高能电脉冲处理细化AZ31镁合金机制及其组织和性能的研究开题报告

开题报告姓名:学号: 论文题目高能电脉冲处理细化AZ31镁合金机制及其组织和性能的研究英文题目Grain refinement mechanism, microstructure evolution and mechanical properties of the Mg-3Al-1Zn alloy under high energy electropulsing treatment开题要求开题之前，必须阅读至少30篇参考文献（外文10篇以上）一、选题来源及意义镁合金是目前应用的最轻的工程结构材料，具有许多优异的性能，如比强度和比刚度高，电磁屏蔽性、减震性、散热性好，以及优异的加工性能和铸造性能等优点，被誉为是21世纪最富于开发和应用潜力的“绿色材料”。但是，镁合金的室温韧性低、屈服强度低、塑性变形能力较差，长期以来阻碍了镁合金的发展与应用，因此，实现镁合金的强化，提高其塑性是当前亟待解决的重要课题。在诸多材料强化方法中，细晶强化以其能够实现材料强韧化而被认为是最有效提高材料综合力学性能的方法，加之镁合金具有较高的Hall-Petch斜率常数（280MPam1/2），故其强度明显受到晶粒尺寸的影响。因此，细晶强化是最适用于提高镁合金强度增强其塑性的方法。目前，镁合金晶粒尺寸的细化方法主要是通过使镁合金经过塑性变后形发生动态再结晶或进行再结晶退火，借此来获得拥有细小晶粒的组织。但是这种传统的方法有如下几个缺点：第一，实验过程复杂，条件苛刻，以ECAP法为例，试样须在大吨位压力计下经反复挤压通过模具才可获得所需组织。第二，合金性能的限制，镁合金因其密排六方结构，具有滑移系少，变形不均匀的特点，这就使得制备超细晶组织常用的，以低温高应变速率为特点的动态塑性变形法难以应用在镁合金组织的细化中。而在高温低变形速率的条件下极易造成再结晶晶核的长大。第三，效率低、不易控制，以热处理再结晶为例，镁合金至少要经过10min的再结晶退火才能完全再结晶，且晶粒因热效应而长大。AZ31作为常用的商用镁合金具有应用广泛，成本低廉的特点。由于其相较于其他镁合金合金化程度不高，塑性较好，适合进行强烈塑性变形，故选择AZ31作为研究对象。电脉冲作为一种高能输入方法，被广泛应用于材料改性的研究中，因为电脉冲作用于金属材料后带来的热效应与非热效应的耦合作用能够促进位错的运动，并能够为塑性变形后的金属提供额外的自由能，故能够增加再结晶的形核率，最终细化合金的显微组织。本课题拟采用强烈塑性变形与电脉冲共同作用，通过增加变形金属内再结晶的形核率并控制其由热效应带来的晶粒长大，最终获得细小均匀的再结晶组织，从而使镁合金得到强化。约束：800字以内，宋体五号，单倍行距，1页以内，打印- 表 2.2 -二、文献综述(目前本文研究的问题已经达到的水平和存在的问题)各国科研工作者者在镁合金通过细化晶粒从而达到合金材料的强化方向已经做了大量翔实细致的工作，目前细化晶粒的主要手段可以概括为经过大量的塑性变形后，促使镁合金发生动态再结晶或是以不同方式补充再结晶驱动力促使镁合金发生静态再结晶，通过增加再结晶的形核率并控制晶粒的长大来细化合金显微组织中的晶粒尺寸。据此，可以将通过再结晶法细化镁合金晶粒尺寸分为动态再结晶法与静态再结晶法。利用动态再结晶法细化镁合金有很多典型实例，比如实际应用较为广泛的热轧法制备细晶镁合金板材、进行强塑性变形的ECAP法制备挤压态细晶镁合金、在热拉伸过程中进行动态再结晶细化组织等，其中，J.A. del Valle等人1的研究表明在经过ECAP处理后镁合金内部的动态再结晶过程很大程度上收到合金内组织织构的影响，Kaibyshev等人2在温度为423K和应变为2.810-3s-1的条件下将Mg-5.8Zn-0.65Zr合金的晶粒尺寸由85m减小到0.8m，J.C.Tan等人3、H.C. Xiao等人4与Sung Hyuk Park等人5的研究则表明连续动态再结晶是镁铝锌合金中一种重要的再结晶机理，D.L. Yin等6在AZ31热轧变形镁合金的研究中解释了基于孪生的动态再结晶形核机制。这些生产、实验方法均以镁合金在变形后发生动态再结晶为细化原理，详细的分析了动态再结晶过程中再结晶形核长大的过程。静态再结晶法主要是通过对经过塑性变形后的合金进行再结晶退火而得到新的无畸变细小晶粒的过程。刘桂荣等人7的研究表明，利用热轧与再结晶退火相配合的处理方法能够使AZ31镁合金晶粒细化至5m左右，但这一过程至少需要15min。詹美燕等人8在研究了AZ31薄板的再结晶退火过程发现发生静态再结晶现象需其退火温度存在临界值，约为200。Xuyue Yang等人9在对AZ31进行多向锻造处理时发现经过冷变形后的镁合金内部存在高密度的位错以及细小的孪晶组织，这种高储存能的组织有利于退火过程中静态再结晶的发生。镁合金的静态再结晶过程可视为是其变形组织中储存能的释放过程，而储存能的高低与组织中位错孪晶等缺陷密度有关。根据相关文献可知，不论是动态再结晶还是静态再结晶过程，都需要对合金进行大塑性变形，使能量以缺陷的形式储存在合金内，进而驱动再结晶过程的进行。但是，由于镁具有密排六方结构，滑移系少10，致使镁合金的塑性较差，变形并不均匀。为了获得大的塑性变形量，必须采取高温低变形速率的方法，这样就不仅无法提高合金内的位错密度，而且较高的温度也会造成细小的再结晶晶粒的长大。这个矛盾的存在就限制了镁合金通过再结晶过程细化组织的能力。脉冲电流对促进金属熔体形核及对合金显微组织影响的研究由来已久，H.Conrad等人11, 12对Cu通过电脉冲后的再结晶现象的研究表明，电脉冲能够降低金属退火再结晶的起始温度，缩短回复与再结晶的时间，显著细化再结晶晶粒。