鎂及鎂合金中低溫等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形及組織性能研究.pdf

1、鎂及鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因其較高的比強(qiáng)度和比剛度，在工業(yè)應(yīng)用中具有非常大的潛力。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，能源和環(huán)保問(wèn)題極大地刺激了鎂及鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。但是由于鎂及鎂合金屬于密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少，塑性變形后各向異性非常顯著，使其力學(xué)性能較低，傳統(tǒng)工藝未能很好地解決其力學(xué)性能較低的問(wèn)題。研究表明，通過(guò)控制材料的顯微結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸及其分布和織構(gòu)）能有效地改善材料的綜合力學(xué)性能。近年來(lái)，等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal Ch

2、annel Angular Pressing，ECAP)受到材料研究者的廣泛關(guān)注，因?yàn)樵摷夹g(shù)可使材料內(nèi)累積足夠大的變形能，達(dá)到充分細(xì)化晶粒尺寸的目的，可制備出亞微米級(jí)甚至納米級(jí)的超細(xì)晶材料。經(jīng)過(guò)ECAP擠壓后，材料的綜合力學(xué)性能有了顯著的提高。受鎂及鎂合金塑性較差的影響，目前ECAP通常都在200℃（0.5Tm，開(kāi)氏溫度）以上進(jìn)行擠壓，得到的晶粒尺寸也在2μm以上。在200℃以下，關(guān)于ECAP對(duì)鎂及鎂合金的組織性能影響的研究還很有限。<

3、br>　　由于ECAP過(guò)程中的影響因素較多，為了得到均勻的顯微組織，首先通過(guò)模擬優(yōu)化ECAP模具結(jié)構(gòu)，為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的模具設(shè)計(jì)提供理論支持。隨后，本文以純鎂和AZ80鎂合金為對(duì)象，系統(tǒng)地研究了鎂及鎂合金在中低溫下經(jīng)過(guò)ECAP擠壓后的顯微組織演變過(guò)程，分析在中低溫下擠壓晶粒的細(xì)化過(guò)程;同時(shí)，對(duì)擠壓后的材料在室溫下進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，分析經(jīng)過(guò)劇烈塑性變形后材料的變形行為。取得的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)使用3D有限元軟件優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)后

4、模擬了純鈦和純鎂的變形過(guò)程，系統(tǒng)地分析了模具內(nèi)外轉(zhuǎn)角以及背壓對(duì)材料應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率等分布的影響。模擬結(jié)果表明:通過(guò)改變模具內(nèi)外轉(zhuǎn)角半徑可以使樣品在擠壓過(guò)程中上下表面的受力分布均勻，這有利于得到變形均勻的材料;優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)對(duì)變形分布的影響不因材料的不同而發(fā)生改變;背壓能不破壞樣品的上下表面的受力平衡，并且有利于增加均勻變形區(qū)的應(yīng)變量，增加變形程度。通過(guò)調(diào)整模具轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和背壓能顯著地降低樣品通過(guò)剪切變形區(qū)的應(yīng)變速率，從而有利于防止材

5、料發(fā)生斷裂。
　　(2)使用直接和兩步法對(duì)鑄態(tài)純鎂在中溫下(100～200℃)進(jìn)行了ECAP擠壓。其中，兩步法是先在較高下多道次ECAP擠壓，然后再降低溫度進(jìn)行擠壓。研究了材料的顯微組織變化及其對(duì)壓縮變形行為的影響。使用電子背散射衍射(Electronic BackScatterDiffrication，EBSD)和X-射線衍射(XRD)，分析了擠壓溫度、擠壓道次、擠壓路徑對(duì)微觀組織及織構(gòu)類型的影響，通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)研究了不同擠壓條件

6、對(duì)力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:純鎂在中溫下直接ECAP擠壓，Bc路徑比較容易導(dǎo)致樣品發(fā)生斷裂。采用兩步ECAP能成功地使用A、Bc和C路徑在不同溫度下(100～200℃)對(duì)純鎂擠壓4道次，不同路徑對(duì)材料的細(xì)化作用存在明顯差別，依次為:Bc＞A＞C。受剪切面體系的影響，Bc和C路徑得到的是傾斜織構(gòu)，隨著擠壓溫度的降低，擇優(yōu)取向逐漸減弱;A路徑得到的是基面織構(gòu)，擠壓后大角度晶界比例較高，溫度對(duì)大角度晶界比例和織構(gòu)類型的影響不顯著。在壓縮變

7、形過(guò)程中，受織構(gòu)和晶粒分布的影響，不同路徑對(duì)材料綜合性能的提高作用依次為:A＞Bc＞C。
　　(3)采用兩步ECAP方法，研究了純鎂在室溫下不同路徑、多道次以及背壓對(duì)材料組織性能的影響。通過(guò)透射電鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)和EBSD測(cè)試方法，分析了純鎂在室溫下經(jīng)過(guò)不同路徑、不同道次擠壓后的顯微組織演變過(guò)程以及晶粒細(xì)化機(jī)制。通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)研究了室溫ECAP擠壓后對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

8、研究結(jié)果表明:在室溫下，二次ECAP多道次擠壓后，A路徑擠壓后材料的強(qiáng)度和塑性均有明顯提高，綜合性能最高，這主要?dú)w因于材料的多尺度晶粒分布以及基面織構(gòu)的存在;Bc路徑對(duì)材料力學(xué)性能的提高作用次之，由于隨著擠壓道次的增加，形成的傾斜織構(gòu)導(dǎo)致材料強(qiáng)度略有降低，而塑性逐漸提高;C路徑擠壓后材料的力學(xué)性能最差，因?yàn)榇罅康膶\晶不利于塑性變形，傾斜織構(gòu)使材料強(qiáng)度較低。背壓是促進(jìn)晶粒細(xì)化最有效的方法之一，隨著背壓的提高，即使采用單道次擠壓也能使晶粒均

9、勻地細(xì)化到亞微米級(jí)別;增加背壓使材料的塑性大幅度地提高，高背壓更有利于形成擇優(yōu)取向。
　　(4)分別采用直接和兩步ECAP的方法，研究了AZ80鎂合金在不同溫度擠壓后組織演變及其對(duì)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:在320℃下，A和Bc路徑對(duì)晶粒細(xì)化效果的影響相似;隨道次增加，晶粒尺寸均出現(xiàn)先減小后長(zhǎng)大的現(xiàn)象。在200℃下，材料內(nèi)形成大量的孿晶，并累積較高的位錯(cuò)密度;晶?？杉?xì)化到亞微米尺度，析出物也被細(xì)化成為100nm左右的離散顆粒均勻地