冷轧变形及轧后退火对双相镁锂合金微观组织与力学性能影响研究

发布时间：2020-05-02 21:25

【摘要】：基于当今能源危机和工业技术的进步,轻量化、绿色环保材料愈来愈为工业发展所需要。镁锂合金是目前最轻的金属结构材料,具有低密度、高比强度和比刚度、较好的电磁屏蔽性及优异的室温变形能力,在航空航天、武器装备及3C等领域表现出巨大的应用潜力。但镁锂合金的绝对强度低、耐腐蚀性和抗蠕变性能较差等缺点限制了其应用。形变强化和合金化是提高镁锂合金力学性能行之有效的方式。本文对铸态Mg-5Li、Mg-9Li和Mg-9Li-1Zn合金进行室温轧制及轧后退火处理,采用光学电子显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射仪、室温拉伸、硬度测试等手段分别对不同成分、不同冷轧变形量及退火温度的镁锂合金板进行微观组织及力学性能的测试,对比分析,得出如下结论:(1)Mg-5Li合金由96%的α-Mg相和4%的β-Li相组成。冷轧变形后,合金组织沿着轧制方向被拉长。铸态Mg-5Li合金的抗拉强度、硬度和延伸率分别为74MPa、40.6HV和6.5%。冷轧处理产生加工硬化现象,冷变形量为50%时,合金抗拉强度为190MPa,是铸态的2.6倍。退火处理后合金强度降低、塑性提高,60%变形量下,退火态合金的延伸率是冷轧态合金的2.6倍,硬度降低了9.8HV。Mg-5Li合金冷轧变形量为60%时已严重开裂,拉伸断口形貌表现为准解理断裂特征。(2)Mg-9Li合金由28%的α-Mg相和72%的β-Li相组成。铸态下α-Mg相呈板块状结构,冷轧变形后,组织被细化且沿着轧制方向被拉长,轧制变形量越大,该现象越明显。铸态Mg-9Li合金的抗拉强度、硬度和延伸率分别为100MPa、41.4HV和22.6%。当冷轧变形量为75%时,合金抗拉强度为179MPa,是铸态的1.8倍,硬度为84.4HV,是铸态的2倍,但延伸率仅为10.5%。75%冷轧变形后退火处理,合金的延伸率提高到20.6%。Mg-9Li合金的塑性较好,在75%变形量下并无严重开裂,拉伸断口形貌有较多韧窝,表现为塑性断裂。(3)铸态Mg-9Li-1Zn合金由α-Mg相、β-Li相和MgLi_2Zn相组成,其中α-Mg相呈板块状结构,α-Mg:β-Li≈1:3。冷轧后,合金组织沿着轧制方向被细化拉长,且合金中出现MgLiZn相。退火后,合金在相界处发生回复再结晶。25%冷轧变形后退火处理,合金内部再结晶晶粒较少;50%冷轧变形后退火处理,合金内再结晶晶粒增多且明显粗化;75%冷轧变形后退火处理,合金内部再结晶晶粒显著增多且均匀、细小。75%冷轧变形后,合金中α-Mg相出现(0002)基面织构,β-Li相出现(110)和(200)晶面织构。铸态Mg-9Li-1Zn合金的抗拉强度、硬度和延伸率分别为113MPa、45.7HV和19.2%。75%冷轧变形量时,合金抗拉强度为190MPa,硬度为71.8HV。75%冷轧变形后退火处理,合金具有较优的综合力学性能,其抗拉强度、硬度和延伸率分别为177MPa、57HV和23.2%。Mg-9Li-1Zn合金塑性较优,75%变形量下轧板边缘开裂并不明显,其拉伸断口形貌表现为塑性断裂。(4)经95%冷轧变形和轧后不同温度退火处理,Mg-9Li-1Zn合金由α-Mg、β-Li两基体相和MgLiZn、MgLi_2Zn两化合物相组成。95%变形量的冷轧态Mg-9Li-1Zn合金内部组织被明显细化、拉长,随着退火温度的升高,合金α-Mg相逐渐完成再结晶,晶粒随退火温度增加逐渐长大。当退火温度为125℃时,合金内部再结晶完成,合金组织由大量细小的等轴晶粒(≈3μm)构成,在晶界处和晶内存在MgLi_2Zn和MgLiZn相,合金综合力学性能最优(抗拉强度157MPa,硬度51.2HV,延伸率56.1%)。随着退火温度继续升高,β-Li相内部晶粒开始粗化,合金强度、塑性降低。冷轧状态下α-Mg相出现基面织构,在125℃退火后各极图变化不明显。不同退火温度下Mg-9Li-1Zn合金拉伸断口形貌由岩石状撕裂棱及大小深浅不均的韧窝构成,表现为塑性断裂。
【图文】：

相图,镁锂合金,相图

i 合金Li 合金简介性质活泼，常温下易氧化和燃烧。镁的晶体结构为 HC塑性变形时只有基面位错滑移和锥面孪生，故其冷加工国学者 A.C.Loonam 提出将锂添加到镁基合金中，可使成 BCC 型，从而改善镁合金的塑性变形能力，同时降低上，得出了如图 1.1 所示的完整的 Mg-Li 平衡二元相，当 Li 含量低于 5wt%时，，合金由密排六方结构的 ɑ-M 11wt%时，合金则由体心立方结构的 β-Li 相构成。β-Li ɑ-Mg 相只有 2 个独立滑移系，故 β-Li 相更易发生交滑但是强度和硬度却是 ɑ-Mg 相更好。当 Li 含量介于 5wt ɑ-Mg+β-Li 构成的双相结构组成，其特殊的晶体结构的综合力学性能[18, 19]。

实验流程

图 2.1 实验流程图Fig 2.1 Experimental procedure2.2 合金制备2.2.1 合金成分的确定Mg-Li 合金是一种具有较高比强度和比刚度、良好的延伸率及室温变形能力的超轻镁合金，其密度一般为 1.35~1.65g/cm3，因此其在汽车、3C 和航空工业等领域拥有广泛的应用前景[40, 57]。镁是密排六方晶体结构（HCP），其室温滑移系少，因此镁合金的塑性较差，Li 的加入使得镁晶体结构中 c/a 的值变小，从而提高合金的变形能力[58]。当 Li 含量在 5~11%时，Mg-Li 合金由 ɑ-Mg+β-Li 构成的双相组织组成，所以相比于 HCP 晶格结构的镁合金，双相 Mg-Li 合金的综合力学性能较优，且其塑性变形机制也有所不同[59]。结合已有研究成果及相关文献，本文初步以Mg-5Li 和 Mg-9Li 双相镁锂合金为目标合金，研究其在不同冷轧变形量和退火状态下的微观组织及力学性能。镁锂合金存在强度不高，耐蚀性不佳等诸多缺点，合金化是改善 Mg-Li 合金力
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG335;TG146.22

【参考文献】