Zhou等人13的研究表明电脉冲能够加速相转变。R.S.Qin等14通过给冷变形的Fe0.8C0.2Si0.5Mn合金施加强电流密度超短脉冲获得了尺度约30nm的渗碳体等轴晶。Xu等人15则认为在电脉冲作用下金属中会出现大量空位，这样的转变能够加速位错的运动。晁月盛等16发现高密度的脉冲电流可引起Fe-B-Si非晶合金的结构驰豫，使这种合金形成纳米晶，并可以通过调整脉冲电流参数控制晶体的形核与长大。这些研究均表明，电脉冲在改变金属显微组织、细化晶粒方面具有广阔的应用前景。而电脉冲应用于镁合金组织优化则主要集中在对电脉冲轧制组织的织构影响上。Guan等人17与Jiang等人18对AZ31 与AZ91 轧板经约束：2000字以内，宋体五号，单倍行距，2页以内，打印过电脉冲处理后的织构演变情况进行了分析，发现在电脉冲带来的热效应与非热效应耦合作用下能够发生再结晶并将位错从轧制变形方向转变为正常方向，相应的，合金的力学性能也会有所提高。Du等人19使用电脉冲处理了经过ECAP处理的AZ31合金块，结果表明在电脉冲处理后合金组织略有长大但趋于均匀化，合金内的织构并无变化，这导致合金的强度略微下降而合金的断裂延伸率明显增大。这种现象被Du等人以电脉冲带来的热压力效应加以解释。综合国内外现阶段文献资料可以发现，利用大塑性变形与再结晶相配合是有效细化镁合金组织强化其力学性能的方法，但是普通的方法不可避免的需要在一定温度下发生再结晶，由于细小晶粒的长大趋势很大，这样的处理方法虽然妥协了镁合金变形能力差的缺点，却导致了合金组织的粗化。相较而言，由于电脉冲具有输入能量高、作用时间短的优点，无疑能够提供一种在较低温度下实现镁合金再结晶并保留细晶组织的方法。电脉冲在镁合金领域的应用大多集中在利用电脉冲的高能输入与热效应研究其对合金组织中织构的影响，关于在电脉冲的作用下合金如何发生静态再结晶及其机理是否与传统理论有所不同，在目前的文献中均未有涉足。电脉冲作用于金属材料中不仅会带来以焦耳热为主的热效应，还能在金属材料上施加热压应力、电子风、磁效应等等非热效应，各种效应对再结晶过程的影响仍没有被明确研究。此外，鲜有研究报道利用电脉冲对镁合金的组织进行细化以及电脉冲对镁合金组织的影响。参考文献:1DEL VALLE J A, CARRE O F, RUANO O A. Influence of texture and grain size on work hardening and ductility in magnesium-based alloys processed by ECAP and rolling J. Acta Materialia, 2006, 54 (16): 4247-4259.2KAIBYSHEV R, MUSIN F, LESUER D R, et al. Superplastic behavior of an AlMg alloy at elevated temperatures J. Materials Science and Engineering: A, 2003, 342 (12): 169-177.3TAN J C, TAN M J. Dynamic continuous recrystallization characteristics in two stage deformation of Mg3Al1Zn alloy sheet J. Materials Science and Engineering: A, 2003, 339 (12): 124-132.4XIAO H C, JIANG S N, TANG B, et al. Hot deformation and dynamic recrystallization behaviors of MgGdYZr alloy J. Materials Science and Engineering: A, 2015, 628 (0): 311-318.5PARK S H, JUNG J-G, KIM Y M, et al. A new high-strength extruded Mg-8Al-4Sn-2Zn alloy J. Materials Letters, 2015, 139 (0): 35-38.6YIN D L, ZHANG K F, WANG G F, et al. Warm deformation behavior of hot-rolled AZ31 Mg alloy J. 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Journal of Materials Research, 2011, 23 (06): 1570-1577.- 表 2.3 - 表 2.4 -三、本论文拟解决的主要科学及技术问题本论文旨在研究电脉冲对促进经过大塑性变形后的镁合金发生再结晶过程机理的研究，并通过这一方法细化镁合金的显微组织，在研究过程中拟解决以下几个问题：第一，获得均匀变形的高为错密度镁合金。由相关文献与再结晶的经典理论可知，高的位错密度意味着高的储存能，在这样的条件下再结晶的发生会更加容易，变形更均匀则再结晶后的合金组织也会更均匀。但是众所周知，镁合金由于滑移系少塑性变形能力差，要增加其位错密度就不能对其采用低温高变形速率的变形方法。如何在满足镁合金变形要求的前提下增加镁合金中的位错密度是通过再结晶法细化镁合金的基础。第二，研究电脉冲促进镁合金再结晶过程的机理，根据相关文献，电脉冲施加在金属内部的附加自由能与试样内部的电流密度有关系，而在如此高的电流作用下，试样中也必将产生大量焦