（材料加工工程专业论文）az31镁合金板材低温双向反复孪生变变及退火再结晶的研究.pdf

i量【el 。f110黔vl【t， 原创性声明 舢i iii i i iii i il li iiiii y 1914 8 21 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特另j j d n 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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：敬堡 日期：丝年月4 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ：盟年立月耳日 j 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 h c p 结构的镁合金因滑移较少、易于形成强基面织构而具 有较差的室温塑性。为了促进镁合金的应用，有必要研究通过 细化晶粒和织构弱化来提高其塑性的工艺。基于本课题组对镁 合金孪生变形的研究，本文拟利用低温双向反复孪生变形以及 再结晶退火制备具有梯度结构的镁合金板材，探索改善镁合金 板材力学性能的新方法。 对a z 31 镁合金热轧板材在4 2 3k 进行了双向反复弯曲变 形及5 2 3k 和5 7 3k 退火处理，利用光学显微镜及e b s d 研究 了该工艺过程中的组织和织构演化规律结果表明，低温双向 反复孪生变形及退火再结晶工艺可以通过晶粒细化和织构弱化 有效提高镁合金板材的室温延性。 变形时孪生为主要变形机制，随着变形道次的增加，表层 晶粒中不断的累积孪生变形，并最终导致晶粒被高密度的孪晶 交叉分割细化；中间层始终仅有少量孪晶产生，材料趋向于形 成表层孪晶密度大、中间层孪晶密度小的双面对称梯度组织。 1 2 道次时，上、下表层均发生了大范围的孪生动态再结晶，形 成的新晶粒的尺寸不足0 5 t m 。试样的显微硬度随着变形道次 的增加而显著增大，但中间硬度增大的幅度明显小于表层，呈 现为不对称的v 字形分布。 6 道次变形镁合金在退火时，上、下表层发生了基于孪生 的静态再结晶，4 6 m 的初始晶粒被细化至10 , u m 左右。最终 形成了中间晶粒粗大、表层晶粒细小的双向梯度结构。上、下 表层完全再结晶新晶粒在5 2 3k 时非常稳定，随退火时间的延 长其平均晶粒尺寸变化不大；而在5 7 3k 时则持续缓慢长大。 在5 2 3k 退火时，中间层始终没有发生明显的再结晶现象；而 在5 7 3k 退火3 0 0s 后原始晶界开始弓出形核，导致中间层晶 粒异常长大。 e b s d 分析结果显示：经反复弯曲和退火处理后，上、下 表层的初始基面织构被显著随机化和弱化，中间层的织构强度 也显著弱化，但织构组分变化不大。织构的相对强度从中间层 到表层逐渐降低，也呈双向梯度分布。上、下表层基面织构的 中南大学硕士学位论文摘要 弱化导致部分晶粒的基面滑移系处于最大取向因子的位向，有 利于后续变形。 显微硬度测试发现，5 2 3k 退火时因中间层再结晶不明显， 最终形成了表层硬度小、中间层硬度略大的反v 字形分布；而 5 7 3k 时，因温度较高，3 个区域的稳态硬度基本相同。 拉伸试验结果显示，a z 3l 镁合金板材经双向反复孪生变 形及退火处理后，其延性大大提高，但抗拉强度变化不大，是 表层晶粒细化和织构弱化共同导致了这种现象。 关键词：镁合金，孪生，再结晶，梯度结构，织构弱化 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t m a g n e s i u ma l l o ys h e e t sh a v eg e n e r a l l yp o o rp l a s t i c i t ya n d s t a m p i n gf o r m a b i l i t ya ta m b i e n tt e m p e r a t u r ed u et o al a c ko f s u f f i c i e n tn u m b e ro fs l i p s y s t e m s a s s o c i a t e dw i t h h e x a g o n a l c l o s e p a c k e d ( h c p ) c r y s t a ls t r u c t u r e a n da l s oa s t r o n gb a s a l t e x t u r ed e v e l o p e di nr o l l e ds h e e t s f o rm o r ee x t e n d e da p p l i c a t i o n o fm gs h e e t s ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e f i n et h ei n i t i a lg r a i n s a n da l s or a n d o m i z et h et e x t u r et o i m p r o v et h ef o r m a b i l i t y i n t e r m so ft h ep r e v i o u sr e s e a r c ha b o u tt w i n n i n gi nm g a l l o y s ，i nt h i s w o r kb i d i r e c t i o n a lc y c l i cb e n d i n ga tl o wt e m p e r a t u r ef o l l o w e db y r e c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n g i s i m p a r t e d t om ga l l o ys h e e t st o c r e a t eag r a d i e n ts t r u c t u r ea n dt h e n i m p r o v e di t s m e c h a n i c a l p r o p e r t y ah o tr o l l e ds h e e to fa z 31m ga l l o yw a ss t u d i e db ym e a n so f b i d i r e c t i o n a lc y c l i ci n p l a n eb e n d i n ga t4 2 3k t h ed e f o r m e da n d s u b s e q u e n t a n n e a l e dm i c r o s t r u c t u r e sa n dt e x t u r ew e r e i n v e s t i g a t e db yo p t i c a l a n ds e m e bs d m e t a l l o g r a p h i c o b s e r v a t i o n t h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h et e c h n i q u eo fb i d i r e c t i o n a l c y c l i ct w i n n i n g d e f o r m a t i o nw i t ha f o l l o w i n ga n n e a l i n gc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea m b i e n td u c t i l i t yo fm ga l l o ys h e e tb y i n d u c i n gg r a i nr e f i n e m e n ta n dt e x t u r er a n d o m i z a t i o n t w i n n i n gi st h ed o m i n a n td e f o r m a t i o nm e c h a n i s m w i t ht h e i n c r e a s eo fd e f o r m a t i o np a s s ，m o r ea n dm o r et w i n sa r ep r o d u c e d i nt h eg r a i n sn e a rt h es u r f a c eo ft h es h e e t sa n df i n a l l yl e a dt h e s e g r a i n st ob es e r i a l l yd i v i d e du pb yt w i n n i n gi n t e r s e c t i o n s b u t o n l yaf e wt w i n sa r ef o r m e di nt h eg r a i n so ft h em i d d l eo ft h e s h e e t sa l la l o n g f i n a l l y ，ab i d i r e c t i o n a lg r a d i e n ts t r u c t u r ew i t h h i g h d e n s i t yt w i n si nt h er e g i o n sn e a rt h es u r f a c e sa n d ，i nc o n t r a s t ， l o w e rd e n s i t yo n e si nt h em i d d l eo ft h es