差速循环扩挤镁合金的组织调控与性能研究
发布时间：2022-01-01 19:02
镁及镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料,具有低密度、高比强/比刚度、阻尼性能好、电磁屏蔽性能优良、易回收等优点,已在国防军工、航天航空、汽车零部件、3C通讯等领域得到了一定应用。但是由于镁合金的室温性能差,且变形易开裂,在一定程度上限制了其推广,因此开展镁合金强韧化研究对于推动镁合金及镁产业的发展有着重要意义。大塑性变形通过累积高应变可以有效的细化晶粒,提升组织均匀性,调整织构、优化第二相分布,提高合金综合力学性能。本文以商用镁合金Mg-Al-Zn和稀土镁合金Mg-Gd-Y-Zn-Zr为研究对象,以提升镁合金强韧性为目的,提出了一种新型大塑性变形方法—差速循环扩挤,在一般循环扩挤变形基础上加入了非对称型腔,改变了金属流动规律,在原有拉、压应变基础上引入了剪切应变,通过多次变形获得了组织均匀细化、性能优良的50mm×100mm×220mm（长×宽×高）镁合金厚板材料。重点分析了不同工艺参数、不同合金成分等因素对于微观组织结构、织构和力学性能的影响,深入分析了组织转变规律和强化机制,掌握了不同镁合金中晶界强化、固溶强化、析出强化、织构调整等对于性能的主要贡献。具体研究内容和结果如下:...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
镁合金的主要滑移系(a)基面滑移，(b)柱面滑移，(c)锥面滑移，(d)锥面滑移[27]
中北大学学位论文6{1122}65图1-2镁合金基面滑移与柱面滑移启动的临界剪切应力与温度的关系[33]Fig.1-2.TherelationshipbetweenCRSSandtemperatureinbasalslipandprismaticslip[33].(2)形变孪晶由于镁合金为hcp结构，其有限的滑移系限制了塑性性能的提高，形变孪晶作为一种晶内变形机制对于协调变形具有十分重要的意义[35,36]。室温下的镁合金变形往往是滑移与孪生共同作用的结果，孪生启动所需的CRSS要比滑移大得多，因此只有当合金变形滑移受阻时，孪生才会启动来进行变形协调作用，当孪生发生时，合金原有的晶体结构并不会发生改变，而只是晶格内部局部位相的偏转，使原本不利于变形的晶体取向向着有利于滑移启动的方向旋转，因此，滑移与孪晶在变形过程中是相互补充的[37]。对于hcp结构金属而言，其密排面和晶体参数会随着轴比c/a的变化而改变，由此产生的不同的剪切应变也会激发不同的孪生系，如图1-3所示[38]。图中直线斜率为正孪生系为压缩孪生，其主要激活来源为晶粒沿c轴方向受压或沿c轴垂直方向受拉；斜率为负的孪生系为拉伸孪生，即当晶粒沿c轴方向受拉或沿c轴垂直方向受压时此类孪生得以激活。镁的轴比c/a为1.624，从图中可以看出，镁合金可能发生的拉伸孪晶有{1012}和{1121}，压缩孪晶为{1011}和{1122}，根据剪切应变越小，相应孪生系越容易激活的
中北大学学位论文7特性可以知道，镁合金最易发生的拉伸孪晶为{1012}，压缩孪晶为{1011}[39]。镁合金中的孪晶系一般包括一次孪晶与二次孪晶，二次孪晶是在压缩孪晶内再发生拉伸孪晶的结果。常见的一次孪晶有{1011}，{1012}和{1013}，对应转角/转轴为56°/<1210>，86°/<1210>和64°/<1210>；二次孪晶有{1011}-{1012}和{1013}-{1012}，对应转角/转轴为38°/<1210>和22°/<1210>[40]。镁合金中最主要的拉伸孪晶为{1012}，压缩孪晶为{1011}，启动拉伸孪晶所需的CRSS相比与压缩孪晶要小的多，{1012}拉伸孪晶的CRSS约为2~2.8MPa，而{1011}压缩孪晶则需要76~153MPa[1,41]。图1-3密排六方结构金属轴比c/a与孪晶系的关系[38]Fig.1-3.Therelationshipbetweenc/aandtwinninginhcpmetals[38].(3)晶界滑动滑移与孪生是镁合金变形中最主要的两种变形方式，但是仅仅依靠这两种变形方法并不足以弥补镁合金变形能力差的缺点。余琨[42]发现添加稀土后的AZ31RE镁合金的室温延伸率超过了20%，是相同条件下的商用镁合金的3倍多，通过微观组织研究发现其显微组织结构中具有两类晶粒，一类是晶粒大小约为50~70μm的大晶粒，另一类是直径约为10~20μm的细晶结构。其中大晶粒在变形过程中主要通过滑移和孪生机制完成，而细晶结构则看不到形变孪生等变形组织，小晶粒通过晶界的滑动、转动进行变形协调作用。Koike等人[43]在以1×10-3/s速率拉伸平均晶粒尺寸为8μm的AZ31的实验中同样观
