2023年全國(guó)碩士研究生考試考研英語(yǔ)一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p>  熱軋過(guò)程對(duì)Mg-3%Al-1%Zn合金薄板微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響</p><p>  L. Jina,b*, J. Donga,b, R. Wanga,b, L.M. Penga,b</p><p> ?。╝ 國(guó)家輕合金形成工程研究中心,上海交通大學(xué)</p><p>  b 國(guó)家金屬基復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海交通大學(xué))</p>&

2、lt;p>  摘要:本文對(duì)AZ31合金板材熱軋過(guò)程中微觀組織的演變和變形機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究。AZ31板材微觀結(jié)構(gòu)中原始晶粒平均大小為37um,此外,擴(kuò)散、拉伸、孿生導(dǎo)致位錯(cuò)的滑移,滑移的方式由初始晶粒取向、晶粒尺寸和軋制溫度決定。AZ31板材在熱軋過(guò)程中晶粒細(xì)化的主要機(jī)制是連續(xù)動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶,{1011}晶面的拉伸以及沿{1011}-(1012)滑移系孿生加速晶粒細(xì)化過(guò)程。在AZ31合金鋼熱軋過(guò)程中拉伸和孿生與晶粒細(xì)化和織構(gòu)隨機(jī)

3、化成正比。在本研究中,400℃每道次下軋50%條件下鋼件比在300℃每道次下軋30%條件下有更好的韌性。因此,提高軋制高溫度和增加單道次下軋量有利于AZ31鋼板微結(jié)構(gòu)優(yōu)化和機(jī)械性能改善。</p><p><b>  1 引言</b></p><p>  鎂板材目前被應(yīng)用到各種各樣的測(cè)試之中。然而,在室溫下由于基體和近基體織構(gòu)沿軋向擴(kuò)展,因此軋制鎂合金通常呈現(xiàn)相對(duì)較低的

4、延伸率和較差的塑性[1]。應(yīng)用鎂合金兩個(gè)重要的要求是細(xì)化晶粒和隨機(jī)紋理。在鎂合金中織構(gòu)的演變受到應(yīng)變方式和最初微觀結(jié)構(gòu)相互作用的影響[2],鎂合金板材中基體織構(gòu)產(chǎn)生與基體滑移活性有關(guān)[3]。據(jù)了解,基體紋理來(lái)源于(1012)擴(kuò)展孿生基礎(chǔ)上,這樣的擴(kuò)展孿生是基于孿生能調(diào)整與C軸平行的壓應(yīng)力,這些能夠在試驗(yàn)[4]、[5]中得到證實(shí)。但是很難改變像AZ31和AZ61鎂板材的基體組織,如果建立塑性變形模型和軋制過(guò)程參數(shù)之間的相互關(guān)系,那么基體組

5、織的強(qiáng)度可以減弱,通過(guò)控制軋制過(guò)程的參數(shù)也可使晶粒尺寸減小。</p><p>  鎂是通過(guò)滑移、孿生和邊界滑移發(fā)生塑性變形。邊界滑移適用于納米材料成型或者超塑性變形,也同樣適用于AZ31板材中的晶粒細(xì)化[7-9]。在基平面上的位錯(cuò)滑移導(dǎo)致大形變的塑性變形,但是只有兩個(gè)單獨(dú)的基滑移系遠(yuǎn)少于普通變形需要的5個(gè)單獨(dú)滑移系統(tǒng)。在鎂和鎂合金中孿生產(chǎn)生附加變形即{1012}(1011)擴(kuò)展孿生和{1011}(1012)拉伸孿

6、生。為了防止位錯(cuò)滑移,菱方晶系{1010}(1120)和正交晶系{1011}(1120)應(yīng)用于AZ31合金中來(lái)增加在基體晶系(0001)(1120)中的滑移。對(duì)于在持續(xù)升溫中軋制AZ31板材,除了基滑移和擴(kuò)展孿生,容易產(chǎn)生無(wú)基體的位錯(cuò)滑移和孿生方式,在AZ31合金板材熱軋過(guò)程中變形方式取決于原始晶粒結(jié)構(gòu)和軋制工藝過(guò)程。另外,持續(xù)動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶是作為在鎂合金變形連續(xù)升溫變形過(guò)程中晶粒細(xì)化和長(zhǎng)大的一種現(xiàn)象[14-15],這一點(diǎn)是來(lái)源于低能位

