 f 5 ) 镁在一定条件下可获得满意的耐腐蚀性，在碱性环境下是稳定的， 但在酸性和氯气环境下易腐蚀，在与其它金属材料接触并有电解液存在时 第1 章绪论 镁合金会产生电腐蚀，在汽车零部件应用中也要注意其应力腐蚀。 ( 6 ) 镁合金具有优良的切削加工性能，其切削速度可大大高于其它金属。 切削一定量金属所需的功率，如以镁合金为1 ，则铝合金为1 8 ，铸铁为3 5 ， 低碳钢为6 3 。另一个突出的特点是不需要磨削和抛光，不使用切削即可得 到光洁的表面。此外，镁合金铸件在受冲击和摩擦时不会起火花。 ( 7 ) 具有良好的电磁干扰屏蔽性能。 ( 8 ) 镁合金的化学活性高，与异类金属混合时易发生电解腐蚀和微电池 腐蚀，耐蚀性较差，这在一定程度上限剖了镁合余的使用，世界上一些机 构己对镁合会的腐蚀机理进行研究，并提出了一些行之有效的方法。 ( 9 ) 镁制品的回收成本较低，费用少，回收利用率高。 1 2 2 镁合金的主要合金元素 由于镁具有较大的原子半径以及较强的正电性，大部分合金元素在镁 中的固溶度很小，并且易于与镁形成稳定的金属间化合物，因而可选择的 合金元素受到了很大限制。常用的1 0 种合盒元素为：“、a 1 、z n 、y 、n d 、 a g 、z r 、m n 、t h 和c e 。其中最主要的合金元素是、z n 、m n 、z r 等， 它们在镁合金中的作用如下所述【6 j 。 f 1 h l 元素m g a 1 合金系是最早用于铸件的镁合金该系既包括铸造镁 合金又包括变形镁合金。在含量较低时，a l 固溶于镁基体中，使镁合金产 生固溶强化；随着a l 含量的增加，从合会中析出m 9 1 7 a 1 1 2 相( 相) ，从而 提高了合金的强度。但a l 含量过高时，p 相会在晶界不连续析出，形成胞 状或珠光体状，从而使合金变脆，恶化台金的性能。鼻相在基体中的形态 和分布极大地影响着合金的性能。随着a l 含量的增加，合金的屈服强度增 加，但塑性降低。a l 含量的增加会提高合会的流动性，但同时也增加了合 金的热裂倾向和显微缩松。随着合金含量的增加，杂质对于耐蚀性的不良 影响逐渐降低，合金的耐蚀性得到了提高：但当含量超过8 后，合金的耐 蚀性反而有所降低。 ( 2 ) z n 元素镁合金另一重要合金元素为z n 。a l 和z n 的含量会影响合 燕山人学工学硕士学何论文 金的铸造性能。z n 能固溶于m g 中形成固溶体，其主要作用为固溶强化。 z n 和m g 会形成m g z n 和m g z n 2 化合物相，当z n 含量较低时，m g z n 相即 使是在电镜下也很难分辨，除非是过时效处理，z n 含量超过2 时，合金 中会出现t 相( m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 ) 。适量z n 的加入会提高镁合金的强度和塑性， 但z n 含量大于5 5 时，塑性就开始卜，降。z n 加入镁合金会增加晶界化合 物的数量。 ( 3 ) m n 元素m n 是压铸镁合金的个重要合金元素，m n 的加入对合 金的强度有所提高，但除了a m 系合金外，m n 的加入一般是为了除去金属 液中的有害杂质元素。 ( 4 ) z r 元素z r 晶体也是密排六方结构，其晶格常数m g 与相近( 口 m g = 0 3 2 0 9 4n n l ，c m g = 0 5 2 1 0 7n m ；a z r = 0 3 2 3 1 3 n m ，c z r = 0 5 1 4 7 9n m ) ，在 镁合金的凝固过程中，z r 的细小晶粒可以作为基体形核的异质核心，从而 大大细化合金组织。 