镁合金与铝合金热轧复合的基础研究

论文摘要

镁合金和铝合金具有密度小、比强度高等优点,并且两种材料的应用具有广泛性和交叉性的特点,因此镁合金与铝合金的连接有着很好的应用前景。例如,将镁/铝复合板材用在汽车上可以减重、抗震,而且铝合金防腐蚀性能较好,包在镁合金外层,可以提高材料整体的耐蚀性。不过用传统的熔化焊很容易在焊接过程中形成脆性相、裂纹、气孔等缺陷,并且还存在热影响区过宽及焊后变形等诸多问题。而镁和铝的其它连接方法还处于初步的研究阶段,各种连接方法都有待于更加深入的研究。本论文采用热轧的方式对ZK60镁合金和7075铝合金在无气氛保护的情况下进行复合,这是一种固相连接方法。本文的侧重点是两种材料热轧复合的基础性研究工作,主要包括热膨胀系数的测定及应力计算、热变形抗力和模拟热轧的研究,并使用金相显微镜、SEM、EDS及剪切强度测试等手段对组织和性能进行分析,从而为进一步板材热轧复合工作的进行提供参考。通过试验发现:镁合金的热膨胀系数大于7075铝合金,挤压态镁合金的小于同牌号下铸态的热膨胀系数;在不考虑塑性变形影响的情况下,得出一维情况下铝中热应力的值与材料的热膨胀系数差及△T成正比,即σ=C0(αMg-αAl)△T（式中C0是常数）:ZK60和7075的压缩变形抗力都随温度的降低和应变速率的增大而增大,ZK60和7075的平均变形激活能分别为133.5kJ/mol和171.5kJ/mol:通过线性回归得到ZK60和7075的热变形动力学方程分别为:（?）Mg=0.0068σ6.67exp（-16054/T）和（?）Al=e28.03[sinh（0.01139σ）]6.88exp（-171476/RT）:在热压缩变形过程中,ZK60镁合金发生了明显的动态再结晶,变形量越大、应变速率越低、变形温度越高,则动态再结晶越充分;采用合适的温度制度进行加热可以降低界面处的热膨胀应力,提高两种材料在轧制过程中的变形协调能力;ZK60表面经过浸锌可以形成一层薄、脆而又较为致密的保护膜,从而显著提高了复合界面的结合强度:在一定范围内,轧制复合的总压下率越大,轧制温度越低,界面处氧化膜裂口越多,新鲜金属的暴露率越大,则界面的结合强度越高。最终得到的最佳的轧制工艺参数为:ZK60表面浸锌,ZK60和7075的轧制加热温度分别是300℃和380℃,总压下率为68.6%,相应的界面剪切强度达到了28.3MPa。如果在轧机上实际轧制复合,加入保护气氛,并进行轧后热处理,那么界面的结合性能应该会进一步提高,从而满足实际应用的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 镁合金和铝合金的性质概述
• 1.1.1 铝及铝合金
• 1.1.2 镁及镁合金
• 1.1.2.1 镁的基本特性
• 1.1.2.2 镁合金简介
• 1.1.3 铝镁合金相图
• 1.2 层状复合的作用和方法
• 1.2.1 层状复合的作用
• 1.2.2 层状复合的方法
• 1.3 轧制复合
• 1.3.1 轧制复合的特点
• 1.3.2 轧制复合的分类
• 1.3.3 轧制复合的工艺过程
• 1.3.4 轧制复合的影响因素
• 1.4 双金属的复合机理
• 1.5 热膨胀系数的一般影响因素
• 1.6 变形抗力的一般影响因素
• 1.6.1 化学成分和显微组织的影响
• 1.6.2 变形温度的影响
• 1.6.3 变形速度的影响
• 1.6.4 变形程度的影响
• 1.7 选题的科学意义和研究内容
• 2 热膨胀系数的测定、应力计算及镁合金牌号的选择
• 2.1 热膨胀系数的测定与分析
• 2.1.1 热膨胀系数概述
• 2.1.2 热膨胀试验的仪器及试验参数
• 2.1.3 热膨胀试验的结果及讨论
• 2.2 由于热膨胀系数的差异而导致的热应力的计算
• 2.2.1 一维情况下的热应力计算
• 2.2.1.1 通过受力分析求一维情况下的热应力
• 2.2.1.2 用弹性力学的方法求一维情况下的热应力
• 2.2.1.3 一维情况下的应变和位移
• 2.2.2 二维情况下的热应力计算
• 2.2.2.1 二维情况下的热应力
• 2.2.2.2 二维情况下的应变和位移
• 2.2.3 代入热膨胀数据进行计算
• 2.3 镁合金牌号的选择
• 2.4 本章小结
• 3 铝合金和镁合金在不同热变形参数下的热模拟试验研究
• 3.1 用压缩法测变形抗力概述
• 3.2 热模拟试验的仪器和参数
• 3.3 热压缩模拟真应力一真应变曲线
• 3.3.1 ZK60镁合金的真应力-真应变曲线
• 3.3.2 铝合金的真应力-真应变曲线
• 3.4 热变形动力学
• 3.4.1 ZK60镁合金的热变形动力学
• 3.4.1.1 应变速率对峰值流变应力的影响
• 3.4.1.2 变形温度对流变应力的影响
• 3.4.1.3 本试验条件下的热压缩变形动力学方程
• 3.4.2 7075铝合金的热变形动力学
• 3.5 变形的宏观形貌和ZK60的微观组织分析
• 3.6 本章小结
• 4 模拟热轧复合试验研究
• 4.1 模拟热轧的设备、试验过程及试验参数的确定
• 4.1.1 模拟热轧所用的材料、设备及试验过程简述
• 4.1.2 试验参数的确定
• 4.2 ZK60镁合金表面浸锌工艺
• 4.3 界面结合强度分析
• 4.3.1 温度和界面结合强度的关系
• 4.3.2 总压下率和界面结合强度的关系
• 4.3.3 ZK60镁合金表面浸锌和界面结合强度的关系
• 4.4 轧制过程中变形情况的分析
• 4.4.1 ZK60和7075变形分配的情况及其分析
• 4.4.1.1 总压下率与变形分配的关系
• 4.4.1.2 轧制温度与变形分配的关系
• 4.4.2 轧制复合后的宏观形貌
• 4.4.3 轧制复合后ZK60中不同部位的变形情况
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献