h e e t sw e r ei n d u c e d t h e g r a i ns i z ei nt h es u r f a c el a y e ri sr e f i n e ds t e a d i l yw i t hi n c r e a s i n g s t r a i np a s s e sd u et oo p e r a t i o no ft w i nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n b a s e do nt w i n i n t e r s e c t i o n s l a r g e s c a l et w i n n i n gd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n st h a ta r ee v e ns m a l l e rt h a n0 5 t m a r e i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t o b s e r v e di nb o t ht h eu p p e ra n dt h el o w e rs u r f a c el a y e ra f t e r12 p a s s e sd e f o r m a t i o n sc o u p l e dw i t hn od i s t i n c tr e c r y s t a l l i z a t i o ni n t h em i d d l el a y e r b u tt h er e c r y s t a l l i z a t i o np r o g r e s s a n dt h e h a r d e n i n gr a t ei nt h eu p p e rs u r f a c el a y e ra r eal i t t l e s l o w e rt h a n t h el o w e rs u r f a c el a y e ra n ds oa na n i s o m e r o u s “v t y p es t r u c t u r e a n dh a r d n e s sd i s t r i b u t i o na r ep r e s e n t s t a t i cr e c r v s t a l l i z a t i o nb a s e do nt w i n n i n gi so b s e r v e di nt h e s u r f a c e l a y e r s o f 6 p a s s e sb e n d i n gs a m p l e s f o l l o w e db ya s u b s e q u e n ta n n e a l i n g n e wg r a i n s a r eo b s e r v e dt on u c l e a t e p r e f e r e n t i a la tt w i ni n t e r s e c t i o n sa n dc o m p r e s s i o nt w i n si n t e r i o r a n ds t i l l ，t h er e c r y s t a l l i z a t i o ni nt h el o w e rs u r f a c el a y e r p e r f o r m e de a r l i e ra n df a s t e rt h a nt h eu p p e ro n e t h ea v e r a g eg r a i n s i z ei nt h e s u r f a c el a y e rw a sr e d u c e dt oa b o u t10p mf r o mt h e o r i g i n a l s i z eo f4 6 t ma n dt h e nab i d i r e c t i o n a lg r a d i e n tg r a i n s s t r u c t u r e sw i t hf i n e dg r a i n si nt h er e g i o n sn e a rt h es u r f a c e sa n d ，i n c o n t r a s t c o a r s eg r a i n si nt h em i d d l eo ft h es h e e t sw e r ei n d u c e d t h es t r u c t u r e so ft h es u r f a c el a y e r sa r ev e r ys t e a d ya