1 2 3 镁合金的合金体系 常用镁合金的合金体系是： f 1 ) 镁铝锌系合金镁铝锌系合金是工业生产中应用最早，使用也是广 泛的变形镁合余。属于该系的合金有a z 3 1 、a z 6 1 、a z 8 0 、a z 9 1 等合金。 合金元素铝的作用是使合金有较好的热处理强化效果，提高合金的室温性 能。锌也能提高合金的强度，在含量适当时，可改善合金的塑性，对提高 耐蚀性也有一定的好处，但锌能增加铸造时疏松和形成热裂纹的倾向。镁 铝锌系合金通常加入少量的锰以提高合金的耐蚀性【7 。 ( 2 1 镁锰系合金以锰为主要合金化元素的变形镁合会，不可热处理强 化。锰的作用是提高合金的耐蚀性能，与铁生成锰铁化合物沉积于熔体底 部，从而消除铁的有害影响。镁锰系合金主要被用来轧制成板材、棒材或 加工成形状复杂的模锻件。合金虽然强度低，但有良好的耐蚀性能和最好 的焊接性能。 f 3 ) 镁锂系合会镁锂系合金以镁为基，锂作为合金元素加入。该合金 第1 章绪论 的密度很低( 1 3 5 1 6 5 9 c m 。3 ) ，也称超轻镁合金。中国于2 0 世纪6 0 年代初 研究出$ 4 0 2 镁锂合金。锂的化学性质活泼，故镁锂系合会的生产工艺复杂 性仅次于镁钍系合金。该合金的低温性能良好，但耐蚀性能特别是抗应力 腐蚀开裂性能随锂含量的增加而越来越差。 ( 4 1 镁锌锆系合金以锌、钻为主要合金化元素的变形镁合金具有较高 的强度( 如m b l 5 ) ，良好的塑和耐蚀性。锌是合会的主要强化元素，其强化 相为m g z n 化合物。合金中添加锆能显著细化晶粒提高强度，钻对改善合 金的耐蚀性和耐热性均有一定的作用，可以热处理强化。 1 2 4 镁合金的塑性成形 按成型工艺，镁合金可分为铸造镁合余和变形镁合金。 金属镁具有密集六方品格，室温下只有基面 0 0 0 1 产生滑移，因此镁 合金常温下容易脆裂；2 0 0 以上时第一类角锥面 1 0 l l 产生滑移。塑性 因此大为提高；2 2 5 以上时第二类角锥面 1 0 1 2 也可能产生滑移，塑性 提高更大。但镁合余高温下尤其4 0 0 以匕很容易产生腐蚀氧化以及晶粒 粗大，因而锻造有困难，难度较大。 为了使镁合金能够大量的应用于结构材料，开展变形镁合金的研制非 常必要。由于密排六方的镁变形能力有限，易开裂，因此早期的变形镁合 金要求具有良好的变形能力和尽能高的强度，对其组织的设计，大多要求 不含会属间化合物，其强度的提高主要依赖台金元素对镁合会的固溶强化 和塑性变形一起的加工硬化【8 】。目前，变形镁合金中主要含有a 1 、m n 、r e 、 y 、z r 、和z n 等合金元素。这些元素一方面能够提高镁合金的强度，另一 方面能提高热变形性，以利用锻造和挤压成型。a z 3 1 是最重要的工业用变 形镁合金，具有良好的强度和延展性。 镁合金的塑性加工技术目前研究很少，精锻工艺更少，发展较慢，限 制了变形镁合金的大量应用1 9 l ”。目前镁合余重要航空航天零件主要采用等 温锻造技术，如大型直升机上机匣。镁合金组织性能受塑性变形影响很大， 因此可以通过塑性加工过程控制或改善镁合盒坯料的组织性能。因而研究 燕山大学t 学硕十学位论文 塑性加工工艺是很重要的，尤其是热挤压工艺。国际镁协会指出，虽然铸 造镁合金目前占主导地位，但经过挤压、锻造、轧制等塑性加工工艺加工 的镁合金产品具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的机械性能【1 2 。 镁合金变形抗力低，与加工成形铝合金相比可使模具寿命提高一倍。 小坂田等对镁合金z k 6 0 ( m b i5 ) 的锻造及挤压工艺进行了试验研究。