（材料学专业论文）az31镁合金挤压轧制薄板组织及性能的研究.pdf

中南大学硕上学位论文摘要 摘要 镁合金板材在航空航天 汽车 3 c 等领域都有着十分广泛的应用前景 但由于 镁合金室温塑性差 传统的轧制必须在较高温度下进行 而且轧制工序很长 导致 生产周期过长 成品率低 成本高 本论文采用挤压 车l 制方法制备a z 3 1 镁合金薄 板 并评价利用挤压一轧制方法制备的a z 3 1 镁合金薄板的组织 性能等 通过实验确定了合适的a z 3 1 镁合金薄板宽展挤压和后续热处理 轧制工艺条 件 并采用x 射线衍射 x r d 透射电镜 t e m 金相 o 峋 室温拉伸等实验手段 详细研究了挤压薄板的微观组织 织构及力学性能 并从镁合金变形机制入手详细 讨论织构对板材力学性能的影响 研究结果表明 1 通过实验确定的挤压工艺条件为 铸锭 由9 0 r a m 加热温度3 8 0 c 挤压筒 加热温度2 5 0 c 挤压比为4 2 4 挤压速率2m m s 采用上述挤压条件 成功制备 出厚度1 5 m m 宽度l o o m m 的挤压薄板 2 挤压薄板主要有 0 0 0 2 和 f 1 0 1 0 两种织构组分 板面内力学 各向异性明显 沿挤压方向屈服强度最高达到2 0 0 4 m p a 是因为此种取向基面滑移 和 1 0 1 2 1 锥面孪生均不能开动 是织构强化的结果 与挤压方向呈4 5 方向延伸率 最高达1 9 0 是因为具有 1 0 i 0 织构组分晶粒的基面滑移开动 与挤压方 向呈9 0 方向屈服强度最低仅为挤压方向相应值的一半左右 是由于具有 1 0 i 0 织构组分晶粒发生t 1 0 1 2 锥面孪生 3 挤压薄板经4 5 0 3 h 退火之后 平均晶粒尺寸从3 7 肛m 长大到4 5 9 m 0 0 0 2 f 9 1 1 叮0 两种织构组分强度也明显增加 挤压薄板在4 0 0 经 3 0 压下量热轧1 道次之后 f 1 叮0 织构组分消失 0 0 0 2 织构组分 强度明显下降 这主要归因于在热轧过程中发生了旋转动态再结晶 另外 经过5 5 压下量热轧1 道次加2 0 0 c 退火1 h 的试样平均晶粒尺寸小于5 9 m 关键词 a z 3 1 镁合金 挤压薄板 l n 织构 力学性能 d i s s e r t a t i o n f o rm a s t e r d e g r e eo f c s u m a g n e s i u ma l l o ys h e e t sa r ep r o m o s i n gm a t e r i a l st h a tc a nb ew i d e l y u s e di na e r o s p a c e a u t o m o t i v e 3 ca n do t h e rf i e l d s h o w e v e r b e c a u s eo ft h e p o o rf o r m a b i l i t y a tr o o mt e m p e r a t u r e t h et r a d i t i o n a lr o l l i n gm u s tb ec a r r i e d o u ta th i g h e rt e m p e r a t u r e s a n di ti ss oc o m p l e xt h a tt h ec o s ti su n a c c e p t a b l e m a g n e s i u ma z 3 1s h e e t sw e r ep r e p a r e db ye x t r u s i o na n dr o l l i n gm e t h o di n t h i s p a p e r t h em 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 t h e s es h e e t sw e r es t u d i e d t h ee x t r u s i o n r o l l i n ga n dh e a t r e a t m e n tp a r a m e t e r so fm a g n e s i u m a z 3 1s h e e t sw e r ed e t e r m i n e di nt h i sp a p e r x r a yd i f f r a c t i o n l m t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p yq e m o p t i c a lm i c r o s c o p y o m ir o o m t e m p e r a t u r et e n s i l et e s t s a n do t h e re x p e r i m e n t a lm e t h o d sw e r ee m p l o y e dt o i n v e s t i g a t et h em i c r o s t r u c t u r e t e x t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft e s t i n g m