（材料加工工程专业论文）re、sb对az31镁合金热挤压变形行为的影响.pdf

郑州大学硕上学位论文摘要 摘要 镁合金作为一种轻质工程材料，具有比重轻、比强度和比刚度高，良好的电磁屏 蔽能力和易于再生利用等一系列优点，被认为是2 1 世纪最具发展潜力的材料。但由 于镁合金为密排六方结构，滑移系少，塑性变形能力差、生产效率低，很大程度上制 约了变形镁合金的发展和应用。 前期研究表明，在a z 3 1 镁合金中添加质量分数为i r e 和1 s b ，可有效改善 合金铸态组织，提高其力学性能。本文采用光学显微镜( o m ) 、x 射线衍射仪( x r d ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 以及能谱( e d s ) 等分析手段，通过热模拟、合金挤压加工和力 学性能测试，较系统地研究了r e 和s b 对a z 3 1 镁合金塑性变形能力以及挤压材组 织性能的影响，并分析了其对合金热变形特性的影响机理。 借助g l e e b l e 1 5 0 0 d 型热模拟试验机，研究了r e 和s b 对a z 3 1 镁合金热压缩变 形行为的影响。结果表明：质量分数为i r e 和1 s b 的添加，可显著增大a z 3 1 镁 合金的变形抗力，并有效促进合金热变形过程中的动态再结晶。 挤压实验表明，随挤压温度升高，变形过程中动态再结晶程度增加，再结晶晶粒 尺寸增大；随挤压比的增大，再结晶程度提高且晶粒明显细化。挤压温度为3 8 0 ， 挤压比为1 7 4 条件下挤压变形后，a z 3 1 镁合金挤压材组织为原始晶粒和再结晶晶粒的 混合组织，再结晶不完全；添加i r e 或复合加入i r e 和1 s b 后，动态再结晶程度 增大，且再结晶晶粒细化，合金中的稀土相颗粒呈链状分布。 a z 3 1 合金中加入i r e 后，挤压态合金抗拉提高了5 5 ，延伸率和冲击韧性分 别提高2 2 和5 。同时加入i r e 和1 s b 后，挤压材的力学性能最好，抗拉强度、 延伸率和冲击韧性与a z 3 1 相比分别提高了7 7 、1 1 1 和1 7 5 。断口形貌分析表 明，在a z 3 1 合金中加入i r e 和1 s b 后，挤压态合金的拉伸断口韧窝变细，韧窝 数量明显增多且深度增加，韧窝之间有撕裂棱存在，表现出明显的韧性断裂特征。 a z 3 1 1 r e 铸态合金组织中a i r e 相呈长针状沿晶界分布，挤压变形后稀土相 破碎成多边形状，呈链状沿挤压方向集中分布在原针状相附近，受到外力时引起应力 集中，对合金的塑韧性不利；a z 3 1 i r e 1 s b 合金中，挤压前稀土相呈棒状或圆 球状，分布在晶界附近和基体内，挤压后的稀土相破碎分布更加均匀和弥散，减小了 挤压过程中的应力集中，提高了合金的塑性变形能力。 郑州大学硕士学位论文 摘要 a z 3 1 合金在挤压温度为3 8 0 。c 时的最大挤压速度为2 3 m m i n ，挤压温度提高至 4 2 0 c ，棒材表面质量下降，出现明显的热烧损现象；添加i r e 和1 s b 后，可提 高挤压温度到4 2 0 ，产品表面未出现横向裂纹和热烧损，最大挤压速度达3 8 m m i n 。 即适量r e 和s b 的添加可有效提高a z 3 1 镁合金的挤压速度，进而提高其挤压生产 效率。 关键词：a z 3 1 ；r e ；s b ；热模拟；挤压变形；组织性能；变形能力 i i 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y s ，a sl i g h ts t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，e x i s tm a n ya d v a n t a g e s , s u c h 勰l o w d e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h , h i g hs p e c i f i cs t i f f n e s s ，e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g p e r f o r m a n c ea n de a s i l yr e c y c l e de t e s o ，m a g n e s i u ma l l o y sa r ek n o w n a s t h eg r e e np r o j e c t m a t e r i a l s h a v i n gd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l a n db e s t f u t u r ei nt h e2 1 s tc e n t u r y b u t , m a g n e s i u mh a sh e pc r y s t a ls t r u c t u r e ，s l i ps y s t e mi sl i t t l ea n dt h e np l a s t i cd e f o r m a t i o ni s h a r d t h ep o o rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yh