AZ31镁合金连续变通道直接挤压织构及变形机理研究

发布时间：2016-09-19 06:56

第1章 绪论

1.1 前言
目前，面对日益严峻的环境问题，节能减排显得越来越重要，轻量化是节能减排的一个重要方面。轻量化主要包括材料轻量化和结构轻量化。结构轻量化主要是指“以空代实”或采用变截面等强度结构，以达到减轻结构件重量的目的。然而由于实际应用中结构件往往十分复杂，，加工工艺较为繁琐，因此结构轻量化受到诸多限制。相比于结构轻量化，材料轻量化是指用较轻的合金代替密度较大的材料，以达到从根源上减轻结构件质量的目的，较为容易实现。 镁合金作为最轻的结构合金而备受关注，具有密度小、比强度大、阻尼性好、导热性好、收缩率小、电磁屏蔽性能好、抗电磁波干扰能力强等诸多优点，在航空航天、交通运输、信息产业等领域的应用日益增多。另外，我国具有丰富的镁资源，镁的总储量居世界首位。因此，镁及镁合金的研究和应用受到了广泛关注。 但在室温条件下，镁合金具有塑性变形能力差、耐蚀性能及抗疲劳性能和蠕变性能较低等缺点，极大地限制了镁合金在工业上的应用。当前镁合金在铸造过程中容易产生夹杂、气孔、疏松等缺陷，同时铸造镁合金通常晶粒较为粗大，组织不均，严重影响了镁合金的性能。 因此，塑性工艺被用于镁合金的加工成形。镁合金常见的塑性加工方式有:轧制、挤压、冲压、热锻等。经塑性变形后，改变了镁合金的微观组织，性能也随之得到改善。基于塑性变形的基础上，学者们通过改进提出了剧烈细化晶粒的大塑性变形工艺(SPD)。但是，由于制备材料工艺要求的复杂性及需要多道次才能完成等瓶颈限制，现阶段大塑性变形工艺目前仍处于实验研究或小批量试制阶段，难以满足工业上大批量的需求。 如何实现材料制备与后续加工工序的有机结合是镁合金塑性加工领域当前不断探索的研究方向之一。为此，本文针对可以实现集材料制备和成形一体化的塑性工艺-连续变通道直接挤压法(CVCDE)进行研究，对经连续变通道直接挤压成形后的 AZ31 镁合金微观组织和织构进行深入分析，通过研究变形机理对力学性能提高的内因进行阐释。 
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1.2 镁合金晶粒细化方法
快速凝固是一种常见的细晶材料制备方法，最早于二十世纪五十年代应用于镁及镁合金的研究上。它主要是采用极快的冷却速度使液态镁合金转变为固态镁合金，通过快速凝固制备的镁合金晶粒尺寸可以达到纳米级。镁合金的快速凝固技术主要有三种：一是采用雾化快速凝固；二是模冷快速凝固；三是表面重熔快速凝固[1]。 ZHANG等[2]研究了常规铸造 ZM61 镁合金和快速凝固 ZM61 镁合金的室温力学性能和抗腐蚀性能，研究发现，快速凝固 ZM61 镁合金形成了细化的树突状显微组织和分布在基体中的强化相 Mg Zn2，力学性能和腐蚀性能得到显著提高，极限抗拉强度从 335  MPa 增加到 460  MPa。图 1-1 所示为铸造和快速凝固 ZM61 合金的微观组织对比。CZERWINSKI[3]研究了快速凝固技术制备的用于触变注射成型的镁合金颗粒，研究发现：其微观组织由树突状的 a-Mg 和 Mg17Al12 组成，与铸造组织相比，Mg17Al12 的含量降低。图 1-2 为快速凝固制备颗粒的显微结构和 Mg17Al12的显微结构。WATANABE等[6]通过粉末冶金制备等轴状的晶粒尺寸为500  nm的ZK61镁合金,并研究了其在低温高应变速率下的超塑性，研究发现纳米级的晶粒尺寸导致ZK61镁合金在低温高应变速率下的超塑性。图1-4为粉末冶金的ZK61镁合金的TEM微观结构。 
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第2章   实验材料及分析方法 