a t e r i a l s e f f e c t so ft e x t u r e o nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ea l s o d i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t 1 t h ee x t r u s i o np a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s i n g o t sw e r eh e a t e df r o m r tt o3 8 0 w i t hs q u e e z et u b eh e a t e dt o2 5 0 t h ee x t r u s i o nr a t i oi s4 2 4 a n dt h ee x t r u s i o nr a t ei s2m mls t h es h e e t sw e r es u c c e s s f u l l ye x t r u d e d w i t hi t st h i c h n e s so f1 5 m ma n dw i d t ho fl o o m ma c c o r d i n gt ot h ee x t r u s i o n p a r a m e t e r sa b o v e 2 t h e r ea r et w om a i nt e x t u r ec o m p o n e n t s w h i c ha r e 0 0 0 2 1 a n d 10 1 0 t g e t t i n gf r o mt e x t u r ea n a l y s i s t h er e s u l t sr e v e a l e db y t e n s i l et e s t sa tr o o mt e m p e r a t u r ea r ea sf o l l o w s b a s a ls l 啦a sw e l la s 10 1 2 t p y r a m i d a lt w i n n i n gi si n h i b i t e di ne x t r u s i o nd i r e c t i o nu nd e rt e n s i l el o a d s w h i c hr e s u l t si nt h eh i g h e s ty i e ms t r e n g t h 2 0 0 4 m p a f o rs p e c i m e nsi nt h e d i r e c t i o n4 5 t oe x t r u s i o nd i r e c t i o n b a s a ls l i p 括a c t i v a t e di ng r a i n sw i t h 10 1 0 t e x t u r ec o m p o n e n t w h i c hr e s u l t si nt h eh i g h e s te l o n g a t i o n p e r c e n t a g e 19 d 吲 t h ey i e ms t r e n g t hi n t h ed i r e c t i o n9 0 t oe x t r u s i o n d i r e c t i o ni so n l yh a l fo fi t sc o u n t e r p a r ta l o n ge x t r u s i o nd i r e c t i o n d u et ot h e o c c u r r e n c eo f l0 1 2 p y r a m i d a lt w i n n i n gi ng r a i n sw i t h l0 1 0 t t e x t u r ec o m p o n e n t 1 3 t h ea v e r a g eg r a i ns i z eo fe x t r u d e ds h e e t sg r e wu pf r o m3 7 9 mt o 4 5 p ma f t e ra n n e a l i n g3 ha t4 5 0 t h ei n t e n s i t yo f o 0 0 2 a n d lo l o t e x t u r ec o m p o n e n t s w e r ei n c r e a s e d s i g n i l i c a n t l y lo l o t e x t u r ec o m p o n e n td i s a p p e a r e da f t e rh o tr o l l e do n ep a s sa t 4 0 0 w i t h3 0 t h i c k n e s sr e d u c t i o n t h ei n t e n s i t yo f 0 0 0 2 t e x t u r e c o m p o n e n td e c r e a s e ds i g n i 9 f i c a n m a i n l yd u et o t h er