st h ea v e r a g e g r a i n ss i z e sh a r d l yc h a n g ew i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt i m ea t 5 2 3k ，w h i l et h en e wg a i n si nt h es u r f a c el a y e r ss t e a d i l yg r o wu p a t57 3k h o w e v e r ，n or e m a r k a b l es t a t i cr e c r y s t a n i z a t i o n i s o b s e r v e di nt h em i d d l eo ft h es h e e ta l la l o n gw h i l ea n n e a l i n ga t 5 2 3kf o ral a c ko fs t r a i na n dt w i ni n t e r s e c t i o n sa n da c c o r d i n g l y l a c k i n gr e c r y s t a n i z a t i o nd r i v i n gf o r c e b u t ，d i f f e r e n tf r o m5 2 3k ， t h o u g ht h em i d d l el a y e r a tt h ee a r l i e rs t a g eo ft h ea n n e a l i n g p r o c e s sa t5 7 3k d o n ta p p e a ra n yv i s i b l en u c l e a t i o np h e n o m e n a ， s o m eo ft h e o r i g i n a lg r a i n b o u n d a r i e sb e c o m eb o w i n ga n d r e c r v s t a l l i z a t i o ng r a i n sa r ef o r m e da f t e r30 0sa n dt h e nc a u s et h e g r a i n ss e v e r e l yg r o wu p t h es e m e bs dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i c r o t e x t u r e so ft h e s u r f a c el a y e r sd e v e l o p e di nt h e s h e e t sa r es e v e r e l yr a n d o m i z e d a n dw e a k e n e d b u tt h em i d d l el a y e ro n l ya p p e a r st h er e l a t i v e i n t e n s i t y o ft e x t u r e w e a k e n i n g w i t h o u t c h a n g e o nt e x t u r e c o m p o n e n t a sar e s u l to ft h i s ，t h er e l a t i v ei n t e n s i t yo ft e x t u r ei s g r a d u a l l yr e d u c e df r o mt h em i d d l eo ft h e s h e e t st o t h es u r f a c e s i v 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n ds oa p p e a r sab i d i r e c t i o n a lg r a d i e n tt e x t u r ed i s t r i b u t i o nl i k e s t h ea v e r a g eg r a i ns i z e t h er a n d o mo ft h em i c r o t e x t u r ei nt h e s u r f a c e l a y e r sp u t s m o r e g r a i n s b a s a l s l i ps y s t e m a tt h e o r i e n t a t i o nw h e r ec a nb ee a s i l ya c t i v a t e d a st h er e c r v s t a l l i z a t i o ni nt h em i d d l el a y e