7、錯(cuò)理論[16]。然而,軋制過(guò)程,變形機(jī)制和微結(jié)構(gòu)的演變之間的關(guān)系并不是很明確。</p><p>  圖1.AZ31合金板材原始微觀結(jié)構(gòu):</p><p><b>  (a)反極圖 </b></p><p><b>  (b)極圖 </b></p><p>  (c)滿足基滑移系的施密德因子<

8、/p><p>  而電子背散射衍射技術(shù)(EBSD) 有助于理解AZ31板材在熱軋過(guò)程中的孿生演化、取向偏差、織構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)以及變形機(jī)制對(duì)微結(jié)構(gòu)演化的影響。這樣開(kāi)創(chuàng)了一種通過(guò)設(shè)計(jì)合理的微結(jié)構(gòu)軋制過(guò)程來(lái)控制機(jī)械反應(yīng)的可能性。因此,本文旨在研究AZ31合金在熱軋過(guò)程中微結(jié)構(gòu)演變應(yīng)用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD),以及微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的關(guān)系。</p><p><b>  2 材料和實(shí)驗(yàn)<

9、;/b></p><p>  本實(shí)驗(yàn)中使用的是AZ31合金。熱軋前,合金為537K溫度下下橫截面積為110mm×10mm的矩形棒材。圖1所示AZ31合金熱軋前的微結(jié)構(gòu),包括反極圖(IPF),極圖和施密得因子。結(jié)果表明最初的基體織構(gòu)有C軸垂直于板材平面的,極少有C軸平行于板平面的和原始擠壓方向。圖1(c)表明大部分區(qū)域的施密德因子值都小于0.3,表明晶粒取向不利于基體滑移。</p>&

10、lt;p>  基體棒材分別在573K和673K下預(yù)熱0.5小時(shí),然后在熱軋鋼廠分別以單軋30%和50%將棒材熱軋至厚度為3.5mm和2.5mm。使用內(nèi)部電子加熱器將軋輪溫度控制在473K左右??偟暮穸葴p少量分別大約在65%和75%。卷板再次加熱來(lái)保證可加工性。軋制方向與所獲得的棒材方向平行。軋制樣本在每次軋制后都要馬上用水淬。水淬后的樣本用LEOTM 1450掃描電子顯微鏡,20KV和帶TSLTM EBSD相機(jī)照片來(lái)做電子背散射衍

11、射技術(shù)(EBSD)分析,由于是在電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)分析樣品中的變形結(jié)構(gòu),因此在區(qū)域里有極低的指數(shù)特性、較多的位錯(cuò)反應(yīng)和細(xì)晶孿生,但是結(jié)果仍然表明了許多有用的信息。</p><p><b>  3 結(jié)果和討論</b></p><p>  圖2中顯示了在不同的每次下軋量和軋制溫度下晶粒尺寸分布。最初的擠出材料晶粒尺寸大小從10-160um不等,平均晶粒尺寸為3

12、7.29um。圖2(a)表明在300℃和每道次下軋30%時(shí),在軋制前三次后晶粒結(jié)構(gòu)就開(kāi)始發(fā)生演變。在單次滾軋后,晶粒的平均尺寸急劇減小,主要的晶粒尺寸范圍在10-30um變化,但是相當(dāng)大數(shù)量晶粒在40-85um變化。第二次軋制后,晶粒更加均勻細(xì)化,平均晶粒尺寸為8.8um。第三次軋制事實(shí)上導(dǎo)致了晶粒尺寸稍稍增加到13um。在400℃下軋制也獲得了相同的結(jié)果。圖2(b)概括了AZ31板材在不同道次下軋和軋制溫度下熱軋時(shí)的平均晶粒尺寸大小,

13、結(jié)果表明在下軋量確定時(shí),平均晶粒尺寸在400℃下要比300℃軋制要大一些;軋制溫度確定時(shí),在相同的總厚度前提下,增加每道次下軋會(huì)使晶粒更加細(xì)化。</p><p>  圖2:(a)1-3次每道次下軋30%,300℃熱滾軋后AZ31合金板材晶粒尺寸分布 </p><p>  (b)在不同軋制過(guò)程中的平均晶粒尺寸大小,其中晶粒是根據(jù)位錯(cuò)角大于15°的晶粒邊界來(lái)劃分的。</p>

