表面機(jī)械研磨處理AZ31鎂合金顯微組織和力學(xué)性能研究.pdf

1、近年來(lái)，梯度納米結(jié)構(gòu)材料由于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。表面機(jī)械研磨處理(SMAT)，作為最有效的表面納米化從而獲得梯度納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，已被成功的應(yīng)用到了銅、鎳、不銹鋼等金屬材料中，并取得了顯著的力學(xué)性能改善效果。然而，國(guó)內(nèi)外鮮有梯度納米結(jié)構(gòu)鎂合金力學(xué)性能相關(guān)的報(bào)道。因此，本工作對(duì)運(yùn)用等通道擠壓(ECAP)技術(shù)以及常見商業(yè)軋制工藝制備的兩種狀態(tài)的AZ31鎂合金進(jìn)行了表面機(jī)械研磨處理。采用光學(xué)顯微鏡(OM)、X-射線衍射儀(X

2、RD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)及顯微硬度、單軸拉伸等測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)研究了表面機(jī)械研磨處理后兩種狀態(tài)AZ31鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能特征，分析討論了表面機(jī)械研磨對(duì)兩種狀態(tài)AZ31鎂合金顯微組織和力學(xué)性能帶來(lái)的影響，并比較了不同基底梯度納米結(jié)構(gòu)鎂合金的力學(xué)性能差異。最后，采用SEM原位拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了梯度結(jié)構(gòu)AZ31鎂合金拉伸變形過(guò)程中，不同晶粒度組織的動(dòng)態(tài)變形和斷裂行為，并分析討論了其差異。
　　主要研究

3、結(jié)論如下：
　　1. ECAP制備的AZ31鎂合金經(jīng)過(guò)SMAT處理后，在沿板材試樣厚度方向形成了梯度納米結(jié)構(gòu)：SMAT處理10 min后，表面為取向隨機(jī)平均晶粒度為27.4nm左右的納米晶(~100 nm)層，其厚度約為50μm；至距SMAT處理表面80~90μm深為晶粒度在亞微米級(jí)(100 nm~1μm)的超細(xì)晶層；距SMAT處理表面90μm以下的組織，雖無(wú)明顯晶粒細(xì)化，卻引入了一定體積分?jǐn)?shù)的孿晶。長(zhǎng)時(shí)間 SMAT處理后，芯部組

4、織孿晶界體積分?jǐn)?shù)可達(dá)30％。力學(xué)性能方面，SMAT處理可以提升ECAP制備的AZ31鎂合金硬度，并在合金沿板厚方向呈梯度分布。同時(shí)，SMAT處理可以提升合金強(qiáng)度，但會(huì)在一定程度上犧牲合金的塑性。SMAT處理3 min后，合金的抗拉強(qiáng)度可提升121.8%。然而，隨著SMAT處理時(shí)間的進(jìn)一步增長(zhǎng)，強(qiáng)度提升效果明顯減弱。此外，值得注意的是，SMAT處理后，合金展現(xiàn)出了不同于原始ECAP態(tài)鎂合金的應(yīng)變硬化行為。應(yīng)變硬化III階段：SMAT處理后

5、合金的應(yīng)變硬化率比原始ECAP態(tài)高,且隨著SMAT時(shí)間的增長(zhǎng)，應(yīng)變硬化率也隨之提高；而應(yīng)變硬化IV階段，SMAT處理后，合金的應(yīng)變硬化率更低,且隨著SMAT處理時(shí)間的增長(zhǎng)，合金的應(yīng)變硬化率隨之降低。
　　2.商業(yè)軋制AZ31鎂合金在經(jīng)過(guò)SMAT處理后，同樣在沿板材試樣厚度方向形成了梯度納米結(jié)構(gòu)表面層，且這一表面層厚度隨 SMAT處理時(shí)間增長(zhǎng)而增厚。SMAT處理10 min表面為取向隨機(jī)平均晶粒度為41nm左右的納米晶層；至距SMA

6、T處理表面約165μm厚度，為晶粒度在亞微米級(jí)的超細(xì)晶區(qū)；距SMAT處理表面165μm以下為芯部粗晶組織。力學(xué)性能方面，SMAT處理可以提升商業(yè)軋制AZ31鎂合金硬度，并同樣在合金沿板厚方向呈梯度分布。同時(shí)，SMAT處理可以提升合金強(qiáng)度，但一樣會(huì)在一定程度上犧牲合金的塑性。繼續(xù)增長(zhǎng)SMAT處理時(shí)間，合金的強(qiáng)度提升幅度明顯減小。此外，長(zhǎng)時(shí)間SMAT處理后，商業(yè)軋制 AZ31鎂合金的塑性各向異性明顯增大。這與 SMAT處理后，梯度納米結(jié)構(gòu)組

7、織獨(dú)特的變形行為密切相關(guān)。
　　3.對(duì)ECAP和商業(yè)軋制兩種狀態(tài)AZ31鎂合金(初始表面的平均晶粒度分別為5.5μm和2.8μm)SMAT處理后的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)SMAT處理3 min后，兩種狀態(tài)鎂合金沿板材試樣厚度方向均形成了厚度接近的梯度納米結(jié)構(gòu)表面層，且表面納米層晶粒取向隨機(jī)。而 SMAT處理后，由于其良好的應(yīng)變硬化行為，ECAP態(tài)AZ31鎂合金合金保留有可觀的塑性。由此，SMAT處理后ECAP態(tài)AZ31

8、鎂合金獲得了更好的強(qiáng)度-塑性配比。
　　4.通過(guò)單梯度結(jié)構(gòu)AZ31鎂合金SEM原位拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了單梯度結(jié)構(gòu)中粗晶和細(xì)晶組織在拉伸過(guò)程中拉伸變形行為的不同。對(duì)單梯度結(jié)構(gòu)粗細(xì)晶組織的拉伸初始、彈性變形、塑性變形以及斷裂后四個(gè)不同階段下的原位SEM動(dòng)態(tài)觀察可以發(fā)現(xiàn)，鎂合金組織在拉伸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)晶間裂紋萌生、晶粒變形，晶間裂紋拓展、平行滑移線出現(xiàn)、穿晶裂紋萌生拓展等幾種變化。這些變化均會(huì)受到晶粒度的影響。通過(guò)單梯度結(jié)構(gòu)鎂合金拉伸變形行為