a sb e c o m et h em a i no b s t a c l et ot h ee x t e n s i v eu s eo f w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s o u rp r e v i o u sr e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h ea d d i t i o n so fi r ea n d1 s bt oa z 3 1 a s c a s ta l l o yc o u l di m p r o v et h em i c r o s t m e t u r ea n dp r o p e r t y b ym e a n so fo p t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) ，x - r a yd i f f r a c t o m e t r y ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) e q u i p p e dw i t ha ne n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) s y s t e m ，t h e r m a ls i m u l a t i o n ， t e n s i l ea n di m p a c tt o u g h n e s st e s t i n g , t h ee f f e c t so fr ea n ds bo nm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f a z 3 1w r o u g h ta l l o y sa th o t - e x t r u d i n gs t a t e sw c r ei n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c e o f r ea n ds bo np l a s t i cd e f o r m a b i l i t ya n di t sm e c h a n i s m sw e r ea l s od i s c u s s e d t h ee f f e c t so fa n t i m o n ya n dr a r ee a r t ho nt h ef l o ws t r e s sa n dd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o no f a z 3 1m a g n e s i u ma l l o yw a si n v e s t i g a t e db yh o tc o m p r e s s i o nt e s t i n go n t h eg l e e b l e 。1 5 0 0 dt h e r m a ls i m u l a t o r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea d d i t i o n so f1 r ea n d 1 s bt ot h ea z 3 1m a g n e s i u mc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ea n d a c c e l e r a t et h ed y n a m i c a lr e c r y s t a l i z a t i o n t h er e s u l t so f h o t - e x t r u d i n gs h o w e dt h a t ：w i t ht h eh e i g h t e no f t e m p e r a t u r e ，t h ed e g r e e o fd y n a m i c a lr e e r y s t a l i z a t i o ni n c r e a s e d , b u tt h eg r a i n sg r e wu p ；d y n a m i c a lr e c r y s t a l i z a t i o n i n c r e a s da n dg r a i n sw e r er e f i n e dw h e nt h ee x t r u s i o nr a t i oe n h a n c e d a tc e r t a i n h o t - e x t r u d i n gp a r a m e t e r ( t = 3 8 0 c ，九= 1 7 4 ) ，t h em i x e ds t r u c t u r eo fo r i g i n a lg r a i n sa n d r e c r y s t a l l i z e dg r a i n sw e r ef o u n di na z 3 1a l l o y ；t h ea d d i t i o