该 材料的强度极限为3 3 0m p a ，弹性极限为2 8 0m p a ，延伸率1 5 。用镦粗实 验研究流动应力( 上模为室温，下模l o o ，初始压下速度为3 0 0m m s ，平 均应变率为1 0s 。1 ) ，得出的主要结论为：( 1 ) 2 0 0 以下发生剪切断裂； ( 2 ) 2 0 0 3 0 0 有显著加工软化现象，变形不稳定，试件呈蘑菇状，交叉部位晶 粒细化；( 3 1 最佳锻造温度为3 0 0 - 4 0 0 ，镦粗压下量可达7 0 ，试件呈桶 状，晶粒变化不大；( 4 ) 4 0 0 以上坯料发生严重氧化；( 5 ) 2 0 0 , - 4 0 0 温度 下流动应力均表现出加工软化。他们还进行了反挤压实验，坯料挤压温度 为1 5 0 2 5 0 ，挤压比为1 8 ，无润滑剂，模具不预热，初始压下速度为 2 0 0m t r d s 。主要破坏方式为侧壁破裂和填充不满。坯料温度1 5 0 以下， 试件全部破裂；适宜挤压温度为2 0 0 - 2 5 0 ，该温度下试件无破裂，底厚 可达1 m m 。 德国奥迪汽车公司采用热冲压法成功地生产镁合金汽车件。典型的零 件有汽车内门板，例如p o l o 两门车应用内镁外铝混合车门，用镁板可比用 钢板减重5 0 ，比用铝板减重2 0 。镁合余板材在常温下塑性差，易裂， 宜在2 2 5 以上进行热冲压成形。例如，在1 7 5 镁合金板杯形件拉深的 拉深比可达2 0 ，而在2 2 5 时可达3 0 ，超过了钢板和铝板在室温下的拉 深比( 分别为2 2 和2 6 ) 。在该温度下镁合金冲压成形性能与钢板和铝板在 室温下的冲压性能相近。镁合金拼焊板冲压件也是镁合金的一个重要应 用方式。 等温锻造是镁合金的重要加工方法。镁合金导热系数很大( 钛、铁、镁、 铝分别为1 6 7 6 、8 3 4 、1 6 7 2 5 、2 0 9 5w m ) ，为钢的两倍，锻造温度 范围窄d 5 0 ) ，遇模具降温很快，塑性降低，变形抗力增大，充填性能下 降。因此适合等温锻造成形。吕炎等采用等温锻造工艺成功的成形了复杂 的镁合金飞机上机匣，是目前我国最大镁合金模锻件，投影面积达o 4 m 2 。 6 第1 章绪论 1 2 5 镁合金在结构件上的应用 作为主要结构部件，镁合会的应用得到了广泛重视。 汽车制造商们为了减少油耗，在设法提高燃油经济性，提高轿车空气 动力性的同时着力于汽车轻量化的研究。要使汽车轻量化，有两条路可走， 一是优化结构设计，但这方面潜力已经不大。二是选用轻量化的材料。铝合 金、塑料( 树脂基复合材料) 、镁合金是目前认为较理想的三类材料。镁的比 重是铝的2 3 ，锌的1 4 ，也不到钢或铸铁的1 4 ，对于含3 0 玻璃纤维的聚 碳酸酯复合材料来说，镁的比重也不超过它的1 0 。镁合金的压铸件在所 有压铸合会中是最轻的。过去，人们常常对镁的加工安全性有所担忧，但 许多镁合金铸造加工厂的生产实践证明，只要加工方法正确，遵循正确的 加工工艺规程，镁就是一种加工安全的金属。所以说，镁合金在汽车轻量 化上是极具竞争力的材料。 镁合金在汽车上用作零部件的历史至少约有6 0 年。早在1 9 3 0 年， l o u r i s h c h e v r o l e t 在一辆赛车上首次使用镁合金作活塞，v o l k s w a g e nb e e t l e 也在其发动机及传动系统上使用2 0 多公斤镁合金。不过，那时候，镁被认为 是潜力有限的一种特殊材料。直到1 9 7 0 年的石油危机，才使镁合金在汽车 工业中日益受到重视。随后不久，福特汽车公司就率先用镁合金制造了离 合器壳体、制动器与离合器的踏板支架、四轮驱动轿车的变速箱体、转向 柱部件等。