o t a t i o nd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n r d x d u r i n gt h e h o tr o l l i n gp r o c e s s i na d d i t i o n t h e a v e r a g eg r a i ns i z eo ft h es a m p l e sw h i c hw e r eh o tr o l le da t4 0 0 w i t h5 5 t h i c k n e s sr e d u c t i o na n da n n e a l i n gl ha t2 0 0 i sl e s st h a n5 吐m k e yw o r d s m a g n e s i u ma l l o ya z 3 1 e x t r u d e ds h e e t s r o l l i n g t e x t u r e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s 原创性声明 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 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 期 娑f 年 月 日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 引言 镁及其合金是目前工程应用最轻的金属结构材料 纯镁的密度仅为1 7 4 9 c m 3 大多数镁合金的密度也均在1 7 1 9g m n 3 之间 此外 镁合金还具有比强度和比刚 度高 阻尼减震性好 导热性好 电磁屏蔽效果佳 机加工性能优良和易回收等优 点1 1 一 但是 由于受材料制备 加工技术 抗腐蚀性能以及价格等因素的制约 镁 合金尤其是变形镁合金的应用在过去几十年中一直远远落后于钢铁和铝合金 近年 来 由于对汽车轻量化和环保要求的不断提高以及能源的日趋紧张才激发了研究人 员对镁的极大兴趣 大多数镁合金均为密排六方 h c p 晶体结构 在常温下仅有两个独立的基面滑 移系 室温塑性变形 压力加工成形能力很差 同时 大多数镁合金又具有较好的 铸造性能 所以目前镁合金产品以铸件 特别是压铸件居多 变形产品很少 不到总 量的5 然而 铸件的力学性能不够理想 产品形状尺寸存在一定的局限性且容 易产生组织缺陷 导致其使用性能和应用范围受到很大限制 图1 1 1 3 1 对比了变形 镁合金和压铸镁合金的强度及塑性指标 由图可见变形镁合金的力学性能明显优于 压铸镁合金 研究表明 镁合金在热变形 如挤压 轧制 锻造等 后晶粒得到显著 细化 铸造组织缺陷减少甚至消失 并且可以通过调整塑性变形和热处理工艺来控 制材料的组织和性能 从而产品的综合力学性能得到很大提升 国际镁协会 i m a 在2 0 0 0 年提出一项发展镁合金的长远计划 即研究和开发新型变形镁合金 开发变 形镁合金加工新技术 新工艺 生产高质量的变形镁合金产品 这也代表了当今镁 工业的发展趋势 y l o l ds t r e n g t h m p u 图1 1 变形镁合金和压铸镁合金力学性能对比 目前国际上高质量的变形镁合金产品大多由国外少数几家公司所垄断 我国变 形镁合金材料的研究与开发还处于起步阶段 国内仅有洛铜和另外几家中小型企业 芒吾已i co一备aco面 中南大学硕上学位论文 第一章文献综述 可以生产变形镁合金板材 但是规格都比较少 成本也很高 缺乏高质量的变形镁 合金板 棒 管 型材等 国防军工 航空航天用高性能变形镁合金材料大部分依 赖进口 民用产品也大多处在研发阶段 因此 研究开发出性能优良 规格多样的 变形镁合金材料在国防和民用领域均有着重要的意义 在变形镁合金产品中 镁合金板材在航空航天 汽车 3 c 等领域都有着十分广 泛的应用前景 但由于镁合金室温塑性差 传统的轧制必须在较高温度下进行 而 且轧制工序很长 图i 2 为a z 3 1 镁合金板材典型的轧制工艺 由于镁合金的导热 性能很好 所以在轧制过程中至少得进行2 3 次中间加热 导致生产周期过长 成 本太高 价格昂贵 与其他金属结构材料相比特别是铝合金板材相比没有太多竞争 优势 此外 镁合金板材在轧制过程中易形成 0 0 0 1 基面织构1 4 叫 成品板材通常具 有很强的各向异性 这对后续加工特别是拉深极为不利 7 9 1 热粗轧j r 加热温度6 7 3 k l o m m 热中轧上加热温度6 5 3 k 2 s m m 精轧 1 l 加热温度 室温一5 7 3 k 图1 2a z 3 1 镁合金板材典型轧制工艺 鉴于上述原因 本论文采用宽展挤压方法制备a z 3 1 镁合金薄板 a z 3 1 m g 3 a 1 1 z n w t 合金是m g a 1 合金系中最为典型的合金 兼具较高的强度和相对 较好的塑性加工能力 是目前商业化应用最多的镁合金牌号 1 2 镁及镁合金的结构与性能特征 1 2 1 晶体特性 纯镁及大多数镁合金均为密排六方 h c p 晶体结构 图卜3 是纯镁的晶体结构 示意图 原子以 0 0 0 1 面在空间按a b a b 顺序堆垛而成 其中a 0 3 2 0 9 n m c 0 5 