n so fi r ea n d1 s bt ot h e a z 31m a g n e s i u mc o u l da c c e l e r a t et h ed y n a m i c a lr e c r y s t a l i z a t i o ne f f e c t i v e l ya n dt h e m i c r o s t r u c t u r ew a sr e f i n e d ，t h er a r ee a r t hp h a s ea s s u m e dc h a i nd i s t r i b u t i o n w i t ht h ea d d i t i o no fi r et oa z 3 1a l l o y , t h et e n s i l es t r e n g t hi m p r o v e da b o u t5 5 i i i 郑州大学顾t 学位论文a b s t r a c t s p e c i f i ce l o n g a t i o na n di m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e d2 2 ，a n d5 ，r e s p e c t i v e l y , c o m p a r e d w i t ht h a to f a z 3 1 砒h o t e x t r u d i n gs t a t e a d d i t i o no fi r ea n d1 s bc o u l da c h i e v eb e t t e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t e n s i l es t r e n g t h ，s p e c i f i ce l o n g a t i o na n di m p a c tt o u g h n e s so fi t i m p r o v e d7 似，1 1 1 a n d1 7 5 ，r e s p e c t i v e l y t h ea n a l y s i so ft h et e n s i l ef r a c t u r e m o r p h o l o g yo f t h eh o t - e x t r u d i n ga l l o y ss h o w e dt h a t 嘶t 1 1t h ea d d i t i o no fi r ea n d1 s b d i m p l e sw e r er e g n a n t , t e a r i n gr i bw a ss e e na p p a r e n t l y , c l e a v a g ea n dq u a s i - c l e a v a g ew e r e n e a r l yo b s e r v e d t h ea l l o y ss h o w e dm a i n l yt e n a c i t yf r a c t u r e t h et h i c ka c i c u l a r - s h a p ea 1 - r ep h a s e sd i s p e r s e do ng r a i nb o u n d a r yo fa z 3 1 i r e a l l o ya s - c a s t b yt h ee x t r u s i o n , t h ea c i c u l a r - s h a p er a r ee a r t hp h a s eb r o k e nu pt op o l y g o n p a r t i c l ea n dp r e s e n t e dc h a i nd i s t r i b u t i o n b u tt h es h a p ea n dd i s t r i b u t i o no ft h ea i r e p h a s er e n d e db a s a lb e d yo ft h ea l l o ya n di n d u c e ds t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，s ot h et o u g h n e s s a n de l o n g a t i o n w e r er e d u c e d b y t h ea d d f i o n o f s b t o t h e a z 3 1 - i r e ，t h ea c i c u l a r - s h a p e a i r ep h a s e sc h a n g e dt ot h eg l o b u l a r - s h a p er e s bp h a s e sa n dm a i n l yd i s t r i b u t e di n s i d e t h eg r a i n sa s - c a s t b yt h ee x t r u s i o nt h eg l o b u l a r - s h a p ep h a s eb r o k eu pa n dd i s t r i b u t e dm o r e h o m o g e n e o u s l ya n dt h et o u g h n e s sa n de l o n g a t i o nw l 既 ei n c r e a s e d s ot h ed e f o r m a b i l i t y w a si m p r o v e d t h eh i 曲e s te x t r u s i o nv e l o c i t yo f a z 3 1w a s2 3m r a i na t3 8 0 。