紧接着。欧洲、日本、北美的汽车制造商也开始尝试着采用镁合 金制造发动机气缸盖。奔驰公司将镁合金制造的座椅框架用在其s e l 型的 跑车上；奥迪也在其v 8 型的轿车上用镁合金制造仪表板，丰田公司则将镁 台金的用途拓展到了转向轴上。 到了1 9 9 0 年，同本、北美、欧洲、韩国和中国都确信了镁合金压铸件 能应用于轿车的许多零部件上，它不仅能减轻轿车重量，增加轿车的行驶 安全性，改善操纵特性，还可减少装配成本，减少加工工具的损耗。 近年来镁合金压铸件应用发展较快，在汽车行业获得大量应用，德国 大众汽车公司预测到2 0 0 5 年镁合金在汽车上的用量可达6 0 8 0 公斤。汽车 采用镁合金比铝合金可减重2 0 - 2 5 。汽车方面的应用主要为汽车驱动系 燕t h 大学j ：学硕士学位论文 统、汽车内饰件、汽车车身和汽车底盘。驱动系统和内饰件主要采用压铸 件为主；车身件需要用变形镁合金板材，用热冲压方法成形。底盘需要承 载，要求材料具有耐疲劳、安全性、耐腐蚀等性能，采用热锻、热冲压、半 网态s e m i s o l i d ) 等成形方法，半固态成形方法包括挤压铸造( s q u e e z e c a s t i n 9 1 和半固态射铸( t h i x o c a s t i n g ) 。增加镁合金在汽车上的应用应该解决锻造镁 合金及抗蠕变性能和耐腐蚀性能。 镁合金由于其密度小和良好的电磁屏蔽性，非常适用于便携式电子电 器通讯器材( 3 c 行业：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 re l e c t r o n i c s p r o d u c t s ) ，例如手机壳采用镁合金时，电磁波只通过天线接收和发送，减少 了信号损失，提高了通讯质量，也易于控制及减少对人体的伤害。 航空件镁合金作为质量轻、刚性好的强韧性材料，用于航空、航天器、 导弹，可以增加有效载荷和飞行距离，降低使用周期和成本。因此早在二 次大战期问就开始应用于航空器材等领域。例如飞机内框架类结构部件可 用镁合会管件。此外，由于密度小、耐冲击及美观等特性，镁合金广泛用 于体育器材、办公器具、家庭工具等便携式用品等i l ”j 。 表1 1 给出了镁合金结构材料在汽车、航空航天、电子电器部件、体育、 办公及同常生活用品等方面的部分应用实例。 1 3 镁合金应用面临的主要问题及解决措施 1 3 1 镁合金应用面临的主要问题 到目前为止，镁合余之所以没有像铝合金那样得到广泛的应用，主要 是因为： ( 1 1 目前，镁合金的加工方法是以铸造为主，但是铸造出来的产品组织 粗大，在铸造过程中，也会出现缩松、气孔、组织不均匀等缺陷，使铸造 出来的产品强度不高，达不到实际应用中的要求。 f 2 1 由于镁是密排六方结构，因此承受的变形量有限，特别在低温条件 下更是如此。在2 2 5 以下变形时具有有限的滑移面，这一性质决定了镁 第1 章绪论 表1 - 1 镁台金在汽车方面的应用 类别部件名称常用材料牌号 成形方法 发动机箱盖离合器 汽车驱动系统变速箱外壳凸轮轴盖 a z 9 1 ，b p ，a e 4 2 ，a s 4 1 ，a z 8 1 铸 年轮轮毂变速于柄 仪表盘内饰罩板 汽车内饰件格栅发动机托架 a m 5 0 a m 6 0 压铸热冲压 座椅架方向盘 内门板行李箱盖 汽车车身件 a z 3 l 热冲展热拉伸 仪表盘十字梁镁板件 底盘筐发动机轴 汽车底盘发动机架车轮 a z 3 1 锻造，挤压，半固性成形 前后悬臂 笔记车电脑外壳 电子电器部件硬盘中小件手机壳相 a z 3 l 压铸，热冲h ， 机架打印机扳 直升机变速箱座舱架 等温锻，压铸，超塑成形， 航空航天部件m b l 5 ，a z 3 i , a z 9 1 b ，z k 6 0 吸气管方向舵 热挤压 合命在室温下滑移系少。