2 1 0 n m 轴比 c a 为1 6 2 3 接近密排六方晶体结构轴比的理想值1 6 3 3 图卜4 为镁合金中重要的晶面及晶向 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 a l a y e r b l a y e r a l a y e r 图1 3 镁合金的晶体结构模型示意图 口p o o o l l i 加l o l o 口i 1 0 1 醚裂 篙 面浮闵是 2 1 1 0 1 t i o l o i 图1 4 镁合金中重要的晶面和晶向 1 2 2 物理性能 纯镁的密度为1 7 4 9 c m 3 镁合金的密度大多在1 7 5 1 9 0g e m 3 之间 约为铝 合金的2 3 钢的1 4 是目前可工程应用最轻的金属结构材料 镁合金的强度接近 铝合金 而比强度明显高于铝合金和钢 它的比刚度与铝合金及钢相当 但远远高 于工程塑料 3 1 因此 镁合金很适宜于作结构材料使用 镁合金弹性模量低 当受外力作用时 依据弹性变形功与弹性模量成反比原理 零件发生较大的弹性变形 吸收较大的形变功 意味着零件承受震动时能吸收较多 的能量 因而镁合金具有远大于其他合金的阻尼 吸震 减震性能 镁合金的这一 特性可以减少受震设备机壳的噪音传递 有效预防零件凹陷性损坏 所以用镁合金 材料作汽车的结构件可减轻汽车在运动中的噪音和震动 镁及其合金的熔点低 如纯m g 为6 5 0 c 由于熔点低 可以容易地获得较高的 过热温度 所以大多数镁合金的流动性比较好 充型能力优于常用的其他金属 镁 的这一优点可用于压铸薄壁件而不会出现热裂和欠铸等缺陷 制品壁厚可小于 0 6 m m 而铝合金制品的最小厚度只能在1 2 1 5 m m 范围 镁合金的比热值低 与铝合金相比 镁合金的单位热含量低 故可在模具内能 更快速地凝固 从而有效地缩短了压铸件在型内的停留时间 所以镁合金的压铸生 产率高 比铝合金高4 0 5 0 最高可达铝合金压铸生产率的2 倍 1 1 l 3 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 镁的体积收缩率大 当温度接近熔点6 4 9 c 时 固态镁的密度为1 6 5g c m 3 而 液态镁的密度为1 5 8g c m 3 凝固时 纯镁体积收缩4 2 而当固态镁从6 4 9 c 降 到2 0 c 时 体积收缩为5 由于镁在冷却过程线收缩及凝固期间收缩大 导致铸 件形成微小分散小孔 降低韧性 镁合金具有高的散热性 其导热能力比a b s 树脂高得多 特别适合于制作元件 密集的电子产品 镁合金具有优于铝合金的电磁屏蔽性能以及阻隔电磁波功能 所 以适合于制作发出电磁干扰的电子产品 也可以用作计算机 手机等产品的外壳 以降低电磁波对人体辐射危害 表卜l 列出了纯镁的一些基本物理性能 1 1 表1 1 纯镁的基本物理性能 1 2 3 化学性能 纯镁具有较好的耐蚀性 但如果形成合金或者在纯镁中含有f e c u n i 杂质 元素 会明显降低耐蚀性 其中n i 的危害最大 不能超过5 p p m 而c u 的则影响 小一些 其含量可允许达到1 3 0 0 p p m 镁合金在潮气 淡水 海水及绝大多数酸 盐溶液中易受腐蚀 但镁合金在干 燥的大气 碳酸盐 氟化物 铬酸盐 氢氧化钠溶液 苯 四氯化碳 汽油 煤油 及润滑油 不含水和酸 中却很稳定 镁与氧的化学亲和力很强 但表面生成的氧化 膜不致密 液态下该表面更为疏松 故氧化剧烈且容易燃烧 由于镁合金易氧化的 性能 它在焊接时需采用氢弧保护 1 2 4 力学性能 铸锭经挤压 或轧制 锻造 拉拔 等塑性变形后得到的变形镁合金 组织显著 细化 铸锭中原有的疏松 气孔 微观内部缺陷被明显消除 使产品的综合力学性 能相较压铸镁合金大大提高 表1 2 和表1 3 分别列出了常见的几种压铸镁合金及 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 a z 3 1 镁合金轧制板材的室温力学性能 1 1 l 表1 2 几种常见压铸镁合金的室温力学性能 表1 3a z 3 1 镁合金轧制板材室温下典型的力学性能 影响变形镁合金力学性能的因素很多 有化学成分 铸锭组织 塑性加工方法 指 挤压 轧制 锻造或其他技术 采用的变形工艺 如温度 变形速度 变形比等 以 及热处理工艺等 1 3 镁合金塑性变形理论概述 和其它常见的金属结构材料一样 滑移和孪生是镁合金的两种主要塑性变形机 制 但是 晶体材料的变形模式与晶体结构有密切的关系 由于镁属于密排六方金 属 其晶体结构同体心立方和面心立方金属显著不同 从而决定了镁特殊的塑性变 形模式 镁合金室温状态下只有3 个几何滑移系及2 个独立滑移系f 而铝合金则有 1 2 个几何滑移系及5 个独立滑移系 室温下 镁及其合金主要沿 0 0 0 1 基面上的 方向滑移和沿 1 0 1 2 n 孪生 塑性变形能力差 冷变形较为困难 当温度升 高到2 5 0 c 以上时 则棱柱面 1 0 1 0 和棱锥面 1 0 1 1 也变成滑移面 塑性变形能力 得到很大提高 所以 在2 3 0 3 5 0 可进行温加工 在3 0 0 5 0 0 可以挤压 轧制 和锻造等 1 3 1 镁合金的滑移变形机制 在镁合金晶格中 晶向是原子排列最紧密的方向 也是最容易发生滑移 