14、;<p>  圖3給出了AZ31合金板材熱軋前和熱軋后的拉應(yīng)力。圖中應(yīng)力應(yīng)變曲線表明AZ31合金板材熱軋后應(yīng)變減小,屈服應(yīng)力增加,抗拉強(qiáng)度增加。軋制AZ31合金板材后有相同的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度,但是韌性發(fā)生了很大變化,韌性要比在更高溫度和較大道次下軋量時(shí)大得多。</p><p>  圖3.AZ31板材熱軋前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>  圖4分別給出了AZ31合金板材

15、在300℃每道次下軋30%和400℃每道次下軋30%和50%條件下的反極圖。此時(shí)晶界為15-90°取向偏差的大角度晶界和2-15°取向偏差的小角度晶界,在圖4中大角度偏差晶界是黑線,小角度偏差晶界為白線。圖2中計(jì)算出的晶粒尺寸大小用大角度偏差晶界來(lái)劃分。圖4(a)表明盡管在300℃每道次下軋30%條件下存在一些粗晶粒,微結(jié)構(gòu)還是逐步在細(xì)化。細(xì)化的晶粒形成典型的鏈狀結(jié)構(gòu),這是由于在細(xì)化的區(qū)域中軋制時(shí)晶粒的積聚導(dǎo)致產(chǎn)生了

16、連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在圖4(b)和(c)能夠觀察到400℃每道次下軋30%和50%條件下加工后粗晶粗大。圖4(c),在粗晶內(nèi)部有大量的小偏差晶界,這與位錯(cuò)的滑移和相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果類似,這樣可能導(dǎo)致在連續(xù)動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶方式下大角度境界偏差和晶粒細(xì)化。這與圖2(b)所得數(shù)據(jù)吻合,即較大的平均晶粒尺寸在400℃每道次下軋50%條件下第一道次軋制后獲得,但是最細(xì)的晶粒尺寸在相同條件下第二道次軋制下獲得。</p><p>

17、;  圖4也給出了熱軋過(guò)程中發(fā)生孿生的位置,由于分辨率較低很難確定孿生的模式。圖4(c)中所標(biāo)定的微結(jié)構(gòu)區(qū)域所示為電子被反射衍射技術(shù)(EBSD)在0.5um尺寸下的分析,結(jié)果在圖5中給出。</p><p>  圖4.(a) 在300℃每道次下軋30%后AZ31合金板材的反極圖</p><p>  (b) 在400℃每道次下軋30%后AZ31合金板材的反極圖</p><p

18、>  (c) 在400℃每道次下軋50%后AZ31合金板材的反極圖</p><p>  圖5(a)和(b)給出了點(diǎn)陣取向反極圖和確定的孿生邊界粒子形狀圖。圖中可以看到粒子1、2、3中孿生的晶粒,在晶粒1中孿生的形式為{1012}(1011)擴(kuò)展孿生,由孿生邊界定理可知,2、3晶粒孿生方式為{1011}-{1012}雙向?qū)\生。2、3晶粒由于雙向?qū)\生被分開(kāi),結(jié)果原始晶粒被細(xì)化成3-5個(gè)更細(xì)的粒子。結(jié)果表明,孿生

19、過(guò)程中,尤其是拉伸和雙向?qū)\生,加速晶粒細(xì)化過(guò)程。孿生現(xiàn)象可解釋如下,孿生后有更多的孿生邊界產(chǎn)生,這些邊界在變形過(guò)程中是位錯(cuò)滑移的障礙。孿生邊界位錯(cuò)密度和取向偏差增加,在大的應(yīng)變下,大角度晶界取向偏差就會(huì)發(fā)生,從而使晶粒細(xì)化。正如漢弗萊斯所述,不用考慮粒子形核機(jī)制的影響,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶主要來(lái)源于大角度晶界。但是晶粒形核和長(zhǎng)大是由于二次晶粒變形和大角度晶界偏差細(xì)化晶粒的連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制作用下產(chǎn)生的。</p><p> 

20、 圖5.第一次在400℃每道次下軋50%條件加工后AZ31合金板材的微結(jié)構(gòu),(a)母相和孿生的反極圖和晶格取向(b)晶粒形狀,孿生邊界,擴(kuò)展孿生邊界(86?±5?)用紅線標(biāo)記,拉伸孿生邊界(56?±5?)用綠線標(biāo)記。雙向?qū)\生邊界(38?±5?)用藍(lán)線標(biāo)記(對(duì)于在圖例中顏色參考文獻(xiàn)的解釋,讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本)</p><p>  圖6表明,AZ31合金板材在300℃每道次下軋30

