镁—锰系镁合金挤压—轧制板材各向异性的初步研究

发布时间：2020-04-25 11:34

【摘要】： 镁合金具有轻量化优势但塑性成形能力不足,其板材的轧制开坯需要巨额设备投资且生产成本因需多道次反复轧制退火而高居不下。我国目前仅国防军工、航天航空领域使用高性能镁合金板材,主要仍依靠进口。对难变形金属而言,挤压开坯然后轧制成形是一条有效的板材加工途径,镁合金的挤压开坯轧制需要深入研究,本文选用中等强度高塑性的ZM21镁锰合金,以及在其中添加高低不同含量Ce合金为研究对象,对其挤压-纵轧和挤压-横轧工艺过程进行研究。通过挤压、轧制等工业试验、室温力学性能测试、显微组织分析、扫描电镜断口形貌观察,比较研究了挤压-轧制过程中组织性能各向异性的变化,验证了通过挤压开坯所用工艺的可行性,初步探索合金含量、轧制方向和轧制压下量等对挤压-轧制板材组织性能各向异性影响的基本规律。试验结果表明: ME系镁合金经过420℃×12h均匀化处理后,在420℃以175挤压比挤压开坯,可获得均匀细小的再结晶组织,随着Ce含量的增加,晶粒越细小,不含Ce的ME0合金(ZM21)的晶粒大小在21um左右,低Ce(0.19%)合金ME3大小为18um,高Ce(0.57%)合金ME7为13um;抗拉强度:ME0在0°和90°方向的强度相当,均在245MPa和250MPa之间,比45°方向高10MPa以上;除ME7在0°方向增加甚微外,添加高低两种Ce含量的合金在各方向均增加10MPa以上,相对差异有所减小。屈服强度:除了ME3在0°方向和ME7在90°方向接近150MPa外,其他的各合金个方向均在135-140MPa之间。延伸率:ME0在0°和90°方向均为10%左右,45°方向为22%;添加Ce后个方向均提高了5-10%,但ME7的90°方向下降到12%。比较IPA指数,ME3具有较佳的强度各向同性和塑性各向同性的组合,其各向异性的表现水平为抗拉强度IPA=1.82%,屈服强度IPA=8.1%;延伸率IPA=23%。三种合金中,ME7平面各向异性指标值IPA偏大一些,不添加Ce的ME0和低Ce含量的ME3合金在各向性能的一致性上表现更好。 ME0合金经过横轧和纵轧的变形组织,在压下量为31%时都保持了挤压纤维状流线特征,在压下量为44.8%时侧面和端面为等轴状组织。轧后晶粒尺寸主要分布在10-20微米。ME0合金强度随变形量逐渐增大,屈服强度的增大更为明显;纵轧时,抗拉强度和屈服强度均以90°方向最高而0°方向最低,差异均在40MPa左右;延伸率随变形量增加先降低后升高,45°方向始终高于其他两个方向约5%左右。横轧时,小变形量时强度在90°方向略高出约40MPa,当变形量增加到45%时,抗拉强度在280左右,屈服强度在220左右,各方向差异不超过10兆帕;延伸率在低变形量时以90°高出0°方向近一倍,但变形量达到45%时,各方向基本上完全等值。横轧相比纵轧更有利于ME0合金维持各向力学性能指标的一致性。 ME3合金经过纵轧和横轧均需要45%以上的变形量才可获得完全等轴组织,且组织非常细小,晶粒尺寸主要分布在5微米左右;强度均随横轧和纵轧变形量的增加而先增加,超过44.8%后性能减少;纵轧的延伸率一致性较强,在变形量为66.5%时三向均在17-18%之间,横轧的延伸率45°方向始终最大并随变形量增加从12%缓慢提升到16%左右,90度方向在44.8%压下量之前最低,到变形量为66.5%时跟45°方向持平。纵轧更有利于ME3合金获得综合性能的各项一致性。 ME7合金随纵轧变形量的增加,抗拉强度在270-310MPa范围内变化,屈服强度在从44.8%继续轧制到66.5%时,有显著180-230MPa的显著提升;延伸率随变形量增大轻微减弱,但三向大小较一致。ME7合金随纵轧变形量的增加,抗拉强度在270MPa-310MPa范围内变化,屈服强度在从44.8%继续轧制到66.5%时,从180MPa显著提升到230MPa;延伸率随变形量增大明显减弱,0°方向尤其严重。横轧后强度较挤压态提高了平均约70MPa以上,但强度随变形量的增加而继续提高不明显,且轧制后延伸率反而下降约一半,在90°方向下降尤其严重。比较横轧和纵轧,发现横轧一定程度上可以得到组织更为均匀的板材,特别是横轧变形比较小的时其组织均匀性更好,有利于各向异性的控制。而纵轧在变形量增大到较大程度时,有利于各项性能的一致。比较三种合金轧制板材的IPA,发现ME7的各向异性明显高于其他两个系列,ME0和ME3则差别不大。ME0合金宜采用横轧的方式,在压下量达到44.8%以上时各种性能的各向一致性较强,且抗拉强度三向分布在258Mpa—295MPa之间,屈服强度分布在173Mpa—203Mpa之间,延伸率分布在11.2%—22%之间。ME3合金宜采用纵轧的方式,随着压下量的增大延伸率各向一致性显著提升,强度各向一致性也较好,在66.5%压下量时,三向抗拉强度在244-267MPa之间,屈服强度分布在135-138MPa之间,延伸率在17.3-18.1%之间。
【图文】：

滑移方向,滑移面

属镁及其合金作为二十一世纪的“绿色”工程材料，具有铝和钢，其比强度高、减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工列优点。因而广泛的应用在汽车、电子、电器、交通、航天、航业领域[1]。镁合金的这一系列优点顺应了目前结构轻量化及环境而镁和镁合金的研究已成为热点。的基本性质的原子序数为 12，相对原子质量为 24.32，电子结构为 1S22S22P63中第 3 周期第 2 族。镁的晶体结构为密排六方，在 298℃时的晶格2nm，c=0.5199nm；晶胞的轴比为 c/a=1.6237。配位数等于 12 时162nm。镁的其他一些重要的物理参数见表 1.1[2]。属于密排六方晶体结构，在室温下只有一个滑移面（0001）及该密排方向[ 11 20]、[2110]、[1210]组成的 3 个滑移系，见图 1.1。心立方相比，镁的室温塑性很差，塑性变形需要更多地依赖孪生接做为结构材料。纯镁的力学性能见表 1.2。

变形镁合金,砂铸,压铸镁合金,性能

Mg-Al 系列。含锆镁合金和不含锆镁合金中均既包含变形镁合金，又包含铸造镁合金。图1.2 变形镁合金与砂铸、压铸镁合金性能Figure 1.2 Properties of sand casting alloys， die casting alloys and wrought alloys根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类[8]。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(Die casting)技术[8～12]，半固态成型(Semi-solid forming)技术[12～17]以及 ThixomoldingTM专利技术[8，18]，都被用来开发新型镁合金材料
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TG146.22

【引证文献】