ro f t h es h e e ti sn o t a sr e m a r k a b l ea st h es u r f a c el a y e r sw h i l ea n n e a l i n ga t5 2 3k ，t h e u l t i m a t em i c r o h a r d n e s sd i s t r i b u t i o na l o n gn o r m a ld i r e c t i o no ft h e s h e e ta p p e a r si n v e r s e v t y p ew i t hr e l a t i v e l yh i g h e rh a r d n e s si n t h em i d d l el a y e r b u tt h es a m p l e sa n n e a l i n ga t5 7 3kd o n ts h o w t h es a m er e g u l a r i t y t h es u r f a c el a y e r sa n dt h em i d d l el a y e r p e r f o r ma l m o s te q u a lh a r d n e s sa tt h es t e a d ys t a g e i np a r t i c u l a r l y ，t h es h e e t sa f t e rb i d i r e c t i o n a lc y c l i ct w i n n i n g d e f o r m a t i o nf o l l o w e db ya n n e a l i n gs h o wa ni n c r e a s eo ff r a t u r e e l o n g a t i o n h o w e v e r ，t h et e n s i l es t r e n g t ho n l yc h a n g e ss l i g h t l y t h i sp h e n o m e n o ni sa t t r i b u t e dt ot h eg r a i nr e f i n e m e n ta n dt e x t u r e w e a k e n i n gi nt h es u r f a c el a y e r s k e yw o r d s ： m a g n e s i u ma l l o y ，t w i n n i n g ，g r a d i e n ts t r u c t u r e ， r e c r y s t a l l i z a t i o n ，t e x t u r ew e a k e n v 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘j 耍i a b s t r a c t i i i 第一章文献综述1 1 1 研究背景及理论基础1 1 2 孪生简介及研究基础5 1 2 1 孪生的作用5 1 2 2 孪晶的分类6 1 2 3 关于孪生的研究基础6 1 3 研究内容及目标一8 1 3 1 研究内容一8 1 3 2 研究目标9 1 4 本项目的特色与创新点9 第二章实验过程及方法1 0 2 1 实验方案设计1 0 2 2 实验材料1 0 2 3 实验方法1 l 2 3 1 变形方法与过程11 2 3 2 退火实验1 2 2 4 组织观测与性能检测方法1 2 2 4 1 光学组织观察1 2 2 4 2s e m e b s d 分析1 2 2 4 3 组织定量分析1 2 2 4 4 显微硬度测试1 2 2 4 5 拉伸性能测试1 3 第三章低温双向反复孪生变形时的组织与性能演化。1 4 3 1 低温双向反复孪生变形下的组织演化1 4 3 2 低温双向反复孪生变形下的显微硬度演化1 7 3 3 分析与讨论1 8 3 3 本章小结2 2 中南大学硕士学位论文目录 第四章反复孪生变形镁合金退火再结晶研究2 4 4 1 反复孪生变形镁合金退火时的组织演化2 4 4 1 15 2 3k 退火时的组织演化2 4 4 1 25 7 3k 退火时的组织演化2 9 4 1 3e b s d 分析结果3 3 4 2 反复孪生变形镁合金退火时的力学性能演化4 2 4 2 1 显微硬度测试4 2 4 2 2 拉伸性能测试4 5 4 3 分析与讨论4 6 4 4 本章小结4 9 第五章结论。5 1 参考文献5 2 致谢5 9 攻读硕士学位期间的主要研究成果6 0 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬综硷 1 1 研究背景及理论基础 镁合金塑性差的原因主要有两方面，其一是镁合金多为密排六方结 构( h c p ) ，滑移系较少，低温变形时难以满足y o nm i s e s 准则；其二是 变形镁合金通常具有很强的 0 0 0 1 基面织构，如镁合金挤压棒材通常具 有很强的晶粒基面平行于挤压轴向的 0 0 0 1 ) 基面丝织构，镁合金热轧板 材则具有很强的基面平行于板面的基面板织构。