【参考文献】：
期刊论文
[1]热处理对GWZK94合金微观组织与力学性能的影响（英文）[J]. 朱家萱,闫钊鸣,张治民,张冠世,潘玉田,张龙. 稀有金属材料与工程. 2020(05)
[2]镁合金表面改性与防护研究进展[J]. 王悦存,周凡,葛延峰,周根树,蒋百灵,单智伟. 中国材料进展. 2020(02)
[3]轻量化技术在汽车工程中的应用[J]. 郭韦华. 工程技术研究. 2020(03)
[4]镁及镁合金产业发展研究[J]. 马登民. 世界有色金属. 2019(19)
[5]镁合金塑性机制研究综述[J]. 范海冬. 固体力学学报. 2019(04)
[6]均匀化处理对Mg-13Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr镁合金组织和力学性能的影响[J]. 闫钊鸣,张治民,杜玥,张冠世,任璐英. 材料工程. 2019(05)
[7]航空航天用镁合金的研究进展[J]. 蒋斌,刘文君,肖旅,董含武,张娜,程仁菊,宋江凤,张丁非,潘复生. 上海航天. 2019(02)
[8]镁在汽车工业中的应用现状[J]. 张念,张逸航. 中国有色金属. 2019(06)
[9]镁合金在汽车零部件中的应用与发展[J]. 纪宏超,李轶明,龙海洋,裴未迟,李耀刚. 铸造技术. 2019(01)
[10]Effects of Passes on Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Mg–Gd–Y–Zn–Zr Alloy During Multidirectional Forging[J]. Bing Li,Bu-Gang Teng,De-Gao Luo. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(10)
博士论文
[1]包铁纯镁室温等径角挤压组织演变及力学性能研究[D]. 雷维维.太原理工大学 2019
[2]新型非对称挤压镁合金板材组织及力学性能研究[D]. 徐军.重庆大学 2018
[3]Mg-13Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金往复镦—挤变形组织演变研究[D]. 杜玥.中北大学 2018
[4]AZ31B镁合金板材组织控制及力学性能的研究[D]. 韩廷状.重庆大学 2018
[5]AZ31镁合金多道次轧制板材的显微组织及力学性能[D]. 刘迪.哈尔滨工业大学 2017
[6]大塑性变形Mg-Gd-Y系合金组织结构演变和力学性能研究[D]. 周浩.上海交通大学 2015
[7]AZ31镁合金ECAP挤压过程塑性变形与组织演变规律的研究[D]. 任国成.山东大学 2013
[8]稀土变形镁合金组织性能及加工工艺研究[D]. 余琨.中南大学 2002
硕士论文
[1]基于固溶强化和第二相强化的Mg-Sn-Y合金高温变形行为研究[D]. 杨秋荣.西南交通大学 2019
[2]AZ31镁合金板材轧制过程有限元模拟与实验研究[D]. 郑玄玄.江苏大学 2018
本文编号：3562652
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
镁合金的主要滑移系(a)基面滑移，(b)柱面滑移，(c)锥面滑移，(d)锥面
中北大学学位论文6{1122}65图1-2镁合金基面滑移与柱面滑移启动的临界剪切应力与温度的关系[33]Fig.1-2.TherelationshipbetweenCRSSandtemperatureinbasalslipandprismaticslip[33].(2)形变孪晶由于镁合金为hcp结构，其有限的滑移系限制了塑性性能的提高，形变孪晶作为一种晶内变形机制对于协调变形具有十分重要的意义[35,36]。室温下的镁合金变形往往是滑移与孪生共同作用的结果，孪生启动所需的CRSS要比滑移大得多，因此只有当合金变形滑移受阻时，孪生才会启动来进行变形协调作用，当孪生发生时，合金原有的晶体结构并不会发生改变，而只是晶格内部局部位相的偏转，使原本不利于变形的晶体取向向着有利于滑移启动的方向旋转，因此，滑移与孪晶在变形过程中是相互补充的[37]。对于hcp结构金属而言，其密排面和晶体参数会随着轴比c/a的变化而改变，由此产生的不同的剪切应变也会激发不同的孪生系，如图1-3所示[38]。图中直线斜率为正孪生系为压缩孪生，其主要激活来源为晶粒沿c轴方向受压或沿c轴垂直方向受拉；斜率为负的孪生系为拉伸孪生，即当晶粒沿c轴方向受拉或沿c轴垂直方向受压时此类孪生得以激活。镁的轴比c/a为1.624，从图中可以看出，镁合金可能发生的拉伸孪晶有{1012}和{1121}，压缩孪晶为{1011}和{1122}，根据剪切应变越小，相应孪生系越容易激活的