镁在塑性变形时镁在室温下变形只沿基面产生滑 移，其滑移系只有三个，而铝的滑移系数目是1 2 个。可见，镁的塑性较低。 因此，镁及镁合金在冷态塑性加工是困难的，未形成缩颈就会断裂。镁在 室温时的形变主要是通过在基面上密排面的( 1 1 2 0 ) 方向的滑移或在角锥 面 1 0 1 2 上的孪生实现。在应力方向平行基面时，受压时镁才发生这种孪 生。在温度高于2 2 5 左右时，附加的滑移面才开始起作用，形变才变得 较为容易。因此一般是通过热加工来制备变形镁合金产品的。这样，就 使得镁合金的塑性变形的生产工艺复杂，生产设备多，生产效率不高，最 终使镁合金的生产成本很高。 镁合金变形主要通过在2 0 0 5 0 0 温度范围内挤压、轧制和锻造的方 9 燕山人学i 学硕士学位论文 式进行。对于镁合余变形，需要注意以下问题： ( 1 ) 镁晶体在各方向的弹性模量变化不大，因此无明显择优取向。 ( 2 ) 低温挤压会使基面和 位向近似平行挤压方向，轧制时则会使 基面平行于薄板表面，且使 沿轧制方向17 1 。 ( 3 ) 发生交替拉压的冷卷引起变形产品的强化，在压缩过程中产生大量 孪晶，拉伸性能明显下降。 与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更 多样化的力学性能，同时生产成本更低。另外，变形镁合金是未来空中运 输、陆上交通以及军工领域的重要结构材料，许多板材、棒材、管材等变 形镁合金是无法用铸造产品代替的。 晶粒细化不仅可以提高材料的强度而且可以提高其塑性，对于a z 3 1 而言更是如此，因为a z 3 1 镁合金既不可能靠热处理强化亦不能靠应变强 化。细晶强化j l 乎是提高a z 3 1 镁合金强度的唯一方法。a z 3 1 是最重要的 商用变形镁合金，它同时具有良好的强度和延展性，这主要是通过控制轧 制、挤压或锻造以及在向室温冷却时退火或伴生退火效应保留了部分加工 硬化。在镁中添加铝和锌可以产生固溶强化和晶粒细化的效果【1 9 1 。例如， a z 6 1 合金比a z 3 1 合金铝含量高，因此前者强度和延展性都很好。但高铝 含量会导致轧制过程中的开裂，因此较少以板材形式供应。 1 3 2 解决措施 国际镁协会指出，虽然铸造镁合金目前占主导地位，但经过挤压、锻 造、轧制等塑性变形加工工艺加工的镁合金产品具有更高的强度、延展性 和更多样化的性能。因此镁合金的塑性加工技术的发展对于镁合金的大规 模的使用具有决定性的作用。但是如上面所指出的，镁合金的室温塑性很 低，因此在低温下变形时，容易产生发生裂纹等缺陷。 分析压缩试验结果发现，镁合金a z 3 1 适合塑性成形的最佳温度为 第1 章绪论 2 5 0 4 0 0 ，占应保持在1s “左右。这主要是因为镁合金是密排六方结构， 在室温下表现出较差的塑性，只有基面滑移产生变形；在高温条件下，更 多的滑移系被激活，使镁合金的塑性大大提高。另外，镁合会在4 0 0 以 上表面极易氧化，同时，在高温时进行塑性变形，容易因晶粒粗大而产生 破裂1 2 。因此，在镁合金塑性成形时，应严格控制加工温度。由于镁合金 对变形速度敏感，当变形速度增加时塑性显著下降，因此在进行镁合金塑 性成形时还必须选择合适的变形速度。 1 4 变形镁合金的发展 1 4 1 发展状况 近年来，世界有许多国家对变形镁合金的研究和应用给予了高度重视。 围绕着变形镁合金，在如何提高其成形性能和力学性能方面展开了大量工 作，取得了许多新进展。 