由于镁合金室温变形时 基面滑移系的临界分切应力c r s s 低于非基面滑移系( 棱面和锥面滑移 系) 近百倍， 0 0 0 1 基面的取向分布情况对镁合金的室温塑性具有重要 影响。基面织构的存在无疑将会严重影响镁合金的二次成型能力，使得 在大多应力方向下材料难以进行后续塑性变形 1 - 4 】。 研究表明【5 】：镁合金的棱柱滑移系的c r s s 随着变形温度的升高而 降低，当温度接近5 7 3k 时，其c r s s 与基面滑移系已经很接近了，因 此能够得到有效启动，从而大幅度改善了镁合金的塑性。可见，在5 7 3k 以上变形在一定程度上可以避免镁合金的提前失效和断裂。提高变形温 度也是目前镁合金工业生产方面最为常用的方法。然而，由于镁合金的 层错能较低，在高温变形时极易发生动态回复和动态再结晶，导致晶粒 异常长大，同时也极易引起材料氧化，从而严重影响了材料的使用性能。 此外，对于高、精行业来讲，冷变形的经济效应显著高于热变形。因次， 为促进镁合金的大范围应用，改善其低温塑性是首选途径。 众所周知，细化晶粒不仅可以提高强度，同时也能同步提高材料的 延性【6 。1 1 1 。因此，根据镁合金的特点，改善其性能可以从晶粒细化和织 构弱化两个方面着手。 剧烈塑性变形技术( s p d ) 是前几年来广泛应用于制备超细晶粒材 料的方法，国内外学者对于镁合金的剧烈塑性变形做了大量研究。目前 来说，应用较多的剧烈塑性变形方法主要有往复挤压( r e c i p r o c a t i n g e x t r u s i o n ) 【12 1 、三向平面应变锻造【1 3 1 ( t h r e e a x i sp l a n e s t r a i nf o r g i n g ) 、 高压扭转t 1 4 】( h i g hp r e s s u r et o r s i o n ) 、等径角挤压【1 5 2 1 】( e c a e e c a p ) 等。这些方法被反复实施后，材料将逐步累积应变并产生超细晶粒组织， 与此同时，原始组织中的低角晶界也会因动态回复及动态再结晶的发生 而转变为高角晶界【2 2 1 。s p d 在镁合金的晶粒细化以及延性改善上体现出 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 了巨大的潜力，然而，由于模具形状的限制，这些方法却在制备超细晶 粒镁合金板带材上存在很大的局限性，难以应用于大尺寸板带材的组织 改善。 针对板带材的形状特征，国内外学者相继开发了多种特殊成形方法。 y a n g 和g h o s h 2 3 采用正弦波形状的模具对a z 3 l b 镁合金板材在5 2 3 1 0 4 4 3k 进行了降温反复表面压缩起皱及整平实验并获得了平均晶粒 尺寸为1 4 z m 超细晶粒组织，但是材料始终具有明显的择优取向，且没 有介绍相关力学性的变化。h u a n g 等人【2 4 2 5 】对a z 3 1 b 板材进行了单向 反复弯曲变形及退火实验，发现该工艺可以引起镁合金板材基面织构的 偏转从而弱化基面织构，并显著提高其室温延性。异步轧制和等径角轧 制1 2 6 - 3 2 也可以通过特有的剪切应力迫使基面织构发生倾转，从而减弱基 面织构，并在一定程度上提高了镁合金的塑性。累积叠轧是另一种有效 的细化板材晶粒的方法【33 1 ，对a z 3 l 和a z 9 l 镁合金在6 7 3k 进行累积 叠轧后发现【3 4 】，其晶粒分别由3 8 m 和2 3 m 细化至4 z m 和l z m 。与 其他s p d 工艺相比，累积叠轧工艺更加适用于大尺寸材料的加工生产， 且成本低，工艺简单，易于实现工业应用。此外，在镁合金中添加陶瓷 颗粒y 2 0 3 或s i c p 也可以弱化挤压后的丝织构，并降低沿挤压轴向变形 时的拉压不对称性 3 5 - 3 6 ；添加稀土元素则可以细化镁合金晶粒、改善组 织、提高力学性能和耐腐蚀性【3 7 。9 1 ，也可以增加m g 的晶格对称性并大 大激活非基面滑移，从而提高镁合金的强度和延展性 4 0 - 4 3 】。 反复折皱压直法( r e p e t i t i v ec o r r u g a t i o na n ds t r a i g h t e n i n g ，r c s ) 是 z h u 等人提出的一种新的细化晶粒的方法【4 4 4 5 ，该工艺过程主要分为两 步：将材料弯曲为波形和在两平板间压平，与e c a p 主要依靠剪切变形 不同，r c s 的主要变形模式是弯曲。