c w h e nt h ee x t r u s i o n t e m p e r a t u r ei n c r e a s e dt o4 2 0 。c ，t h eg r a i ns i z eg r e wc o a r s e ra n dt h es u r f a c eo ft h eb a r s a p p e a r e db u r n i n gl o s s b u tt h eh i g h e s te x t r u s i o nv e l o c i t yo fa z 3 1 一i r e - 1 s bc o u l d a c h i e v e3 8m r a i na t4 2 0 cw i t h o u th o r i z o n t a lc r a c ko rb u r n i n gl o s s t h eg r e a ti n c r e a s eo f t h ee x t r u s i o nv e l o c i t yc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f t h ee x t r u s i o n k e y w o r d s ：a z 3 l ；r e ：s b ；t h e r m a ls i m u l m i o n ：e x t r u s i o n ：m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s ：d e f o r m a b i l i t y i v 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 镁合金是目前可用的密度最轻的结构材料。其比重约为铝合金的2 3 ，锌合金及 钢材的1 3 。镁合金具有较高的比强度和比刚度，以及优良的铸造性能和切削加工性 能；具有优良的阻尼特性，在各种压力下的减震性远远高于铝合金和铸铁；镁合金还 易于回收再利用。镁合金在汽车工业中被用作壳体部件，座椅，转向柱，轮毂等零件 时可以消除部件本身的震动，提高汽车的安全性和可操作性能，因此被称为2 1 世纪 “绿色环保工程材料”【l - 6 1 。 近几年镁合金在世界范围内的应用年增长率高达2 0 。我国镁资源储量虽然世界 第一，占世界总储量的5 0 以上，但镁产业整体上还处于相对落后阶段。丰富的镁资 源主要是以镁砂等初级产品的形式大量出口( 2 0 0 5 年出口量仍达年产量的7 5 以上) ， 未出口的也主要用于低附加值产品领埘7 叫。 镁合金材料分为铸造镁合金与变形镁合金两大类。前者主要通过铸造获得镁合金 产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年来，铸造领域中一些新的生产工艺和技术，如 压力铸造技术( d i ec a s t i n g ) 1 0 - 1 1 ，半固态成型技术( s e m i s o l i df o r m i n g ) 1 1 2 - 1 3 等， 都被用来开发新型镁合金材料，并取得了很大的进展。与这些工艺生产的铸态材料相 比，变形镁合金更具发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型 材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合 金材料更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能的材料，从而满足更多结构 件的需要。因此，研究与开发新型变形镁合金以及开发变形镁合金生产新工艺，生产 高质量的变形镁合金产品，是国际镁协会( i n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u m a s s o c i a t i o n - i m a ) 在2 0 0 0 年提出的发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划【1 4 1 。 西方发达国家十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金材料己开始向系列化发 展，产品应用领域不断扩展。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 】5 】。 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 我国在2 0 世纪5 0 年代末开始对稀土在镁合金中的应用展开研究。