a z 3 1 是目前塑性成形性，力学性能和综合性能等指标最好的一种变形 镁合金，可以挤压成棒材、管材、型材，轧制成薄板、厚板，加工成锻件， 得到了工业1 - _ 的广泛认识。m g z n z r ( z k ) 类合金具有相对较商的强度。 m g m n 系合金具有良好的抗腐蚀性和焊接性，m g l i 合金则具有优良的变 形性能。普遍而言，变形镁合会仍存在塑韧性不足，强度较低，抗腐蚀性 较差等问题，因而限制了镁合金的应用，目前变形镁合金的用量十分有限。 晶粒细化和匀质化是镁合金强韧化的重要手段。大多数镁合金具有时效强 化效应，不过镁合金的时效硬化程度远低于铝合金。此外，固溶强化和加 工硬化也可以提高镁合金的强度 2 1 】。通过合理的合会设计和工艺控制，开 发出新型高性能变形镁合会，获得理想的组织结构模式，进一步提高镁合 金的综合性能是变形镁合金规模应用必须解决的一个重要基础问题。 镁的层错能低( 7 8m j m 2 ) ，易于发生动态再结晶，因此通过控制伴随动 态再结晶的热变形来细化晶粒被认为是一种很有发展潜力的变形镁合金组 织细化手段，我国的重庆大学和日本有关单位在这一方面开展了比较系统 的工作 2 2 , 2 3 1 ，研究了变形参量，如变形温度、变形速率、应变等对组织的 燕山火学l ：学硕士学位论文 影响，建立了再结晶晶粒大小与变形参量之问的定量关系式。这些研究工 作表明，提高应变速率和或降低变形温度可以细化晶粒；动态再结晶晶粒 大小受z e n e r h o l l o m o n 参数的控制，z 参数和再结晶晶粒尺寸满足关系式： 甜刊 ( 1 1 ) 式中，d 为再结晶晶粒尺寸；? r t 为晶粒尺寸指数；4 为常数。 对合金a z 3 1 、a z 6 1 、a z 9 1 和z k 6 0 的研究结果表明实验数据与式( 1 1 吻合的很好1 2 3 j 。对m g a i z n 合金，h w a t a n a b e 及其合作者的计算结果给 出m = 3 ；汪凌云等人的计算得到m = 2 9 。 除变形参量外，h w a t a n a b e l 2 2 1 等人还研究了起始晶粒度对再结晶晶粒 大小的影响。虽然通常情况下，动态再结晶晶粒尺寸与起始晶粒度无关， 但是对合金a z 6 1 和z k 6 0 的研究结果表明，其动态再结晶晶粒尺寸随起始 晶粒度的减小而减小。h w a t a n a b e 及其合作者给出了a z 6 1 合金动态再结 晶晶粒尺寸与起始晶粒度之间的经验关系式： = 烈1 n d m ) ( o l n d o ) ( 1 - 2 ) 式中，h 为起始晶粒指数，试验计算得出”z 1 。 然而简单的数学运算便使其正确性受到明显的影响。因此，起始晶粒 度、变形参量与再结晶晶粒尺寸之间的定量关系及其物理意义、内在机理 等仍有待于进一步深入细致的研究。 等通道挤压近年来被认为使一种很有效的晶粒细化方法。等通道挤压 可使a z 3 1 镁合金获得平均晶粒尺寸为5g r n 的细晶组织，而对a z 6 0 进行 等通道挤压后，平均晶粒尺寸可以达到1 4l a m 。等通道挤压与适当的退火 工艺相结合，可以大大提高变形镁合会的力学性能。z k 3 1 经4 道等通道挤 压和3 0 0 退火后，其拉伸性能优越于6 0 6 1 锻造态镁合金。 大比率挤压可非常有效的细化晶粒。a z 3 l 在3 5 0 条件下按1 0 0 ：1 挤压后，晶粒尺寸可由1 5u m 减小到5g m ：z k 6 0 在3 1 0 按1 0 0 ：1 尺寸 可减4 , n2 8g m 。但大比率挤压工艺对设备的要求较高，实现大规模生产 的难度很大。 