AZ31镁合金板材拉伸变形及热加工图的研究

发布时间：2016-05-09 06:47

第 1 章 绪  论

引言
镁合金具有比强度高，密度低，良好的电磁屏蔽性能，导热性能好，易加工，易回收等物理和化学性质，因而被广泛应用于航空航天，汽车制造业，通讯电子产品，便携式移动设备，体育健身，医疗设备以及其它一些需要减轻重量的零部件等广泛的领域[1]。我国有大量的镁资源储量，其中的绝大部分是以低附加值的原材料进行出口，目前在铸造方面有一些应用，具有优良性能的变形镁合金却比较稀缺，镁工业的整体基础较弱，深加工性能差，很大程度上限制了我国镁工业竞争力的提高，由于镁合金自身结构为密排六方结构，与其它的晶体构造相比较，独立的滑移系统较少，尤其是在室温条件下，滑移变形时仅仅存在于基面{0001}上，宏观表现为塑性变形能力差，变形加工难度大，容易产生孪生，导致裂纹萌生，甚至开裂[2]。在高温条件下，镁合金的滑移系统，其中包括锥面滑移系统和棱柱面的滑移系统的启动，在宏观上塑性起到了很大的改善，，容易加工，特别是商用 AZ31 板得到规模应用。大量文献研究了 AZ31 镁合金的热压缩和轧制变形的变形机制，为 AZ31 镁合金板材的规模化生产给出了理论基础。但是，关于规模化生产的 AZ31 镁合金板的深冲变形工艺及热加工图的研究却鲜有文献报道，所以有必要对 AZ31 镁合金板材的拉伸变形及热加工图进行研究与讨论[3]。
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1.1 镁合金的特点与应用现状
纯镁具备许多优异性能，然而其抵抗各种外加载荷的能力较差，极大的限制了其使用范围。在纯镁中增添适量的合金化元素，镁的物理、化学以及力学性能能够得到很大的改良，镁合金可以按照三个方面进行分类：按照合金化学成分的构成、加工成型工艺以及按热处理强化效果进行分类[4]。 按化学成分，镁合金可以总结为三类，分别为：二元镁合金、三元镁合金与多元镁合金，镁合金划分的依据是镁和除镁之外占合金元素含量最高的一个元素进行不同系的建立，可以表达成 Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Ag、Mg-Th、Mg-Li 系等[5]。  铸造和锻造镁合金的不同成型工艺是主要的两大类，对组织的组成和性能是这两种类型的一个很大的区别。铸造镁合金由于其成型特点，因而生产效率比较高，铸件的尺寸精度较好，可以铸造形状复杂的工件。对于变形镁合金板材来说，其在加工体系中难度较大并且附加值较高，和铸造镁合金相比：强度更高、塑性佳，同时规格总类多。因此，发展研究变形镁合金对不同领域来说，使用价值更高，拥有广阔的应用前景[6]。 按热处理效果可以分类为：镁合金可热强化和非热强化合金，镁合金的热处理的目的是改善机械性能，与此同时也有些热处理的目的是为了降低铸造内应力或淬火应力，能够控制在高温工作期间应力的生长倾向，使铸件保持稳定的尺寸[7]。基于在固体溶液中的溶解度和温度各成分的关系，以确定热处理是否加强。镁合金在作为移动设备外壳上使用时，在保护设备的同时也具备良好的热传导性能，大大改善了设备散热的问题。镁合金在军工方面上使用也较多，其中在雷达卫星使用上是根据镁合金是非磁性金属，能够抗电磁波干扰，电磁屏蔽性能优良。 同时，和其他合金材料相比下，镁合金材料在使用上也有一部分的局限性，镁合金的抗盐水腐蚀能力较低，在与钢铁材料接触时容易产生电化学腐蚀。
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第 2 章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料
实验材料使用营口银河镁铝合金有限公司成产的大变形大压下量经过两道粗轧七道精轧的多道次轧制 AZ31 镁合金板材，厚度分别为 1.2mm 和 7.0mm。 
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2.2 实验设备及试样的制备 
将轧制板材沿轧制方向（呈0°方向，即RD，roll  direction)经行取样，试样的尺寸规格如图2.1所示。实验用的试样是从轧制AZ31镁合金板材上通过线切割机切得。 材料试验机可以在材料进行拉伸变形时测量材料在受到拉伸变形载荷时金属材料的力学性能指标，并且通过计算机对实时拉伸应力进行记录，对于力学性能上来说，其中包括屈服强度0.2? 、抗拉强度b? 、断后延伸率。本实验采用美国进口 MTS810 疲劳试验机及三段式电阻丝加热炉加热，温度误差范围在±1℃。拉伸最大量程为 2KN。MTS810 疲劳试验机采用自我调控和适应的封闭式操控形式，以及各类补偿方式进行实验，让试样的指令信息以及回馈信息能够相互吻合，实现实验的参量控制方式。拉伸机上配有 GX-1200A 型温度控制箱从室温加热到需要温度后保温 15min 后再开始拉伸，为的是保证实验材料达到所需温度，并且实验材料各处受热均匀。具体高温拉伸试验如下： 1）将两种板厚的 AZ31 镁合金板材在沿轧制方向获取各 18 个拉伸试样，分别在温度为 200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃每个温度下分别以拉伸速度 2 mm/min、20mm/min、 200mm/min（所对应的应变速率分别为 0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1）进行拉伸变形直至断裂，采用实验所采集的数据经过转换公式转换后应用 Origin8.0 程序建立出材料热拉伸变形的真应力-真应变曲线。 2）对材料要进行进行预先热处理，使组织均匀化，晶粒尺寸比较均匀的情况。故试验前将线切割好的大变形大压下量的 AZ31 镁合金试验试样在 380℃时进行热处理过程，热处理 2 小时。在进行高温拉伸前同时要注意材料的表面清洁度，若有杂质等异物，使用 5 号砂纸对材料表面经行细微打磨，尤其需要注意在试样件在拉伸过程中的有效部位的细微打磨，同时，在进行拉伸之前，为保证试验的准确性，使材料在三轴方向的温度一致，也需要将将试样提前加热到制定的试验温度参数后进行保温，保温时间为 5 分钟持，材料发生断裂失效后应快速进行常温冷却，保证材料的断裂处或者断裂处附近及材料的组织没有发生变化，以便下一步的金相组织分析。 
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第 3 章 高速轧制 AZ31 镁合金板的热拉伸行为及其本构方程..... 16 
3.1 AZ31 薄板热拉伸的真应力真应变曲线 ...... 16 
3.2 AZ31 镁合金 1.2mm 薄板流变应力模型的建立 ...... 19 
3.2.1 应变速率对流变应力的影响 .... 20 
3.2.2 温度对流变应力的影响 ........ 21 
3.2.3 本构方程的建立 ........ 23 
3.3 AZ31 镁合金 7.0mm 厚板拉伸真应力-真应变曲线分析 ..... 25 
3.4 AZ31 镁合金 7.0mm 厚板流变应力模型的建立 ...... 27 
3.4 本章小结 ....... 32 
第 4 章 AZ31 镁合金板材的热拉伸性能 ..... 33 
4.1 引言 ..... 33 
4.2 AZ31 板材热加工图的构建与分析 .... 33 
4.3 金相组织分析 ......... 36
4.4 本章小结 ....... 42 
第 5 章 结论.... 43 