几十年来研究出 不少有应用价值的含稀土镁合金，广泛地应用于航空航天工业。据不完全统计，我国 含稀土镁合金已有1 0 多种，所用的稀土大致是钕、钇、铈族混合稀土，或铈和钕同时 使用，这种情况与国外大致相似；但稀土用量一般都较国外为低。从所采用的稀土种 类看，前期以采用轻稀土和铈族混合稀土为主，而后出现含钇或钇和钕的镁合金；大 约在2 0 世纪8 0 年代中，我国开始以富钇混合稀土代替钇做添加剂，并收到满意效 剿1 6 - 2 0 l 。我国有丰富的稀土资源，开发含稀土的高品质镁合金材料在我国有独特的优 势。随着稀土开发应用的进一步发展，通过对混合稀土以及单一稀土与铸造镁合金中 其它元素的相互作用、稀土对合金宏观和微观组织及各种性能影响的机理、以及稀土 加入方式和熔炼质量控制方面的深入研究，稀土在铸造以及变形镁合金领域的应用前 景将非常广阔。 我国是镁合金大国，又是稀土大国，因此，研究和开发新型、高性能含稀土变形 镁合金具有重要的现实意义。当前我国镁合金产业发展最紧要的任务是，开发高性能、 高附加值的含稀土变形镁合金产品，尽快形成具有独立知识产权的镁合金深加工技术 体系和镁合金加工产业，变以出口原材料镁锭为主转为出口高附加值的镁合金零件及 配套产品，以提高镁合金产品的国际竞争力。 1 2 变形镁合金研究现状 镁合金为密排六方结构，其独立滑移系比较少，在室温下塑性变形仅限于基面 o o o l ( 1 1 2 0 ) 滑移及锥面 1 0 1 2 ( 1 0 1 1 ) 孪生，只有3 个几何滑移系和两个独立的 滑移系，因此镁合金的室温塑性加工能力较差。当温度高于2 5 0 c 时，附加滑移面角 锥面 1 0 1 1 开始起作用，变形容易得多所以镁合金塑性加工主要在2 0 0 c 4 0 0 c 下 进行【2 l - 2 4 1 。与铸造合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延伸率和更多样化 的力学性能，可以满足更多样化的结构件的需求。另外变形镁合金是未来空中运输、 路上交通以及军工领域的重要结构材料，许多镁合金板材、管材及复杂断面型材是无 法用铸造方法来生产的。近期对变形镁合金的开发，国外给予了很大重视，合金向系 列化发展，而且各发达国家都建立了自己的合金系列。如美国主要变形镁合金有 m g - a i - z n 系列的a z 3 1 和a z 6 1 ，m g z n - z r 系列的z k 6 0 和z k 6 1 。最重要的商用变形镁 合金为a z 3 1 b ，其具有良好的强度和延展性，可以轧制成薄板、厚板，挤压成棒材、 郑州大学硕上学位论文 第一章绪论 管材、型材或加工成锻件等口”7 1 。 1 2 1 常用的变形镁合金系列 在变形镁合金中，常用的合金系是m g - a 1 系与m g z n - z r 系【踟2 1 。m g - a 1 系变形 合金一般属于中等强度、塑性较高的变形材料，铝在镁中的含量为o 8 ，由于m g a i 合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀性能，而且价格较低，因此是最常用的合金系。 m g - z n - z r 系合金一般属于高强度材料，其变形能力不如m g a 1 系合金，一般采用挤 压工艺生产。另外m g o l i 系合金及m g t h 系合金也是常用的变形镁合金的牌号。 稀土变形镁合金制品可使镁合金大量地应用于结构件上，如轧制的薄板或厚板， 挤压材和锻件。常见的稀土变形镁合金有z e l 0 a ( m g 一1 5 z n - 0 2 m m ) 。但由于变形镁 合金的开发与研究不够充分，有关稀士对其组织和性能影响的研究远不如稀土在铸造 镁合金中的研究那么成熟圆。 1 2 1 1m g - 舢z n 系列 目前常用的几种m g - a i - z n 合金为a z 3 1 、a z 6 1 和a z 8 0 ( 美国牌号) 。该系列合 金具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性能，且屈服强度较高，是目前应用最广的 变形镁合金系列。m g a 1 系中添加少量z n 是为了提高合金元素的固溶度，从而提高热 处理强化效果；加入0 1 0 5 w t 的m n 是为了提高抗蚀性。室温下m g - a i z n 系合金主 要是通过晶界强化相m g l 7 a 1 1 2 起沉淀强化作用1 2 蚴1 。 1 2 1 2m g z n z r 系列 m g - z n z r 系列中常用的合金牌号为z 0 1 和z k 6 1 。该系列合金的主要特点是强度 ( 包括抗拉强度和屈服强度) 很高，同时成型性和阻尼性好。可用于制备成挤压件和 锻压件。但该合金系列熔炼、铸造困难，一般仅是用于砂型铸造。这个系列合金的压 铸工艺性较差，限制了其广泛应用 3 2 - 3 3 1 。 1 2 1 3m g - l i 系列 m g - l i 系合金是迄今最轻的金属结构材料。其共晶成分范围合金具有极优的变形 性能和超塑性。最典型的m g - 1 4 l i 一1 a i 密度为1 3 5 9 c m 3 ，抗拉强度为1 3 0 m p a ，屈 服强度1 0 3 m p a ，伸长率1 2 ，杨氏模量4 2 7 g p a ，但m g l i 合金的成本和工艺方面的 限制，目前只用于航空领域中3 4 。