挤压开坯后在进行轧制时的工艺( “挤压开坯揖l 制成形”技术) 对难变 形金属是一条有效的加工途径。在挤压时，一方面变形金属的应力状态接 第1 章绪论 近静水压力，另一方面挤压过程几乎是绝热过程，金属温度彳i 易下降，因 此有利于金属的塑性成形。另外通过挤压变形可以细化镁合金晶粒，从而 显著改善了镁合金的成形性能。保证轧制时合会具有较高的塑性。 “温控车l s t 及温控冲压”技术可以激活新的滑移系，使塑性显著提高。 但防止轧制开裂的最低温度和获得最佳成品力学性能的最高轧制温度间隔 非常狭窄，因此控制镁合金的变形加工温度是保证加工过程顺利进行的重 要工艺措施。 镁合金在室温下的深冲性能很差。温度升高，深冲性能明显改善。在 2 0 0 2 5 0 范围内。a z 3 1 b 合金的深冲比可达2 5 3 0 。冲压速度对镁合金 的深冲性能有较大的影响。随冲压速度增加，极限深冲比明显下降。考虑 不规则制品冲压过程中应力、应变的不均匀分布，德国i n s t i t u t ef o rm e t a l f o r m i n g a n d m e t a lf o r m i n g m a c h i n e t o o l s ( i f u m ) 提出了“局部差热”加热法， 使承受大应变部位的温度高于小应变部位，从而进一步提高了合金的深冲 极限。要实现“局部差热”加热，必须设计相应的加热方式、设备、冷却 系统，建立有竞争力的完善的加工生产链。i f u m 已试制出具有较复杂几何 形状的制品，证明实现镁合金冲压制品的工业应用是可行的。 冷冲压技术是日本高松制作所成功开发的可批量冷冲加工镁板材的生 产新技术，这种技术已经引起了汽车、家电、通信器材行业的关注，是一 种很有前途的生产方法，该技术是对现有的油压压力机进行部分改造、装 上特殊专门的冲压磨具实现对a z 3 1 型镁板材室温下的批量冷冲加工。 在流变应力与变形参量相互关系、参数控制及定量模拟等基础研究方 面，德国i f u m 、国内的重庆大学及日本的有关单位做了较多的工作畔j 。日 本利用钢塑性有限元法计算成形过程中的应力分布，采用最大拉伸应力来 描述和预测镁合金的成形性，并证实了该失效准则可以有效描述和预测 z k 6 0 合金1 0 0 2 0 0 温度内精密锻造成形性。重庆大学采用等温压缩模 拟a z 3 1 b 合金的塑性变形行为，证实了流变应力、应变速率和变形温度之 间满足关系式： o 严oo ( d 占“n( 1 - 3 ) 式中，a ，为一定温度和应变下的流变应力；a o c r ) ? 为与温度有关的常数， 燕山人学1 学硕士学位论文 为应变速率；m ( d 为应变速率敏感指数。试验表明埘( n 在3 0 0 4 0 0 和f 为 0 0 1 5s 1 范围内基本保持不变。 镁合金的双辊薄带连铸技术今年来受到人们的关注：双辊薄带连铸技 术属于凝固近终性加工技术，是材料制备的前沿技术，不仅可以细化镁合 金铸态组织，提高其成形加工性能，更熏要的是它可以直接获得接近最终 板带尺寸的铸带，大大简化了镁合金材料的成形加工工序，提高成材率， 降低镁合金的生产成本。采用双辊法生产镁合金铸带环不仅可使铸环显微 组织细化，获得比常规合金化方法更为有效的晶粒细化效果，而且可使合 金元素固溶度增大，获得具有高度均匀化学成分的合金，抑制第二相的析 出，获得非平衡组织。因此双辊法是一种极具潜力的生产镁台金薄带环的 技术。德国、r 本、美国的相关研究机构e 在着手这方面的研究【2 ”，我国 重庆大学也正在开展这方面的研究工作。研究工作表明采用双辊薄带连铸 法可以得到厚度为3 1 0m m 的镁合金薄带，随后在精轧机上经2 3 道次的 轧制即可获得所需的成品厚度。