的方向 包含 晶向的晶面主要有 0 0 0 1 基面 3 个 1 斫0 棱柱面和6 个 1 伉1 锥面 相关晶面及晶向参照图卜4 棱柱面和锥面等非基面滑移一般只有在应力集中 5 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 较严重的晶界附近才能发生 此外 晶向是潜在的滑移方向 包含 晶向的晶面包括 1 0 i l l o 晤2 11 2 1 及 1 晓2 等 按照滑移面分类 可将镁合 金中的滑移分为基面滑移和非基面滑移 包括棱柱面滑移和锥面滑移 1 基面滑移系 o o m 基面是镁合金中原子排列最紧密的面 这也是镁合金中最基本的滑移面 其实质是柏氏矢量为a 3 单位位错的滑移 其中滑移面为 0 0 0 1 基面 滑移 方向为 晶向 2 棱柱面滑移系 镁合金中常见的另一种滑移系为棱柱面滑移 棱柱面滑移也属于柏氏矢量为 a 3 的单位位错的滑移 根据滑移面的不同 有两种类型的棱柱面滑移系 即 1 0 1 0 和f 1 晓0 滑移 二者的滑移方向均为 棱柱面滑移一共能提供两个独 立的滑移系 在室温附近 镁合金棱柱面滑移的临界剪切应j 3 c r s s 远大于基面滑 移 因此一般情况下不易启动 但当温度升高或晶粒尺寸细化至1 0j t m 以下时 棱 柱面滑移可在镁合金的塑性变形过程中发挥重要作用 基面滑移和棱柱面滑移一共可以提供4 个独立的滑移系 不能满足v o n m i s e s 屈服准则 特别地 基面滑移和棱柱面滑移均为a 位错滑移 滑移方向为平行于基 面并垂直于c 轴的 方向 无法提供沿c 轴方向的变形 因此 要使多晶镁合 金具有良好的均匀塑性变形能力 必须借助孪生或开动潜在的锥面滑移系 3 锥面滑移系 镁合金的锥面滑移系分为a 位错滑移和 位错滑移 a 位错滑移一共能提供 4 个独立的滑移系 见表卜4 但从晶体学角度分析可将其看成是基面滑移和棱柱面 滑移综合作用的结果 基面和棱柱面滑移系之间的交滑移 并不能提供新的独立滑 移系 最重要的滑移是 位错滑移 位错柏氏矢量较大 一般情况下不易 发生滑移 但当温度升高或晶粒细化时 位错滑移将被激活 尤为重要的是 位错滑移能够提供5 个独立的滑移系 特别是其滑移方向为 能很好 的协调沿c 轴方向的变形 表1 4 镁合金中的独立滑移系 滑移系 滑移面滑移方向独立滑移系数量 基面滑移 o 0 0 1 2 1 0 1 0 棱柱面滑移2 1 0 2 0 1 0 1 1 4 锥面滑移 1 1 2 1 5 n 2 2 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 弄清上述几种滑移系在什么条件下能够被激活 对充分发挥和改善镁合金的塑 性变形能力具有十分重要的意义 温度是影响镁合金滑移和塑性变形能力最重要的 因素 主要表现在两个方面 一是影响镁合金的滑移模式 即温度不同 能开动的 滑移系也不同 研究表明 当温度低于4 9 8 k 时 多晶镁合金的塑性变形以基面滑 移和孪生为主 这是应为在此温度范围内 镁合金的非基面滑移系的临界剪切应力 比基面滑移系要大将近两个数量级 当温度升高到4 9 8 k 以上时 由于原子活动能 力增强 非基面滑移系的临界剪切应力值下降很快 见图1 5 1 2 1 棱柱面和锥面等 潜在滑移系被激活 从而使镁合金的塑性变形能力得到大幅提高 除温度以外 变 形速率 晶粒度 织构等对镁合金滑移变形都有影响 在塑性变形过程中 要将上 述影响因素综合考虑 l 8 0 t 复6 0 蛐 2 0 一2 0 0 1 0 00 1 0 0 2 0 03 0 0 t f c 图1 5 镁的基面滑移与棱柱面滑移临界切应力与温度的关系 1 3 2 镁合金的孪生变形机制 在h c p 结构的纯金属和合金中 孪生是一种重要的晶内塑性变形机制 在相当 宽的温度范围内 滑移 孪生和断裂是互相竞争的3 种应力释放形式 镁合金中两种典型的孪生模式为 1 0 1 2 和 1 0 1 1 孪生 表卜5 列出这两种孪生模式的孪生要素及切变量 根据最小切变理论 1 3 1 1 0 1 2 1 孪生是镁 合金中最常见的孪生模式 其切变量s 约为0 1 3 在镁合金所有的孪生模式中其切 变量最小 开动所需的临界剪切应力也很小 仅为2 m p a 1 4 1 所以最容易发生 现 以 1 0 1 2 孪生为例分析孪生过程中原子运动情况以及孪生后孪晶与基体之间的几 何取向关系 1 0 i 2 t 孪生的孪生面为 1 0 t 2 孪生方向为 孪生时的原子运 动情况如图1 6 所示 孪生之后孪晶部分与基体沿孪生面呈镜面对称关系 因为镁 的轴比 c a 也 所以在发生 1 0 1 2 孪生时 晶体沿平行基面方向略有收缩 见图1 6 这表明当有沿垂直于c 轴方向的压应力或者是平行于c 轴方向的拉应力作用时 容 易产生 1 叮2 孪晶 所以通常把 1 0 1 2 1 孪晶称为 拉伸孪晶 1 5 1 6 1 因为镁晶体中 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 0 2 面与 0 0 0 1 面夹角约为4 3 0 所以孪生之后 1 斫2 孪晶相对于基体沿 轴旋转约8 6 1 0 1 1 孪生在沿c 轴方向的压应力 或者是垂直于c 轴方向的拉应力 作用下易于形成 f l c f l l 孪晶 所p