3 7 】。 郑州大学硕 学位论文 第一章绪论 1 2 1 4m g - t h 系列 m g t h 系列中常用的合金牌号为h k 3 1 、h m 2 1 和h z l l 。其主要特点为高温抗蠕 变性能好，可用于制备挤压件、锻件和板材。该系合金在强度方而也表现较好，但因 含有放射性元素t h 而难以民用化嘲。 1 2 2 变形镁合金加工成形技术 镁合金的塑性成形方法与其他金属基本相同，主要有：轧制成形、挤压成形、锻 造成形及板料冲压成形等【3 酊。 l 22 1 挤压加工 目前，镁合金管材、棒材、型材等产品主要采用挤压方法加工成形。金属在挤压 变形区中处于三向压应力状态，可以充分发挥其塑性，提高其变形能力，获得大的变 形量。因此，对于镁合金这类塑性较差的金属，挤压成形是最容易实现的塑性变形。 镁合金的挤压工艺和设备与其他金属的类似，包括正向挤压和反向挤压。镁及镁 合金的典型挤压温度范围是5 7 3 7 2 3 k ，挤压温度的高低取决于合金种类和挤压件形 状。镁合金挤压的挤压比在( 1 0 ：1 ) ( 1 0 0 ：1 ) 之间变化，已预挤压的锭坯挤压比可适当 增大。工件在挤压成形过程中会生成大量的热，从而必须充分散热，否则会导致镁合 金发生热裂。挤压件脱模后，为了保持微细、均匀的显微组织，可采用强迫气冷或水 冷进行淬火。挤压具有细化晶粒的作用，同时能提高材料的强度和塑性 3 9 , 4 0 1 。 1 2 2 2 轧制加工 镁合金的带材及板材一般采用轧制成形的方法生产。车l s f j 过程可以细化晶粒，改 善镁合金组织，显著提高镁合金的力学性能。 温度是镁合金轧制过程中最重要的工艺参数。低温轧制时，高的应力集中可导致 孪晶形核和切变断裂；车l s f 温度过高时，晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大。镁合 金轧制时的温度范围一般为4 9 8 7 2 3 k ，在此温度区间和中等应变速率条件下，易发 生动态再结晶而使轧制性能得到明显改善。当轧制温度超过4 9 8 k 时，轧制压下量可 达8 5 7 以上而不出现裂纹；而在4 7 3 k 以下的温度s l s u 时，成形性能变差，易出现裂 纹 4 1 m l 。 1 2 2 3 锻造加工 镁合金锻件具有组织致密、无孔隙、高性能等优点，可用于对气密性要求严格的 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 场合，在工业应用上得到了充分重视。适于锻造成形的镁合金有m g - a i - z n 、m g - z n - z r 和m g - y - r e 系合金。镁合金锻件的力学性能通常取于锻造过程中所产生的应变硬化程 度。锻造温度越低，其应交硬化效果越显著，但同时锻件容易开裂，温度过高则氧化 严重。 锻造温度取决于锻造压力和锻造合金的种类。镁合金的锻造温度通常比固相线温 度低5 5 k 左右，除高锌z k 6 0 合金外，大多数镁合金可在5 6 3 6 5 8 k 进行锻造。在锻造 温度下，a z 3 1 b 、a z 6 1 a 和a z 9 0 a 等合金的晶粒快速长大，因此通常在逐步降低的温 度下进行锻造以细化晶粒。一般每一步锻造操作后将温度调低1 5 2 0 k ，只经过少量 压缩变形的工件可以在实际可行的最低温度下进行锻造以获得应变硬化效果。在锻造 温度下，a z 6 0 a 和a m 2 1 a 合金的晶粒长大缓慢。镁合金锻后水淬可以防止再结晶和 晶粒长大。对于一些时效硬化型合金，水淬保留了固溶时的硬化相并在随后的时效处 理中从固溶体中沉淀析出从而可以提高其时效强化性能, 4 5 】。 1 2 2 4 冲压成形 板料冲压成形一般应用于塑性较好的镁合金材料，常用的牌号有a z 3 1 b 镁合金 等。 镁合金室温塑性较差，其拉深、胀形等成形温度一般应在2 0 0 。c 4 0 0 范围内。 成形温度低于2 0 0 时，拉深件易产生断裂；高于4 0 0 c 时，将产生氧化现象，且易起 皱。当在3 0 0 3 5 0 范围内，镁合金板材极限拉深比可达2 2 。镁合金薄板的拉深 性能与板材的各向异性比、加工硬化率以及成形温度、速度、工件形状及摩擦润滑等 工艺条件有很大关系。一般来说，随着温度的升高，镁合金薄板的深拉延性能可得到 明显改善 4 6 , 4 7 1 。 1 3 稀土在a z 3 1 变形镁合金中的应用及研究现状 1 3 1a z 3 1 变形镁合金组织特性 a z 3 1 镁合金是目前应用最广泛的变形镁合金，它具有较好的室温强度，良好的 延展性以及优良的抗大气腐蚀能力。按化学成分，a z 3 1 变形镁合金属于m g - a 1 - z n 三元合金系，其主要合金成分见下表1 - 1 ： 郑州大学硕上学位论文第一章绪论 表! - 1a z 3 1 b 镁合金主要化学成分( ) t a b 1 1m a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f a z 3 1 ba l l o y a z 3 1 镁合金铸锭的铸态组织基体为a - m g 固溶体，少量的第二相p - m g l 7 a i l 2 呈 骨骼状分布于枝晶间和晶界处。