变形镁合金的发展现状

1、变形镁合金的发展现状摘要：本文介绍了变形镁合金的发展现状，介绍了变形镁合金的主要成型方式，包括镁 合金高压扭转、多向锻造、轧制等、等通道转角挤压和连续挤压等剧烈塑性变形方式1，2。 分析了大塑性变形的原理，介绍了大塑性变形方式对变形镁合金晶粒细化和织构控制的 影响。通过对现有镁合金大塑性变形研究结果的总结与归纳，得出了镁合金大塑性变形技 术未广泛应用的原因所在，并指出开发生产效率高、成本低、工艺简单的一道次成型即可 显著细化晶粒和控制织构的新型大塑性变形技术将会是未来变形镁合金领域中的研究 重点3。同时介绍了镁合金大塑性变形挤压成形的几种方法，分析了这些方法的特点， 并对镁合金大塑性变形挤压技

2、术的前景进行了展望。关键词：镁合金；大塑性变形；连续挤压0绪论镁及其合金是实际工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、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、零件尺寸稳定和易 回收等优点，成为航空、航天、汽车、计算机、电子、通信和家电等行业的重要新型料。 镁合金的开发和应用存在着巨大的空间和潜力，正如著名材料专家Cahn所指出的，“在 材料领域中还没有任何材料像镁那样存在潜力与现实如此大的颠倒4。”目前，压铸是镁 合金成形的主要方式；但是压铸件力学性能较差，并且容易产生微小的气孔，因此阻碍 了镁合金产品的进一步发展。变形镁合金因其良好的综合力学性能而受到了

3、重视5。1各种镁合金成型技术1.1 高压扭转技术高压扭转工艺通过压杆向放置在固定不动模具中的盘状材料施加很高的压力，同时 压杆作旋转运动，从而实现扭转剪切变形。试样一般为圆盘状，尺寸较小，直径一般为 10-20mm，厚度为0.2-1.5mm。在高压扭转过程中，盘状试样可以在高达几个Gpa的压 力下发生扭转变形，而试样的尺寸不发生变化，因此在试样的外侧可以引入很大的剪切 应变。由于材料的剪切应变是通过压杆的旋转来引入，因此剪切应变量的大小与材料所 处位置的半径有关。通过高压扭转制备的材料存在从中心向外侧组织不均匀的现象。与其他大塑性变形加工工艺相比，高压扭转作为一种可连续的加工变形工艺，在理 论

4、上可以通过调节扭转圈数的变化在试样内部无限量地累积大量剪切应变，使材料晶粒 尺寸均匀细化至亚微米级甚至纳米级，从而获得超细晶结构材料。目前，国内外针对高 压扭转工艺的研究主要集中在结构材料的应用上，通过高压扭转加工以显著细化晶粒， 从而达到提高结构材料强韧性的目的6。1.2 多项锻造技术多向锻造技术是几种有代表性的强塑性变形方法之一，与其他方法（如等径角挤压 和高压扭转）相比，多向锻造技术使用现有的工业装备即可实现大块致密材料的制备， 可以大幅度提高材料性能，且工艺简单，成本低，因此有望直接应用于工业化生产。多 向锻造技术是一种自由锻工艺。形变过程中材料随着外加载荷轴的变化而不断地被压缩 和拉

5、长，通过反复变形以达到细化合金晶粒、改善材料性能的效果。多向压缩是在多向锻造技术的基础上去掉拔长工序，在操作上采用固定比例的方形 试样，每道次压缩30%45%，淬水，然后将变形试样机加工成原比例的试样，再沿第 二轴进行压缩，反复压缩变形以达到细化晶粒效果。多向压缩可以精确地计算变形量， 但在本质上仍然属于多向锻造技术。1.3 轧制技术常规轧制是生产镁合金板材的主要工艺。由于镁合金的塑性成形能力有限，必须进 行小变形量多道次变形。在传统的小道次压下量多道次轧制过程中，滑移是镁合金整个 变形过程中的主要变形机制，且大部分的塑性变形是通过滑移实现的。基面滑移是镁合 金中最易启动的滑移系统，鉴于基面滑

6、移只能提供2个独立的滑移系，从而不能满足均 匀变形的要求。为了启动非基面滑移，镁合金的轧制一般需要在较高的温度下进行。虽然轧制温度 较高，但由于整体滑移系较少且镁的层错能较低（相对铝等金属而言），因此镁合金变 形过程中极易诱发孪生以协调变形7。晶界处和孪晶处的变形储能比较高，因而容易发 生动态再结晶。粗晶、剪切带、孪晶和再结晶晶粒等可同时出现在镁合金板材组织中。 这种组织不均匀性导致镁合金板材的后续成形性能较差。外，镁合金在传统的多道次轧 制过程中，随着道次压下量的增加，应力容易在粗大晶粒的晶界处集中，导致板材的开 裂。此外，随着轧制道次的增加，镁合金的基面织构明显增强，进而增加后续道次变形

7、的难度。所谓高应变速率轧制是指对镁合金板坯进行单道次大应变轧制，通过控制轧辊速度 和板坯的厚度来获得高应变速率。高应变速率变形的应变速率范围与合金材质和变形工 艺有关。应变速率过高时，镁合金变形时容易开裂。对于镁合金，轧制应变速率在接近 和稍高于时可以纳入高应变速率变形的范畴。镁合金在较高的应变速率下进行轧制时， 可以获得极高的孪晶和动态再结晶形核率，进而获得均匀的超细晶粒组织1，8。1.4 等通道转角挤压20世纪70年代初期，由前苏联科学家Segal教授及其合作者最早提出并研究了等 通道转角挤压技术。等通道挤压模具内有两个截面相同、以一定角度相交的通道，两通 道的内交角为，外侧圆弧角度为中。