合剂涉及a z 3 1 、a m 6 0 、a z 9 1 等。来自德 国c s i r o 的报告称采用双辊薄带连铸和随后的热机械处理( 热轧工热处理) 可获得均匀、细晶的镁合金带材，与经常规铸锭和轧制工艺生产的产品相 比，其显微组织和力学性能有很大改善和提高。 1 4 2 应用前景 变形镁合金与铸造镁合金相比具有更高的强度、更好的塑韧性和优良 的综合性能，更适合于制作大型结构件和满足结构多样化的要求。正是看 好镁合金的应用前景，镁合金的研究和开发才在世界各国蓬勃开展起来。 据i m a 的报道 2 “，变形镁合金的用量从1 9 9 8 年和1 9 9 9 年起开始星上升的 势头，扭转了长期以来的下降趋势。镁合金在汽车上的应用是推动了变形 镁合会的发展的主要因素，可以预计，一旦高性能镁合金变形材生产技术 瓶颈获得突破，镁合金变形材在汽车、电子、交通运输、国防军工、航空 航天等领域中的应用将会形成镁合金应用的新高潮。 第1 章绪论 1 5 镁合金的超塑性 1 5 1 超塑性简介 一般认为，金属和合金在一定条件下的流变应力应变速率敏感性指数m 值大于o 3 ，表现特大伸长率( 1 0 0 一3 0 0 0 ) 的性能称为超塑性。一定条件是 指金属材料的组织结构等内部条件和变形温度、变形速度等外部条件。m 的物理意义是在一定的温度和应变量下形变抗力相对变形速率的变化量。 2 0 世纪2 0 年代人们已经发现了金属的超塑性现象。1 9 4 5 年，前苏联 著名的金属学家在高温单向拉伸z n a 1 共析合金时获得了很高的伸长率， 并率先称为“超塑性”。1 9 6 2 年，美圜u n d e r w o o d 对超塑性进行了系统综 述，并从冶金学角度分析了获得超塑性的可能性和条件，引起了人们的普 遍关注。1 9 6 4 年，美国b a c k o f e n 等公开了z n - 2 2 a 1 共析合金超塑性及其 力学特性的研究工作，提出了具有重要意义的超塑性流变应力应变速率敏 感性系数m 值和测量方法，并指出m 值越大，超塑性伸长率越高。此后， 世界各国迅速开展了超塑性研究1 2 。”】。至今为止，人们在上百种金属包括 有色金属、钢铁及合金材料中发现了具有超塑性的合金组织和控制条件。 1 5 2 超塑性种类和超塑变形机理 1 5 2 1 超塑性的种类按照获得超塑性的条件，可以将金属和合金的超塑 性现象归纳为两大类，即细晶超塑性和相变超塑性1 3 0 1 。 ( 1 ) 细晶超塑性( 第一类超塑性) 细晶超塑性是指具有微细等轴晶粒( 晶 粒度小于1 0b t m ，晶粒轴比小于1 4 ) 组织的材料在一定的温度区间( o 5 0 9 丁锄，z 伽为材料熔点的绝对温度) 和一定的应变速率范围( 1 0 4 1 0 。1s - i ) 内呈现 的超塑性，也称为组织超塑性、恒温超塑性或者静态超塑性，已在工业上 广为应用。影响这类材料伸长率大小的因素很多，除了晶粒尺寸及形状、 温度和应变速率外，还包括材料组织在超塑拉伸温度下的热稳定性和形成 孔洞的敏感性。 ( 2 ) 相变超塑性( 第二类超塑性)相变超塑性是指金属材料在一定相 燕山大学l | 学硕+ 学位论文 变温度范围内和载荷作用下，经过多次循环相变或同素异构转变而获得的 累积大延伸变形。这种超塑性不要求材料具备微细等轴晶组织，只要求材 料发生相变，因而又称为转变超塑性或动态超塑性，关于钢铁、钛合金和 铜合金的研究较多。例如，在一定载荷作用下的碳素钢和低合金钢在共析 线附近反复加热与冷却时，在每一次循环过程中均会发生一次“到y 转变， 从而可以得到一一次跳跃式均匀延伸，多次循环导致累积的大伸长率。 1 5 2 2 超塑变形机理有关超塑变形的理论和