m g l 7 a i l 2 是a z 3 1 镁合金中唯一的化合物相，其为体 心立方结构，晶格常数a = 1 0 5 4 3 8 n m 【4 引。由于偏析和在晶界以及枝晶间存在m g , t a i l 2 第二相，使镁合金的热塑性降低，加工性能变坏。为保证变形加工工艺的实施和提高 合金的组织成分均匀性，需要对合金铸锭进行均匀化处理。在均匀化处理过程中，通 过原子扩散，可在很大程度上消除晶内偏析和内应力，改善铸锭化学成分与组织不均 匀性，提高其工艺塑性。经均匀化处理后的组织，基体上的枝晶数量大大减少，但枝 晶之间以及基体上还存在着少量的1 3 - m g l 7 a 1 1 2 第二相。 m g j 7 m 1 2 相的形成机制、存在状态、数量、大小、分布以及晶体学位向关系无疑 对合金的性能有不可忽视的影响。研究表明，m 9 1 7 a l l 2 相可以连续和不连续沉淀两种 方式从m g 基体中析出，当时效温度高于约2 0 5 c 时，m g l t a l l 2 相以连续方式析出； 当温度较低时，通常以不连续沉淀方式析出。经固溶时效处理的a z 3 l 合金中具有4 种形态和位向关系的析出相，有板条状( 记为1 3 - m 9 1 7 a i l 2 占9 0 以上) 、六棱柱状、 短棒状及少量的等轴状。透射电镜研究表明其中板条状、六棱柱状、短棒状析出相分 别与镁基体保持b u r g e r s 、c r a w l e y 和p o t e r 位向关系，同种析出相颗粒之间或异种析 出相颗粒之间能形成不具孪晶结构的伪孪晶关系，从而促进与基面垂直方向析出物的 析出，有效的提高了合金的强度 4 9 。5 0 l 。由于a z 3 1 变形镁合金合金元素含量较低，固 溶强化和时效强化效果不明显，目前主要通过微量元素合金化和热处理两种手段来达 到改善a z 3 l 镁合金组织、提高性能的目的。 1 3 2 稀土在镁合金中的作用 稀土元素由于具有独特的核外电子排步，表现出独特的性能。在冶金过程中它可 以净化合金液、改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能、增强合金的耐腐蚀性 能和抗蠕变性能等。因此，稀土作为主合金元素或微合金元素，被广泛应用在钢铁 及有色金属合金( 铜、铝、锌、镁等) 中。在镁合金领域，稀土优异的净化、强化作 用不断被人们认识和掌握，并开发出一系列含稀土的镁合金。随着镁合金在高强和高 郑州大学硕t 学位论文第一章绪论 温应用领域的开发，稀土在铸造和变形镁合金领域的应用得到了进一步的发展 5 1 - 5 4 】。 下面分别介绍稀土在镁合金中的主要作用。 1 3 2 1 去氧除氢 在镁合金中，氧化夹杂主要为m g o ，由于稀土元素与氧的亲和力大于m g 与氧的 亲和力，因此，稀土加入镁合金液后将生成稀土氧化物，从而起到去除氧化物夹杂的 作用。 在熔炼过程中，由于镁与水气的反应使镁合金具有较强的吸氢倾向，而溶解于镁 合金液中的氢，是铸件产生气孔、针孔及缩松等铸造缺陷的主要原因，因此，必须降 低镁合金液中的含氢量。当稀土元素加入镁合金液后，稀土元素与水气和镁液中的氢 反应，生成稀土氢化物和稀土氧化物，从而达到除氢的目的 5 1 , 5 5 ) 。 1 3 2 2 提高流动性 稀土能够提高镁合金的铸造性能，特别是流动性。这是由于：r e 与m g 能形成简 单的共晶体系；睢m g 合金结晶温度间隔小：r e 与m g 形成的低熔点共晶体具有 很好的流动性。因此，r e j j l l , k m g 合金后，合金的流动性增加，缩松、热裂倾向减 少【5 5 6 1 。 1 3 2 , 3 强化作用 二元m g r e 合金的室温拉伸性能都很差，不具有作为结构应用的意义，其主要原 因是这些合金晶粒粗大而导致性能降低，自从发现z r 在镁合金中具有显著的晶粒细化 作用之后，解决了这一问题，从而开发了一系列含稀土的镁合金。尽管稀土对铸态镁 合金的室温拉伸性能影响很小，但是却显著提高镁合金的高温拉伸性能和蠕变强度， 特别是对低铝的m g 合金，这一效果尤为突出【5 m 7 1 。 1 3 2 4 提高耐蚀性 研究表明，m g - 1 0 g d ( 或d y ) 合金在盐溶液中浸泡时，通过g d 和d y 而获得 稳定的保护膜，结果使这些合金的铸态和固溶处理试样的耐蚀性与具有良好耐蚀性的 a z 9 1 d 合金相当，其峰值时效试样的耐蚀性比a z 9 1 d 更高f 5 5 枷】。 1 3 3 稀土在a z 3 1 变形镁合金中的研究现状和存在问题 在变形镁合金的型材研发方面美国、欧洲、日本和我国台湾地区已开展了大量工 郑州人学硕士学位论文 第一章绪论 作，已开始在交通工具、电子行业等领域使用。国内的重庆大学、上海交通大学、首 钢等单位也进行了试验研究并挤压出镁合金管、型材产品。但普遍存在合金组织结构 不良，管型材弯折性能不能满足要求、强韧性低、耐腐蚀性差、挤压比小、挤压速度 低、管型材表面易出现烧损和横裂，挤压过程易出现死机等问题。这些问题严重阻碍 了我国镁合金管型材的实际应用。如重庆大学等单位采用分流模挤压的镁合金管材， 由于焊合不良在弯曲时焊口出现裂纹，不能满足使用工艺性能要求；首钢和山东研制 的a z 3 1 挤压管材屈服强度仅1 1 0 m p a ，而且韧性差，挤压工艺易出现问题；上海交 通大学在研究中采用的挤压比不能超过4 5 ，挤压速度o 5 1 5 m r a i n ，挤压过程易出 现死机。 