第 4 章 AZ31 镁合金板材的热拉伸性能 

4.1 引言 

金属材料如果能在塑型加工过程中能发生动态再结晶通常我们是这样认为是非常良好的变形机制，在再结晶过程中材料可以通过重建材料内部组织结构，消除晶体内部缺陷及残余应力，而动态回复在这些方面可以忽略。但是超塑性行为则不能建立其显微组织结构，并且如果变速率比较大的时候还会在晶界交汇处形成裂纹和空洞[35]。有些材料组织变形机制的产生则对材料塑性加工的进行十分有害，例如动态产生裂纹、实效、绝热剪切带的形成种种现象。为了更好地加强 AZ31 镁合金的加工性能以及深入了解其内部塑性变形机制，根据材料的动态模型(DMM) [36]，建立 AZ31 镁合金（1.2mm 和 7mm）轧制板材在热拉伸过程的热加工图。

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结论

本课题采用了金相显微镜，热处理炉与带有保温装置的 MTS810 材料试验机，分别研究了厚度分别为 1.2mm 和 7mm 的大变形大压下量的 AZ31 镁合金轧制板材的高温拉伸变形行为，以及在拉伸变形过程当中的显微组织变化，并且构建本构方程与热加工图，讨论了热加工图中不同区域组织变化规律，给出了适宜可热加工的参数，主要结论如下： 
1）AZ31 镁合金的高温流变真应力-真应变曲线呈现典型的动态再结晶组织软化特性，流变应力随拉伸变形温度的降低和应变速率的增加而增大。 
2）经计算得到 AZ31 镁合金的变形激活能在 108~194KJ/mol 之间，1.2mm 厚的 AZ31镁合金板的热激活能 Q=143KJ/mol, 7.0mm 厚的 AZ31 镁合金板热激活能 Q=156KJ/mol。 
3）AZ31 镁合金 1.2mm 薄板的热加工图分为 6 个区域，4 个非失稳区和两个失稳区，区域 I 为低温低应变速率区域，能量耗散效率较低在 25%以下，不动态再结晶机制不能完全的启动，不适合进行塑性变形；区域 III 和区域 IV 中由于变形温度较高且应变速率范围较窄并且不易控制，从成本角度和可控制性考虑不适合进行热加工。在区域 II 中温度高应变速率，温度和应变速率变化范围较大，根据耗散效率值与金相可看出发生动态回复和再结晶，能够得到良好的组织，是热拉伸变形工艺易控制的理想加工区域。当变形温度为 280~325℃，应变速率为 0.01~0.1s-1时材料的功率耗散效率达到最高 35%，表明处于低能量耗散状态，此时材料的可加工性最好，能够获得无缺陷的组织和优异的力学性能。 
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参考文献(略)

本文编号：43103