a 1 0 1 1 孪晶通常被称作 压缩孪晶 1 7 1 8 在 1 0 1 1 孪生之后 孪晶内部常常继续进行 1 叮2 孪生 即为 1 0 1 1 1 0 1 2 次孪生 1 0 1 1 0 2 次孪生所需临界剪切应力较大 约在7 6 1 5 3 m p a 之间 1 4 纯镁中 观察到的其它孪生模式还有 1 0 1 3 1 1 2 4 等 1 2 这些孪生模式所需 临界剪切应力也较大 能观察到的数量非常有限 表卜6 列出了镁合金中常见孪晶 相对于镁基体的几何取向关系 表1 5 镁合金中两种典型孪生模式的孪生要素及切变量 付川1 掣1 甲 x 夔 oo ioo ioo ioo io o 星 意 差 羞 圆 t 2 t o 鼬诫p l i 钿瑚融 91 4 3 1 图1 6 镁合金 1 吒2 d 0 1 1 孪生时原子运动情况 表1 6 镁合金中常见孪晶相对于基体的几何取向关系 另外 在微观形貌 1 0 i 2 拉伸孪晶通常比较宽大 不规整 在光学显微镜下 通常呈透镜状 而 1 0 1 1 玉 缩孪晶则比较细长 规整一些 在光学显微镜下一般呈 较细的长条状 这是由于 1 斫2 孪生相对 于 1 0 1 1 孪生切变量更小 所以在单位体 8 rbi专弋 l 鲁一e b 一氐 咿书遍节避一蕃喇鲒器 察 一 一 o jaj哥 睁一 事一 眵 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 积内产生的总剪切变形量较小 当在相同剪切应力条件作用下 发生剪切变形的体 积更大 1 9 2 0 l 由上节可知 非基面滑移通常在较高温下 4 9 8 k 才能被激活 2 1 凋 因此孪生在 低温 室温 4 9 8 k 变形阶段对镁合金塑性变形有很大影响 2 3 孪生由于切变量小 对 合金塑性变形的直接贡献并不大 一般不超过1 0 但它可通过改变晶粒孪生部分 晶体取向 合金微观组织及织构 或与位错相互作用影响回复和再结晶过程来间接 影响合金的塑性变形 对镁合金变形过程中孪生的研究 对于改善镁合金常温塑性 具有重要意义 1 2 2 5 1 1 孪生对镁合金微观组织的影响及与断裂之间的关系 铸态镁合金在低温变形之后 通过显微组织观察可以发现两三种甚至多种孪晶同时 存在 这是由于晶粒随机取向分布使不同的孪生模式均有可能处于 软取向 而发 生孪生变形 除了最常见的 1 叮2 拉伸孪晶之外 1 叮1 压缩孪晶和 1 0 f 1 1 卜 1 0 1 2 1 二次孪晶等均有可能产生 值得注意的是同一晶粒内同一孪生模式的孪晶取向大致 平行 孪晶与孪晶之间也可能相互交截f 硐 对于具有初始织构的镁合金 通过合理 设计实验 可以得到以 1 叮2 拉伸孪晶为主或以 1 c f l l 压缩孪晶和 1 叮1 卜 1 0 1 2 二次孪晶为主的微观组织这样就可以对这两大类孪生变形对合金塑性变形行为的影 响分别进行研究 j i a n gl 掣2 7 研究了这两类孪晶体积分数与变形温度 应变速率 之间的关系 挤压态a z 3 1 管材在沿挤压方向压缩时会形成大量的 1 0 1 2 孪晶 1 0 1 2 孪晶体积分数与变形温度 应变速率之间的关系见图1 7 从图中可见 在 应变速率为0 1 s 1 时 孪晶体积分数随温度变化不大 r t 4 7 3 k 即在r t 4 7 3 k 之间 温度x i 1 0 1 2 孪生的影响不大 在压缩至1 5 应变之后 1 斫2 孪晶体积分数在应变 速率为0 1 s 1 和0 0 0 1 s 1 时均超过9 0 挤压态a z 3 1 单轴拉伸时 1 叮1 压缩孪晶 和 1 0 1 1 一 1 0 1 2 次孪晶体积分数与温度及应变速率之间的关系见图卜8 1 斫1 压缩孪晶和 1 0 1 1 1 0 1 2 z 次孪晶体积分数随温度的升高和应变速率的下降而减 小 室温下拉伸至1 5 应变时孪晶体积分数在应变速率为0 0 0 1 s 1 时达到5 0 在 应变速率为o 1 s 1 时仅为2 5 可见应变速率是影响压缩孪晶的一个重要因素 这 也从侧面印证了 f 1 叮1 孪生所需的临界剪切应力 1 5 1 0 1 2 孪生大得多 而且压缩孪 晶主要发生在低温f r t 一4 7 3 k 变形阶段 在r t 一4 7 3 k 之间孪晶的体积分数随温度的 升高呈直线下降趋势 当温度超过4 7 3 k 后 孪晶的体积分数几乎为零 9 中南大学硕上学位论文第一章文献综述 图1 7 1 0 砣 孪晶体积分数与变形温度 应变速率之间的关系 明 图1 8 1 叮1 压缩孪晶和 1 0 1 1 0 砣 二次孪晶体积分数与温度及应变速率之间的关系 韧 关于孪生对金属塑性及断裂的影响方面学术界一直存在争论 绷 一方面 在滑 移系不足够的情况下 孪生可以充当独立的变形模式 另一方面 孪生与断裂密切 关联f 2 9 3 0 对镁合金来说 由于具有多种孪生模式 使这一问题的分析变得更为复 杂 必须分别讨论不同孪生模式对断裂的影响 a 1 s a m m a n 等 3 1 研究了不同孪生模式与断裂之间的关系 由于 1 0 1 2 1 拉伸孪晶 相对镁基体的8 6 旋转作用 孪生之后孪晶对基面滑移来说依然处于 硬取向 所 以孪晶内部不利于进一步变形 相反 1 斫1 压缩孪晶和 1 0 1 1 一 1 0 1 2 次孪晶 分别绕 轴旋转5 6 和3 8 0 有利于a 