他们将初始晶粒尺寸为7 6 5 t m 的 纯铜反复进行了1 4 次r c s 变形，其中变形前将试样在液氮中浸泡3r a i n ， 且每次变形后将试样旋转9 0 。，结果发现晶粒被剧烈细化至仅2 0 到几 百纳米。连续循环弯曲 4 6 j ( c o n t i n u o u sc y c l i cb e n d i n g ，c c b ) 可以利用 多个相互交错的轧辊对板材进行反复弯曲，其在板材表面产生较大的应 变，而在板材中间产生很小的应变。t a k a y a m a 等人对a 1 4 7 m g 0 7 m n 合金【4 7 1 以及纯钛板材 4 8 】进行c c b 并退火后，制各出了表面层晶粒粗大 中间层晶粒细小的梯度组织，但是，发现a 1 4 7 m g 0 7 m n 合金进行 5 0 次c c b 后其立方织构反而有所提高。然而，无论是r c s 还是c c b ， 虽然其都易于实现工业生产，具有巨大的工业价值，但目前尚未见到其 在镁合金中应用的报道。 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 最近【4 9 5 0 】，中科院金属研究所卢柯研究组发现对纯铜棒材施加表面 机械碾磨后形成了晶粒尺寸在空间上呈梯度分布的梯度纳米结构，从表 面向内晶粒尺寸逐渐增大，这种结构的铜在后续室温拉伸试验中表现出 了优异的力学性能，不仅屈服强度很高，其延性也好。 那么，是否可以利用反复弯曲变形和再结晶退火对镁合金板材导入 梯度组织，从而改善其力学性能呢? 作者曾对a z 3l 镁合金进行了室温多向循环压缩变形【5 1 1 。图l 一1 所 示为相关实验结果。从真应力真应变曲线( 图1 一l a ) 上可以看出镁合金 在室温变形时几乎没有延性，变形至= o 1 6 左右就失稳断裂。然而，如 果在屈服后的孪生变形初期阶段内( 0 0 3 工oc口_jcojo一乏 中南大学硕士学位论文第三章低温双向反复孪生变形时的组织与性能演化 d i s t a n c et ot h eu p p e rs u r f a c e 。，m m 图3 3a z 3 l 镁合金板材不同变形道次下的显微硬度分布图 3 3 分析与讨论 1 2 2 节已介绍： l o 1 2 拉伸孪晶和 1 0 1 1 压缩孪晶是镁合金两种 最为常见和主要的孪生模式。图3 4 所示为镁合金 1 0 1 2 孪生引起晶体 取向转动的示意图。图3 4 a 所示为变形前孪生面两边组织的取向，此时 这两部分组织的取向一致。图3 4 b 所示为 1 2 1 0 面上原子的切变过程， 孪生时原子a 沿 方向切变到a ，此时a 与d 关于 1 0 1 2 面对称。 由几何学知识可知 k d c b , - o k d h ，b 丝k a h c ；u 6 = 压a ；一d b = c = r a b c ：c d = d b ：丽：一b c ：一b d = 一b d ：丽( 3 1 ) 其中a 、c 为晶格常数，r 为轴比。为了便于计算不妨设a = l ，此时 甙孓再7( 3 - 2 ) 令一a h = 肝h ；一c h = 丽x ；砑d ，联合式3 2 代入式3 1 可得 压了：以= r ：h ；再7 ：r = r ：x 于是 h = 压r 厮i ；x = r 2 压了 d = 再7 - - 2 x = ( 3 r 2 ) x 3 + r 2 故a 点的切变量 s = d h = ( 3 - - r 2 ) | 矗t ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 。5 ) 工cpj叮co-io一乏 中南大学硕士学位论文第三章低温双向反复孪生变形时的组织与性能演化 将镁的轴比r = 1 6 2 3 5 t 5 4 】代入式( 3 5 ) 可算得s = o 1 2 9 5 。图3 4 c 所示为 变形后孪生面两边组织的取向，可看出虽然s o 1 2 9 5 的剪应变所形成的 晶格错动角度只有2 0 ，但却导致了孪生区晶体的基面转到了与基体基面 近似垂直的方位，此时，孪生面两边组织的取向差高达近9 0 0 ，其原因 是原子排列在a7 b 的方向重新满足了密排六方结构。这个变化可看作是 晶体沿 晶向发生了高达约9 0 0 的转动。其他常见孪生机制引起的 取向突变如表3 1 所示【6 9 1 。 ( a ) 8 d ( c ) 图3 - 4镁合金 l o - 1 2 孪生示意图 ( a ) 孪生前( b ) 切变过程( c ) 孪生后 袁3 - 1 镁合金常见孪生系的晶粒转动角度 t y p eo ft w i n m i s o r i e n t a t i o na n g l e a x i s 1 0 1 2 ) 1 0 11 ) 1 1 2 2 1 1 2 1 ) 8 6 。 5 6 0 6 3 。 