21、%條件下三次軋制和在400℃每道次下軋50%條件下兩次軋制后細(xì)化的孿生晶界晶粒形狀圖。圖6(b)中的晶粒尺寸要比圖6(a)和(c)中的都要大,表明晶粒在大下軋量和較低溫度下加工得到更加細(xì)化的晶粒。事實(shí)上,小尺寸晶粒之所以能夠在大的下軋量得到,其原因是塑性變形所儲(chǔ)存的能量比較高從而形核需要有更大的驅(qū)動(dòng)力和更細(xì)小的晶粒。在低溫下,軟化速率變慢,從而產(chǎn)生加工硬化和更大的形核驅(qū)動(dòng)力,但是這里晶粒長(zhǎng)大也變慢。</p><p&g

22、t;  此外,在圖6的大晶粒中可以看到拉伸孿生,孿生和擴(kuò)展孿生,拉伸孿生和孿生比擴(kuò)展孿生要占更大的體積分?jǐn)?shù),尤其是在高溫軋制中擴(kuò)展孿生更少。圖6同樣表明,孿生的方式由晶粒尺寸大小決定。在母相晶粒中晶粒尺寸超過(guò)20um的孿生容易產(chǎn)生,然而,在圖6(c)在小晶粒尺寸中幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超過(guò)20um的孿生。</p><p>  正如在圖1所示,AZ31合金板材最初晶粒取向不利于基平面的位錯(cuò)滑移;此外,大部分晶粒的C軸與壓應(yīng)力

23、平行,這樣就不利于在晶粒中產(chǎn)生擴(kuò)展孿生。但是,基本滑移仍然是主要的塑性變形方式,這取決于于臨界最低切應(yīng)力。而且拉伸孿生很有可能是粒子的C軸壓縮而產(chǎn)生。在圖1(a)中,藍(lán)色和綠色粒子中的C軸平行于切平面,{1012}方向擴(kuò)展孿生容易發(fā)生。一般擴(kuò)展孿生將會(huì)由最初的角度轉(zhuǎn)到86°,而且母相粒子會(huì)被擴(kuò)展孿生所取代,這是由于孿生的長(zhǎng)大的速度很快。由于新粒子的方向,在擴(kuò)展孿生后的新孿生中只有在基平面上和拉伸孿生發(fā)生位錯(cuò)滑移。在{1011}

24、拉伸孿生中,孿生粒子與母粒子存在56°的偏差定位,收縮要比擴(kuò)展孿生更細(xì)更長(zhǎng),因此,孿生很難長(zhǎng)大。然而,新的粒子取向更有利于擴(kuò)展孿生和擴(kuò)展孿生后基本滑移系的位錯(cuò)滑移。因此,在鎂合金中{1012}擴(kuò)展孿生總是緊隨{1011}拉伸孿生之后產(chǎn)生,即,{1011}-{1012}孿生。母相粒子相比孿生中存在接近38°的偏差。結(jié)果,正如圖6所示,AZ31板材熱軋后相比拉伸孿生有更多的雙向?qū)\生。</p><p&g

25、t;  圖6.熱軋后產(chǎn)生孿生邊界的AZ31合金板材晶粒形狀圖</p><p>  (a)三道次在300℃下軋制后</p><p>  (b)三道次在400℃每道次下軋30%條件下軋制后</p><p>  (c)兩道次在400℃每道次下軋50%條件下軋制后。圖6和圖5的孿生邊界相同</p><p>  圖7.熱軋后AZ31板材拉伸和雙向?qū)\生的

26、體積分?jǐn)?shù)</p><p>  如圖7所示,孿生方式也取決于軋制溫度。圖7(c)所示熱軋后AZ31合金板材雙向?qū)\生和拉伸孿生的體積分?jǐn)?shù),發(fā)現(xiàn)在400℃每道次下軋30%的三次加工下雙向?qū)\生和拉伸孿生的體積分?jǐn)?shù)最大,然而在300℃相同每道次下軋三次加工的體積分?jǐn)?shù)最小。結(jié)果表明拉伸孿生和雙向?qū)\生在高溫軋制下更容易產(chǎn)生,這一點(diǎn)是由于與基本位錯(cuò)滑移相比高溫下的拉伸孿生和雙向?qū)\生臨界最低切應(yīng)力與無(wú)基本位錯(cuò)滑移的臨界最低切應(yīng)力相