由于稀土元素可以改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能、增强合金的耐 腐蚀性能和抗蠕变性能等，目前已有镁合金生产单位把稀土添加到a z 3 1 变形镁合金 中轧制成板材和挤压成棒材、管材和型材，并取得了良好的经济效益。 上海交通大学的丁文江，周海涛以及中南大学的余琨，黎文献等分别研究了稀土 元素在a z 6 1 和a z 3 1 变形镁合金中所起的作用 6 1 - 6 5 】，结果表明：向a z 3 1 镁合金中 添加加入l 左右的r e ( 混合稀土) 会形成含稀土的化合物，如a 1 4 r e ，a 1 l l r e 3 或 a 1 2 r e 相，而没有发现m g - r e 相或m g - r e a i 相化合物，说明在r e 加入量较少时， 稀土优先与a l 结合生成化合物。由于r e 与m 结合生成硬质高熔点a i r e 化合物， 减少了低熔点的b m g l 7 a 1 1 2 相的数量，这些a i r e 化合物可以作为异质核心细化基体 组织，将1 3 相由粗大沿晶界分布的网状形态改变为细小弥散状态，有利于提高铸态和 挤压态的强韧性，且可同时显著改善合金的高温抗蠕变性能、耐腐蚀和阻燃性能【6 1 - 6 5 。 因此，稀土合金化已经成为改善a z 3 1 变形镁合金组织、提高其综合性能的重要手段， 对促进镁合金的实际工业应用具有十分重要的价值。 但是，合金中的稀土元素优先与a l 结合生成a 1 r e ( a 1 4 r e 、a i l l r e 3 、a 1 2 r e 或 a i l o r e 2 m n t ) 等脆性针状稀土相，这些针状相主要沿晶界分布，而且随着稀土含量的 增加，针状相明显增多并聚集长大【6 5 舶l 。这种现象也普遍存在于其它系列的稀土合金 化含铝镁合金中。文献指出1 6 3 t 6 5 ；稀土合金化高锌镁合金中含铝稀土相呈粗大针状， 沿晶界甚至跨越晶界分布。也就是说，只要在含铝镁合金中进行稀土合金化，就一定 会出现针状稀土相( 一般稀土含量在o 3 以上，含量太低，稀土元素的作用则不明 显) ，并且针状稀土相的形成与稀土元素的种类没有直接关系，且通过现有热处理手 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 段( 如固溶等) 不能改变其形态和分布。以针状形态存在的稀土相，对m g 合金基体 产生很强的割裂作用，当合金受力时，易引起应力集中，对合金强韧性及塑性加工性 能十分不利。 1 4 本课题的研究内容及技术路线 1 4 1 选题依据及意义 目前，a z 3 1 镁合金为最重要和应用最广泛的变形镁合金之一，其塑性较高、可 锻性好、应力腐蚀倾向小，可以轧制成薄板、厚板，挤压成棒材、管材、型材或加工 成锻件等。但作为结构为密排六方的镁合金，其塑性远远不能和传统的铝材和钢材相 比，其在管材挤压生产中的最高加工速度仅为l n = l n f i n 左右，生产效率不高成为制约 变形镁合金广泛应用的重要瓶颈。所以，当前如何提高镁合金的塑韧性和塑性变形能 力，改善镁合金挤压工艺，从而提高挤压生产效率成为发展变形镁合金当务之急。 前期研究发现【6 “l 删，在a z 3 1 合金中添加一定量的稀土元素可以细化基体组织， 改善p - m 9 1 7 舢1 2 相形貌，有利于提高其力学性能和耐腐蚀性能，但同时发现稀土元素 优先与a l 结合生成a 1 r e 脆性针状稀土相，这些稀土相主要沿晶界分布，对m g 合 金基体产生很强的割裂作用，当合金受力时，易引起应力集中，对合金塑性加工十分 不利；在含稀土的铝镁系合金中通过微量元素s b 可以有效的变质针状稀土相， a z 3 1 b i r e 镁合金经适量s b 变质后，得到了细小球状的稀土相，并主要在晶内分 布，合金强韧性得到了显著提高。 在此基础上，本课题通过研究合金元素r e 和s b 对a z 31 变形镁合金在热压缩 过程中的应力应变关系以及热挤压变形过程中塑性变形能力和挤压材组织性能的影 响，来研究合金在挤压变形过程中第二稀土相对镁合金热变形机理的影响。期望通过 合金元素的添加，在改善a z 3 1 镁合金挤压材的组织和提高力学性能的同时，提高镁 合金在挤压过程中的塑性变形能力，从而提高挤压加工的生产效率，改善变形材表面 质量，减少热烧损和横裂等缺陷的产生。 1 4 2 主要研究内容 本课题主要结合郑州市重大项目高性能镁铝稀土基合金管型材的研究与开发， 主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 研究r e 和s b 对a z 3 1 镁合金高温热压缩流变应力及动态再结晶的影响； 郑州大学硕上学位论文第一章绪论 ( 2 ) 研究r e 和s b 对a z 3 1 变形镁合金挤压材显微组织和力学性能的影响； ( 3 ) 研究挤压温度和挤压比对含r e 和s b 的a z 3 1 镁合金的显微组织和力学性能的 影响； ( 4 ) 研究r e 和s b 对a z 3 1 变形镁合金挤压变形能力的影响； ( 5 ) 研究r e 和s b 对a z 3 1 镁合金挤压变形过程中塑性变形机制的影响。 1 4 3 技术路线 郑州大学硕士学位论文第一二章试验方法及分析于段 第二章试验方法及