3 4 0 从理论上看，当轴比小于3 时，如图3 4 b 所示， l o 1 2 ) 孪生切变方 向为 ，只有沿着c 轴拉伸才能形成 1 0 1 2 ) 孪晶；反之，当轴比大于 历时，切变方向为 ，只有沿着c 轴方向压缩才能产生 1 0 1 2 孪 晶：而当轴比等于3 时，无论压缩还是拉伸都不能产生 1 0 12 ) 孪晶。 镁 1 0 12 ) 孪生的s o 1 2 9 5 比f c c 的 11l 和b c c 的 1 1 2 孪生 的s = 1 2 o 7 0 7 远远要小，且镁 1 0 1 2 孪生的临界剪切应力大约在 1 9 中南大学硕士学位论文第三章低温双向反复孪生变形时的组织与性能演化 2 3 m p a ，几乎和温度无关【7 们，低温时仅次于基面滑移，因此镁合金在低 温沿c 轴受拉应力时极易形成 1 0 1 2 孪晶。 介于在低温变形时 1 0 1 2 l 孪晶的c r s s 仅次于基面滑移，因此，在 变形初期极易发生 1 0 1 2 孪生，对位错滑移所引起的各向异性有一定的 调节作用：而 1 0 11 ) 孪晶主要在变形后期形成，并可产生局部变形而引 发断裂源。所以，依靠孪生来弥补镁合金滑移系少、塑性各向异性强的 缺陷是非常困难的。要充分满足多晶体均匀塑性变形的条件，必须通过 晶粒细化或动态再结晶，利用晶界滑动来协调镁合金的塑性变形。 孪晶的交叉通常是在二次孪晶长大时遇到初始孪晶的阻碍而产生 的，作者的前期研究表明： 1 0 1 2 孪晶系共有六个孪晶面，在外力作用 下，同一晶粒中任何两个不同的孪晶面相继开动，都可能会相截而发生 孪晶交叉现象。虽然这些孪晶与母相的取向差相同，但不同类型的 1 0 1 2 孪晶之间的取向差并不一样，因此可能会形成5 种交叉形式，如图3 5 所示，变形时可能出现的孪晶交叉形式与应力轴向有很大关系。在本实 验过程中，随着变形道次的增加以及晶粒取向转动引起晶粒应力方向的 变化，将导致不同 1 0 1 2 孪晶变体以及压缩孪晶的不断累积，从而形成 复杂的不同孪晶间、不同孪晶变体间相互交叉的形貌。 i l lt l 豫s t a n d a r d1 w i n n i n gp l a n e p 翻t 硼a 貉l h ci n l c r s e c l i n gl w 嘲i l l l ；p i i 瞒 固固国 融n 椰cl 咖t c m d 弦船m e 图3 - 5 镬合金 1 0 - 1 2 孪晶的问的5 种可能的交叉形式 图3 - 6 所示为未变形样品的e b s d 分析结果，从图3 - 6 所示的极图 上可以看到，试样具有很强的 0 0 0 1 基面织构，基面取向峰严格分布在 中南大学硕士学位论文第三章低温双向反复孪生变形时的组织与性能演化 t d 方向( 实际板材n d 方向) 上，即变形前基本所有晶粒的c 轴平行于 n d 方向。图3 6 b 为 0 0 0 1 基面滑移系沿r d 方向的s c h m i d f a c t o r 取向因子分布情况，可以看到，绝大数晶粒的取向因子几乎为零， 在0 附近形成了一个很强的峰值；而取向因子大于0 4 的晶粒非常少， 表明样品沿r d 方向或者n d 方向受力时，基面滑移系将受阻。 馘爷 镬 图3 - 6 未变形试样的e b s d 分析结果( 图中t d 方向对虚于实际的n d 方向) ( a ) 极图 ( b ) 0 0 0 1 滑移系沿r d 方向的s c h m i d tf a c t o r 分布 从图3 7 所示的板材双向反复弯曲变形时组织演化示意图可以看 出，弯曲变形时，凸面沿r d 方向承受拉应力作用，相当于沿晶粒c 轴 压缩；凹面受压应力作用，相当于沿晶粒c 轴拉伸。无论凸面还是凹面， 晶粒基面滑移系的取向因子都几乎为零，孪生将作为主要变形机制之一 来协调变形。显然，凸面利于压缩孪晶( 如 1 0 一ll 孪晶) 的产生，而凹 面利于产生 1 0 1 2 拉伸孪晶【7 1 1 。因此，首次弯曲时，下表面( 凹面) 将 累积大量 1 0 1 2 孪晶( 如图3 7 b ) ，而上表面主要产生压缩孪晶，图3 2 a 中部分晶粒中产生的拉伸孪晶可能是反常拉伸孪晶【7 0 】。随着双向反复弯 曲变形道次的增加，上、下表面循环承受拉、压应力，压缩和拉伸孪晶 也相应的不断的累积，最终导致上、下表层的组织差异消失，都呈现为 不同类型及不同方向孪晶相互交叉、分割细化原始晶粒的形貌( 如图 3 7 c ) 。孪晶交叉处因累积了较高的变形储存能，最终诱发了孪生动态再 结晶，导致晶粒在1 2 道次时被急剧细化。 2 l 中南大学硕士学位论文第三章低温双向反复孪生变形时的组织与性能演化 每每 一一、。一一、 图3 7a z 3 l 镁合金板材双向反复弯曲变形时组织演化过程示意图 ( a ) 上、下表层的受力状态 ( b ) 首次弯曲后。上、下表层分别产生压缩和拉伸孪晶 ( c ) 反复弯曲多道次后，上、下袁层的组织趋于一致 镁合金在不同变形条件下其微观结构的发展可分为低温区( 4 7 3k 以下) 、中温区( 4 7 3 5 7 3k ) 和高温区