27、同。另一方面,{1011}拉伸和{1011}-{1012}雙向?qū)\生由基本位置重新定位到56°和38°,因此,AZ31板材中拉伸孿生和孿生的產(chǎn)生導(dǎo)致基本織構(gòu)的弱化。圖8是AZ31熱軋后(0001)極圖,與300℃相比400℃有更寬的極點(diǎn)分布,基體織構(gòu)相對(duì)弱化。然而,由于孿生材料體積比例有限,整個(gè)織構(gòu)變化就不是很顯著。</p><p>  圖8.AZ31板材熱軋后(0001)極圖 </p&

28、gt;<p>  (a)三道次在300℃下軋制 </p><p>  (b)三道次在400℃每道次下軋30%條件下軋制 </p><p>  (c)兩道次在400℃每道次下軋50%條件下軋制</p><p>  正如前面所提到的,對(duì)于改善機(jī)械性能和鎂合金板材的應(yīng)用,細(xì)晶和隨機(jī)紋理是兩個(gè)重要的條件。在本次研究中,粒子結(jié)構(gòu)在低溫軋制中能夠得到有效的細(xì)化

29、,但是這樣的條件下能夠觀察到在基本滑移系上更多的擴(kuò)展孿生和位錯(cuò),導(dǎo)致高密度的基本織構(gòu)。在高溫軋制下,能夠產(chǎn)生更多的拉伸和孿生,無(wú)基本滑移也能夠應(yīng)用于大的塑性變形中[18],軟化基體組織,這樣高溫軋制有利于織構(gòu)的隨機(jī)化,但是, 導(dǎo)致在給定道次下軋和軋制溫度下晶粒的粗化。因此,高溫大道次的下軋適用于AZ31合金板材得到更優(yōu)的機(jī)械性能。圖3中就可以觀察到較高韌性,這是在此基礎(chǔ)上提供的很好的例子。</p><p><

30、;b>  4 結(jié)論</b></p><p>  總而言之,由于基本組織中最初的微結(jié)構(gòu),在基平面上的位錯(cuò)滑移仍然是AZ31板材熱軋過(guò)程中主要的塑性變形模式。{1012}擴(kuò)展孿生發(fā)生在C軸平行于切平面的晶粒中,而且擴(kuò)展孿生中的粒子角度由最初狀態(tài)變?yōu)?6°。{1011}拉伸孿生以及{1011}-{1012}收縮率很大,因?yàn)榇蠖鄶?shù)粒子的C軸在軋制過(guò)程中都受到壓應(yīng)力。孿生也取決于最初的粒子尺寸和

31、軋制溫度,孿生在大的母相粒子觀察到,更多的拉伸和孿生能夠在高溫軋制下觀察到。連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是AZ31板材熱軋過(guò)程中晶粒細(xì)化的主要機(jī)制,但是在這個(gè)過(guò)程中孿生,尤其是拉伸和孿生,加速了粒子的細(xì)化過(guò)程?;净坪蛿U(kuò)展孿生可以導(dǎo)致基本織構(gòu)的變形,但是拉伸和孿生對(duì)AZ31合金熱軋過(guò)程中粒子細(xì)化和織構(gòu)隨機(jī)化有促進(jìn)作用。</p><p>  在本次研究中,在給定的下軋量,AZ31板材平均粒子大小在400℃軋制要比300℃下要大

32、;在相同軋制溫度下,400℃每道次下軋50%條件下要比300℃每道次下軋30%條件下晶粒結(jié)構(gòu)和織構(gòu)更加均勻,從而導(dǎo)電率更高。因此高溫大道次下軋可以用來(lái)優(yōu)化和改善AZ31板材的微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。</p><p><b>  5 證明</b></p><p>  得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和中國(guó)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目財(cái)政支持。感激羅伯特技術(shù)上的幫助</p><p

33、><b>  文獻(xiàn)引用</b></p><p><b>  6 參考文獻(xiàn)</b></p><p>  [1] S.R. Agnew, M.H. Yoo, C.N. Tome, Acta Mater. 49 (2001) 4277.</p><p>  [2] L. Jin, W.Y. Wu, R.K. Mishra,

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