8、在等通道转角挤压过程中，要求试样与模具中的 通道尺寸紧密配合，试样在冲头的作用下经过两通道的转角处，产生近似理想的剪切变 形。由于不改变材料的横截面形状和面积，故反复挤压可使各次变形的应变量累积迭加 而得到相当大的总应变量7, 9,10。ECPA利用一个互成一定角度的转角挤压金属，给试样以纯剪切应力，获得大的塑 性变形，经过多次反复挤压发生应变量累积，获得组织均匀、晶粒细小的材料。ECPA 使材料在挤压过程中获得极大的变形量，达到破碎晶粒，增加储能的目的。更重要的是 材料在挤压过程中形状不发生改变，因而可以重复挤压，累积变形量。加工塑性差的材 料时，需采用较高温度或较大转角4, 9。1.5 连

9、续挤压技术连续挤压技术有CONFORM连续挤压、连续铸挤和链带式连续挤压法等。其中， CONFORM连续挤压已经得到了工业中的实际应用。国内镁合金的连续挤压技术研究主 要集中在CONFORM连续挤压上面。在工艺方面，杨俊英11等以AZ31镁合金为研究 对象，研究了挤压轮转速对坯料各层面速度分布的影响机制。结果表明，在连续挤压的 过程中，金属在不同变形区域的流动速度有差异。挤压轮转速越大，不同层面金属的流 动速度差值越大，流动的程度越不均匀。这种流动分布特点是由于轮槽面的摩擦驱动力 与型腔壁摩擦阻力的相互作用形成的。吴桂敏等对AZ31镁合金连续挤压成形的工艺条 件进行了研究，结果表明，变形金属的

10、等效应力在压实轮下方最高，等效应变在模具入 口处最大，型腔内的温度最高12,13。2变形镁合金今后发展展望传统铸造镁合金组织都很粗大、力学性能较差，镁合金层错能较低，变形过程中易 发生动态再结晶，大多数情况下都是通过塑性变形来细化镁合金晶粒，改善其力学性能。 传统的塑性变形手段包括：挤压、轧制、锻造等。由于镁合金是六方结构，塑性变形能 力较差，统的单一的塑性变形方法已难以进一步提高其力学性能。针对这一难点，很多 研究者引入新型的塑性变形手段，或者结合传统变形方式以提高镁合金成形性能&目 前变形镁合金的设计主要在保证好的塑性变形能力前提下：1.选择好的固溶体合金；2. 好的细化晶粒的方法；3.利

11、用不同的强化机理，如固溶强化、细晶强化、沉淀强化和复 合强化等方法提高材料的综合力学性能。开发新型高强、超轻、耐热、耐蚀变形镁合金 是目前镁合金设计的重点14-23。超轻镁合金主要指Mg-Li系合金。该合金是轻合金材料中最轻的一种，其比强度高， 具有良好的冷热变形能力，是超轻高强合金的一个重要合金系，其冷变形率达50%以上， 韧性和焊接性能良好，在共晶成分附近具有良好的加工性能和超塑性24。3结语变形镁合金具有一系列优良的性能，近年来，国家加大了对其开发研究的投入，关 键的加工技术正在快速突破，变形镁合金应用的重点也从宇航、兵器工业等领域扩展到 了民用高附加值产业，如汽车、电脑、通讯和家用高档

12、产品等，展示了其巨大的应用价 值。我国有丰富的镁资源和居世界首位的镁合金产能，但目前还没有形成具有优势的变 形镁合金塑性加工技术体系，在产品开发及其应用方面尚存在严重不足，变形镁合金产 品还没有找到巨大的应用市场。随着科学技术的发展，变形镁合金的加工技术将会快速 发展，它的技术难题取得突破之时，变形镁合金将得到更广泛的应用25。1陈吉华，严红革.强塑性变形在镁合金中的应用研究进展J.广西科学,2015,(05):473-80.许斯洋，李继忠，丁桦.镁及镁合金剧烈塑性变形研究及发展趋势J.材料与冶金学报，2015,(04):305-10.3卢立伟，赵俊，刘龙飞，陈志钢，刘天模.镁合金大塑性变形的

13、研究进展J.材料热处理学报, 2014,(S1):1-7.4程威，张敏刚，罗小萍，郝建强，刘敏.镁合金大塑性变形挤压技术发展新趋势J.轻合金加工 技术，2013,(05):16-9.5颜永年，李茂盛，林峰，吴任东，张人佶.变形镁合金的研究热点概述J.清华大学学报(自然科 学版),2007,(05):613-7.6高扬，卜乐平，甘启民，王科.镁合金挤压技术及其工艺的研究J.新技术新工艺, 2016,(04):72-6.7郑晓剑，余辉辉，信运昌.利用李晶界面强韧化镁合金J.中国材料进展,2016,(11):819-24+34.8赵龙，乔金虎，于建民，侯贵先，杜秀丽.变形镁合金的塑性变形及其热处理强

14、化J.热加工工 艺,2013,(18):20-2+6.9李洁，刘莹莹，王庆娟，尤雪磊，王坤.连续变断面循环挤压与等通道转角挤压技术的工艺特征 及其应用J.材料导报,2014,(17):64-8.10陈水先，张辉，严琦琦.CONFORM连续挤压AZ31镁合金拉伸变形和断裂行为的研究口.矿冶 工程，2008,(01):88-90.11杨俊英，高飞，万萌萌，宋宝韫.AZ31镁合金连续挤压扩展成形流动速度分布规律J.中国有色 金属学报,2014,(11):2711-7.12李落星，周佳，张辉.车身用铝、镁合金先进挤压成形技术及应用J.机械工程学报, 2012,(18):35-43.13裴久杨，刘炎，樊

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