2.1 引言 
连续变通道直接挤压作为一种新型的高性能轻合金挤压成形技术，它通过型腔结构的巧妙设计使流经材料受到连续“镦-拔-镦”的加载作用效果，同时集材料的制备与成形等工序于一体，真正实现了形/性的协同控制，但其机理方面的研究则鲜有报道。本章主要针对拟围绕展开研究所需的实验材料、工艺方法及测试手段等进行介绍。 
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2.2 实验材料及方法
本文采用的实验材料为挤压态商用 AZ31 镁合金，化学成分如表 2-1 所示。坯料尺寸为 Ф40  mm×40  mm，总挤压比为 44.4，挤压速度为 1  mm/s，挤压温度为 300 oC。水基石墨被采用作为润滑剂，挤压后试样在空气中冷却。连续变通道直接挤压即在坯料和芯模之间增设一定数量及结构的过渡模，形成连续变通道的型腔结构，工艺原理如图 2-1 所示。模腔整体结构主要是由挤压筒、芯模和若干数量的过渡模所组成，无过渡模情况即为常规挤压，该工艺的过渡模及芯模定径带处直径呈逐渐减小趋势变化。当改变 d1、d2、d3、d4、α1、α2、α3、β1 和  β2 等参数时会形成不同的模腔结构，造成不同局部应变量。成形初期，材料受压变形后向下一个型腔充填流动，先后发生了镦粗和挤压两种变形模式。其中，镦粗部分沿径向逐渐充满相应阶段的模腔，挤出部分则从模口流出进入下一个型腔或最终被挤出成形。 与传统挤压相比，该方法成形时材料在流经过程中可受到持续变化的剪切应力作用，促使晶粒进一步细化，对挤出制品综合性能有着重要影响。过渡模的数量和结构直接影响到材料流出的难易程度和变形量的大小。 
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第 3 章  挤压态 AZ31 镁合金的微观组织和性能研究 ...... 18 
3.1  引言 ..... 18 
3.2  晶粒分布特征分析 ........ 18 
3.3  力学性能及断口形貌 .... 21 
3.3.1  力学性能 ........ 21 
3.3.2  断口形貌 ........ 22 
3.4  织构演变及机理分析 .... 23
3.5  本章小结 ...... 26 
第 4 章  二阶连续变通道挤压 AZ31 镁合金的微观组织和性能研究 ......... 28 
4.1  引言 ..... 28 
4.2  研究方案 ...... 28 
4.3  晶粒分布特征分析 ........ 29 
4.3.1  晶粒形貌 ........ 29 
4.3.2  再结晶行为 .... 31 
4.4  力学性能及断口形貌 .... 34
4.5  织构演变及机理分析 .... 36
4.6  本章小结 ...... 40 
第 5 章  三阶连续变通道挤压 AZ31 镁合金的微观组织和性能研究 ......... 41 
5.1  引言 ..... 41 
5.2  研究方案 ...... 41 
5.3  晶粒分布特征分析 ........ 42 
5.3.1  晶粒形貌 ........ 42 
5.3.2  再结晶行为 .... 43 
5.4  力学性能及断口形貌 .... 45 
5.5  织构演变及机理分析 .... 46 
5.6  本章小结 ...... 51 

第5章 三阶连续变通道挤压 AZ31 镁合金的微观组织和性能研究 

5.1 引言 

为了进一步研究连续变通道直接挤压法在细化晶粒、改变微观组织结构和织构类型等方面的作用效果。本章在原有基础上增设了一个过渡模，初步设计了三阶连续变通道直接挤压模结构，并对三阶连续变通道直接挤压后镁合金的力学性能进行测试，用 EBSD、SEM 和 TEM 对其微观组织进行表征，分析其对力学性能改变的内因所在。由图 5-2 可以看出，经过三阶连续变通道直接挤压后晶粒被明显的细化，同时晶粒变得等轴化。在图 5-2a)的中间部分形成了明显的小晶粒带，经过统计，平均晶粒尺寸为 6.67  μm。由图 5-2b)可以看出再结晶的小晶粒多出现在晶界交叉处且晶界成锯齿状。从图 5-2c)晶粒尺寸分布可知，晶粒尺寸较小且分布较为均匀，不存在原始状态那样的粗大晶粒，在 5000 倍下一些尺寸较小的晶粒被表征出来。 图 5-3 所示为三阶连续变通道直接挤压得到的 AZ31 镁合金晶粒短长轴比(GSAR)分布和再结晶晶粒(GSAP>0.5)分布图。由图 5-3a)可以看出，与第三章中挤压态 AZ31 镁合金相比，GSAP>0.5 晶粒比例明显增多，说明等轴晶粒的比例增加，经三阶连续变通道直接挤压后再结晶晶粒明显增多，再结晶晶粒分布如图 5-3b)所示，除了黑色 GSAP<0.5 变形晶粒，大部分晶粒为再结晶晶粒。 

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结论 

本文主要围绕AZ31镁合金连续变通道直接挤压工艺实验和微观结构及性能表征进行了深入研究，并揭示了其变形机理，主要得到如下结论： 
1.  与传统挤压工艺相比，连续变通道直接挤压法能有效细化AZ31镁合金晶粒，易形成等轴细小的再结晶晶粒，提高了微观组织均匀性及明显改善了力学性能； 
2.  连续变通道直接挤压技术能改变AZ31镁合金晶粒的位向，有利于非基面滑移系的激活。随着过渡模数量的增加，基面织构强度和类型发生改变，有利于减弱挤出制品的各向异性，使延伸率和抗拉强度都得到提高； 
3.  不同局部应变量的二阶连续变通道直接挤压 AZ31 镁合金的晶的取向和孪晶变化以及位向角之间均存在差异，变形机理也明显不同，其中方案一、二中以滑移和孪生变形为主，方案三中主要为滑移； 
4.  不同局部应变量促使二阶连续变通道直接挤压 AZ31 镁合金的织构类型也完全不同。三种方案分别对应形成了、//ND、三种丝织构，织构类型改变和强度弱化对 AZ31 镁合金力学性能有较大影响； 
5.  经过三阶连续变通道直接挤压后，AZ31 镁合金晶粒方向发生了改变，形成了新的丝织构，晶粒的基面与挤压轴之间形成一定的夹角，有利于基面滑移的进行，基面滑移和弱化的基面织构导致了沿轴向拉伸时屈服强度的降低；
6.  通过对比研究结果表明，三阶连续变通道直接挤压 AZ31 镁合金的TEM 显微结构与挤压态明显不同，{10-12}拉伸孪晶较为狭长细小，同时再结晶晶粒内部位错密度较低。 
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参考文献(略)

本文编号：117654