位错在基面上滑移 这将导致孪晶本身产 生严重变形 随着变形的继续 在基体 孪晶界附近的应力集中越来越严重 从而在 基体 孪晶界处萌生微观裂纹并有可能导致材料失效 孪晶尺寸级别的微观裂纹平行 于 1 缸1 压缩孪晶和 1 0 i l 一 1 0 1 2 z 次孪晶界 而与 1 斫2 拉伸孪晶垂直 见图 1 9 所以相对于 1 叮2 孪生来说 1 斫1 孪生和 1 0 1 1 一 1 0 i 2 1 次孪生与断裂之 间的关系更为密切 1 0 中南 学顾 学位论文 第一章文献综述 t y p eo f t w i n 一 1 0 1 2 1 0 1 1 1 0 1 1j f 1 0 1 2 m i s o na n g l e a x i s 8 6 2 0 5 5 6 5 3 8 0 5 田1 9 孪晶与微观裂纹之间的k g e 域a 为 1 0 n 压缩孪晶和 1 0 l 卜 1 0 2 二次孪晶界 区域b 1 0 2 界 f 2 1 孪生对镁合金流变行为的影响 镁台金由于其h c p 晶体结构 变形之后会形成很强的织构 在拉伸或压缩时的 应力应变曲线差别都非常明显i 盟韧 图卜1 0 是典型的挤压态a z 3 1 棒材室温拉伸 和压缩时的工程应力一应变曲线图 压缩时的屈服强度仅为拉伸时的一半左右 l 这一现象主要归因于压缩过程中f 1 0 2 l 拉伸孪晶的作用m 矧 因为挤压态a z 3 1 棒 材形成的纤维织构摹面平行于挤压方向 在压缩过程中晶体垂直于c 轴方向受到压 应力作用 1 0 2 l 孪生被激活 所以导致压缩时的屈服强度很低 而且出现明显的 屈服平台 此外 压缩时的应力一应变曲线从屈服点之后为一明显的下凹曲线 这与 拉伸时的应力一应变曲线正好相反 这在很多文献中均有报导 搠 压缩应力一应变 曲线中屈服平台之后明显的硬化过程也与 i o i 2 拉伸李晶有关 这主要有以下三个 方面的原因 首先 孪生之后增加的孪晶界阻碍了位错的运动 y o o 等 q 从孪晶界能 和堆垛层错能的角度考虑认为 1 叮2 孪晶能有效阻挡基面位错滑移 导致流变应力 升高 其次 考虑到f l o 2 孪晶相对于基体8 6 旋转作用 晶体孪生部分对基面滑 移来说依然处于 硬取向 晟后 挛晶和位错之间的相互作用使孪晶界处应力集中 更为严重 如f 1 斫2 孪晶和 位错之间的相互作用可形成 c a 位错 m o r o z u m i 等 在镁的 1 0 1 2 孪晶内及孪晶界附近均观察到了 位错闻 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 1 0 挤压态a z 3 1 棒材室温下沿挤压方向拉伸和压缩时典型的工程应力一应变曲线 1 9 1 反观拉伸过程的应力一应变曲线不难发现 曲线从屈服点到峰值应力之间非常平 缓 即加工硬化指数1 1 很小 在拉伸还是压缩过程中 挤压态a z 3 1 基面滑移均处于 硬取向而不易开动 室温下非基面滑移所需的临界剪切应力很大也不可能开动 但是 这种取向在拉伸时有利于激活 1 0 i l 孪生和 f 1 斫1 卜 f 1 0 1 2 次孪生 加工硬化指 数n 很小显然与 1 斫l 孪生和 1 0 1 1 一 1 0 t 2 1 次孪生有关 j i a n g 掣冽研究了在不 同温度拉伸时 f 1 缸1 压缩孪晶和 1 0 1 1 0 2 z 次孪晶对挤压态a m 3 0 加工硬化 指数n 的影响 结果见图1 1 1 图中另外两条曲线为常见的铝合金 一般来讲 加工硬化指数r l 随温度的上升和应变速率的下降而减小 但挤压态a m 3 0 从室温到 4 7 3 k 之间加工硬化指数n 不断增大 而且从微观组织观察发现随温度的升高 1 0 1 1 压缩孪晶和 1 0 1 1 一 1 0 1 2 次孪晶所占体积分数不断减少幽 原文作者仅考虑了 1 叮1 孪生和 f 1 0 1 1 1 0 1 2 次孪生使晶体孪生部分沿 轴分别旋转5 6 0 和 3 8 0 孪生之后孪晶取向有利于基面滑移和其他孪生模式的启动 从而将导致软化 实际上 f 1 斫1 孪晶界可以将基面螺位错吸收 分解从而促进动态回复的进行 3 8 这 也是引起软化的一个重要原因 当由 1 0 1 1 孪生和 1 0 1 1 一 1 0 1 2 1 次孪生引起软 化超过了晶界 孪晶界对位错阻碍而引起的硬化时 即表现出加工硬化指数随温度 升高反而增大的反常现象 图1 1 0 中拉伸时的应变要比压缩时的应变大将近一倍 可见发生 1 0 1 1 孪生和 f l 缸1 卜 1 0 西2 次孪生之后孪晶的晶体取向有利于基面滑 移及其它变形模式的启动 图1 1 1 挤压态a m 3 0 管材沿挤压方向拉伸时加工硬化指数1 1 与温度之间的关系曲划冽 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 1 2 是挤压态a z 3 1 管材不同温度下沿挤压方向压缩时的真应力一应变曲线 从r t 一4 7 3 k 之间 由 1 0 t 2 1 孪生引起的硬化作用非常明显 由于挤压态a z 3 1 单轴 压缩时基面滑移和柱面滑移均处于硬取向而不易开动 前面已经提至i 1 0 t 2 孪生所 需的临界剪切应力很小仅为2 m p a 所以在4 7 3 k 5 7 3 k 之n 1 0 i 2 1 孪生仍然对流变 