中北大学学位论文7特性可以知道，镁合金最易发生的拉伸孪晶为{1012}，压缩孪晶为{1011}[39]。镁合金中的孪晶系一般包括一次孪晶与二次孪晶，二次孪晶是在压缩孪晶内再发生拉伸孪晶的结果。常见的一次孪晶有{1011}，{1012}和{1013}，对应转角/转轴为56°/<1210>，86°/<1210>和64°/<1210>；二次孪晶有{1011}-{1012}和{1013}-{1012}，对应转角/转轴为38°/<1210>和22°/<1210>[40]。镁合金中最主要的拉伸孪晶为{1012}，压缩孪晶为{1011}，启动拉伸孪晶所需的CRSS相比与压缩孪晶要小的多，{1012}拉伸孪晶的CRSS约为2~2.8MPa，而{1011}压缩孪晶则需要76~153MPa[1,41]。图1-3密排六方结构金属轴比c/a与孪晶系的关系[38]Fig.1-3.Therelationshipbetweenc/aandtwinninginhcpmetals[38].(3)晶界滑动滑移与孪生是镁合金变形中最主要的两种变形方式，但是仅仅依靠这两种变形方法并不足以弥补镁合金变形能力差的缺点。余琨[42]发现添加稀土后的AZ31RE镁合金的室温延伸率超过了20%，是相同条件下的商用镁合金的3倍多，通过微观组织研究发现其显微组织结构中具有两类晶粒，一类是晶粒大小约为50~70μm的大晶粒，另一类是直径约为10~20μm的细晶结构。其中大晶粒在变形过程中主要通过滑移和孪生机制完成，而细晶结构则看不到形变孪生等变形组织，小晶粒通过晶界的滑动、转动进行变形协调作用。Koike等人[43]在以1×10-3/s速率拉伸平均晶粒尺寸为8μm的AZ31的实验中同样观
【参考文献】：
期刊论文
[1]热处理对GWZK94合金微观组织与力学性能的影响（英文）[J]. 朱家萱,闫钊鸣,张治民,张冠世,潘玉田,张龙. 稀有金属材料与工程. 2020(05)
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[7]航空航天用镁合金的研究进展[J]. 蒋斌,刘文君,肖旅,董含武,张娜,程仁菊,宋江凤,张丁非,潘复生. 上海航天. 2019(02)
[8]镁在汽车工业中的应用现状[J]. 张念,张逸航. 中国有色金属. 2019(06)
[9]镁合金在汽车零部件中的应用与发展[J]. 纪宏超,李轶明,龙海洋,裴未迟,李耀刚. 铸造技术. 2019(01)
[10]Effects of Passes on Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Mg–Gd–Y–Zn–Zr Alloy During Multidirectional Forging[J]. Bing Li,Bu-Gang Teng,De-Gao Luo. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(10)
博士论文
[1]包铁纯镁室温等径角挤压组织演变及力学性能研究[D]. 雷维维.太原理工大学 2019
[2]新型非对称挤压镁合金板材组织及力学性能研究[D]. 徐军.重庆大学 2018
[3]Mg-13Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金往复镦—挤变形组织演变研究[D]. 杜玥.中北大学 2018
[4]AZ31B镁合金板材组织控制及力学性能的研究[D]. 韩廷状.重庆大学 2018
[5]AZ31镁合金多道次轧制板材的显微组织及力学性能[D]. 刘迪.哈尔滨工业大学 2017
[6]大塑性变形Mg-Gd-Y系合金组织结构演变和力学性能研究[D]. 周浩.上海交通大学 2015
[7]AZ31镁合金ECAP挤压过程塑性变形与组织演变规律的研究[D]. 任国成.山东大学 2013
[8]稀土变形镁合金组织性能及加工工艺研究[D]. 余琨.中南大学 2002
硕士论文
[1]基于固溶强化和第二相强化的Mg-Sn-Y合金高温变形行为研究[D]. 杨秋荣.西南交通大学 2019
[2]AZ31镁合金板材轧制过程有限元模拟与实验研究[D]. 郑玄玄.江苏大学 2018
本文编号：3562652
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