曲线有影响 但此时孪生与动态回复及再结晶紧密联系 当温度超过5 7 3 k 以后 由于锥面滑移被激活 孪生对流变行为的影响已经很小 l o i i 孪生和 1 0 i 1 1 1 0 i 2 1 次孪生所需的临界剪切应力相对较大 约在7 6 1 5 3 m p a 之间 1 4 1 当 温度超过4 7 3 k 以后 1 0 1 1 1 孪生g l l o i l 1 0 i 2 次孪生很难发生 对合金塑性 已不起作用 差 呈 图1 1 2 挤压态a z 3 1 不同温度下沿挤压方向单轴压缩时的真应力 真应变曲线 1 5 1 综上所述 孪生对镁合金流变行为的影响 要分不同的孪生模式区别对待 不 同孪生模式在形貌特征 与位错相互作用的机理等方面都有很大差别 这方面的研 究还有待进一步深入 此外还要综合考虑到初始织构 应力加载方向 温度以及应 变速率等因素的影响 3 孪生对镁合金再结晶及织构的影响 纯镁的熔点为9 2 3 k 在4 7 3 k 左右变形引发的动态再结晶属于低温动态再结晶 l t d r x 由于 1 丽1 孪 s g l l o 1 一 1 斫2 二次孪生受温度的影响非常明显 见图 1 8 1 当变形温度升高至4 7 3 k 以上时 已很难形成这两种孪晶 但由于 1 0 1 2 孪生 所需临界剪切应力很小 在4 7 3 k 左右时依然活跃 考虑到孪晶区域相对于镁基体 储能更高 因此更有利于再结晶质点的形核 所以必须考虑 1 0 1 2 1 孪生对镁合金低 温动态再结晶的影响 a 1 s a m m a n 等 加 在实验中观察到 1 叮2 孪晶内部形成了动态再结晶晶粒 见图 1 1 3 从图中可以观察到 并非所有1 拘 1 0 1 2 1 孪晶内部都发生了动态再结晶 这可 能与孪晶取向及一些深层次的变形机制方面的原因有关 从形态上来说 f l o t 2 孪 晶内部动态再结晶晶粒与晶界处发生动态再结晶形成的 项链组织 很相似 通过 e b s d 观察分析 1 0 1 2 孪晶内部动态再结晶晶粒与镁基体取向在3 0 7 0 0 之间 见图 中南夫学硕士学位论史第一章文献综述 1 1 4 故 1 0 2 孪晶及孪品内部的再结晶晶粒可以弱化基体织构的强度 对改善各 向异性有利 图1 1 3 l o 2 孪晶内部发生t 动态再结晶i 删 b 图1 1 4 图l 1 3 中相同区域的e b s d 取向囝 a 厦镬基体 扭仲享晶中的再结晶晶粗及拉伸孪晶 取向分布枉城图m l 删 1 4 镁合金的织构 1 4 1 织构的表示方法 f 1 织构的定义及分类 多晶体在变形过程中 由于受到外界的电 热 磁 力等因素的影响 或在形成 后受到不同的热处理工艺的影响 各晶粒的位向就会沿着某些晶向排列 呈现出或多 或少的统计小均匀分布 即出现在某些晶向l 聚集排列 因而把在这些晶向上取向几 率增大的现象 这叫做择优取向 这种组织结构及规则的聚集排列状态类似于天然纤 维或织物的结构和纹理 故称之为织构 t e x t u r e l 专业的织构概念是 多晶体取向分 布状态明显偏离随机分布的取向分柿r d e v i a t i o no fr a n d o mo r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o n 多晶聚合体由许多晶粒组成 但就其取向分布而言 可分为两种情况 一种足 取向分布处于完全无序状态 另一种足取向分布偏离完全无序状态 呈某种择优分 u i l 31 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 布趋势 轫 天然的和人工制造的多晶聚合体很少是取向分布完全无序的 绝大多数 都不同程度地存在着织构 例如 冷加工 冷轧 冷拉 挤压等 过程会形成变形 织构 而在随后的退火过程又可形成再结晶织构 织构的形成使材料的物理性能和力学性能表现出各向异性 多数情况下 织构 的存在是有害的 例如 金属板材深冲加工时 由于织构的存在而形成制耳 从而 会浪费材料和工时 也会降低产品的质量 但在有的情况下 织构的存在却是有利 的 例如 在加工变压器硅钢片时 希望沿晶体的易磁化方向形成强织构 这样可 提高磁性 可见 织构的测定具有重要的实际应用价值 由于材料的加工处理方式不同 故所形成的织构类型也不同 主要有丝织构和 板织构两种类型 丝织构的特征是大多数晶粒均以某一晶体学方向g u v w 与材料的 某个特征外观方向平行或近于平行 这种织构在冷拉金属丝中最为典型 故称为丝 织构 又称为纤维织构 板织构在金属板材中最为典型 故称为板织构 它的特征 是 多数晶粒的某一晶体学平面 h k l 与轧面平行或近于平行 某一晶体学方向 与轧向平行或近于平行 板织构的指数表达方式 h k l 在大多数 情况下 一种冷轧金属板材可能具有两种或两种以上的织构 当然其中有主次之分 2 极图和反极图 在测定和分析晶体取向时 需事先做好各类单晶体的标准极射赤面投影图 并 在其上标明晶体中一些重要晶面的投影 称为标准极图 图1 1 5 所示为镁单晶的的 o 0 0 1 标准极图 j 1 1 0 图1 1 5 纯镁的 0 0 0 1 标准投影图 极图是一种描绘空间取向的极射赤面投影图 它是将各晶粒中某一低指数的 h k l 晶面和外观坐标轴 例如轧面法向 轧向和横向 同时投影到某个外观特征 中南大学硕