论文摘要
本文以商业牌号高强度变形镁合金ZK60和新型高强度稀土镁合金GW102K为研究对象,利用往复挤压大塑性变形工艺制备块体超细晶镁合金,旨在提高镁合金的室温力学性能和塑性成形能力。重点研究往复挤压镁合金的组织演变规律及细化机制、室温变形行为和断裂机制,揭示往复挤压镁合金的强韧化机制。以期提出改善镁合金力学性能和成形性能的有效方法及理论。获得如下结果:本文首先利用有限元数值模拟方法分析了往复挤压模具结构和工艺参数对材料流动的影响,优化了往复挤压模具及工艺,并利用物理实验验证了数值模拟结果的可靠性。往复挤压工艺数值模拟发现,模具结构和往复挤压工艺参数对材料应变的分布具有很大影响。模具过渡角越大、模具入口角越小、摩擦越小试样应变分布越均匀,但小量摩擦有利于应变的均匀分布。较小的挤压比可防止材料在变形过程中失稳;模具入口角为45°时应变分布最均匀,载荷最低;挤压速度对应变分布基本没有影响;根据变形温度的不同,塑变生热和摩擦生热能在4至8道次内弥补模具向环境散热引起的温降。对流场的模拟和实验研究发现,随着往复挤压道次的增加流线逐渐变得紊乱。材料的流动规律是:试样表层的材料背向流动,心部相向流动,进而在试样的上下两部分各形成一个流动漩涡。利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射技术(EBSD)和透射电镜(TEM)从不同尺度分析了往复挤压变形温度和变形道次对ZK60和GW102K两种镁合金微观组织的影响规律。结果表明,往复挤压对ZK60和GW102K镁合金都具有强烈的细化能力,细化效率随道次增加而逐渐下降。往复挤压温度越低或挤压道次越多则组织越细、分布越均匀。随着往复挤压道次的增加或挤压温度的下降,大角度晶界数量增加,晶粒平均位向差增加。采用X射线衍射(XRD)和EBSD分析了往复挤压过程中镁合金织构的演变规律。发现晶粒在往复挤压过程中取向不断发生变化,挤压变形时{0002}基面向平行于挤压轴方向转动,镦粗变形时向垂直于挤压轴转动。往复挤压后挤压态镁合金的< 10 10>丝织构消失,进而转变为一种{0002}基面与挤压轴夹角20～30o的< 2201>丝织构。增加往复挤压道次或降低变形温度,织构强度趋于下降,但织构类型不变。往复挤压过程中镁合金组织的细化机制研究发现,其基本细化机制为动态再结晶细化,但在不同变形条件下具有不同的再结晶产生机制。在低温低变形量的粗晶镁合金中,通常以形核于孪晶界的非连续动态再结晶(DDRX)为主,以连续动态再结晶(CDRX)和旋转动态再结晶(RDRX)为辅;在中高温条件下以CDRX和RDRX为主,以DDRX为辅。第二相的细化机制主要是机械破碎。通过室温拉伸考查了往复挤压对镁合金室温力学性能的影响规律。结果显示,随着往复挤压道次的增加,ZK60合金的屈服强度和抗拉强度都逐渐下降,下降速率由快变慢;伸长率大幅上升,最高达到41%,比往复挤压前提高了2.6倍。另一方面,随着往复挤压道次的增加,GW102K合金的屈服强度和抗拉强度都显著增加,伸长率更是提高了3.2倍,达到22%。变形温度对两种合金力学性能的影响规律基本相同,即变形温度升高,屈服强度和抗拉强度降低,往复挤压还能显著降低挤压态镁合金的力学性能各向异性,消除挤压态镁合金的拉压不对称性。基于室温拉伸过程中的组织观察,分析了往复挤压ZK60和GW102K镁合金的室温变形机制和断裂机制。结果显示两种挤压态镁合金室温变形都很不均匀,裂纹主要形核于孪晶界和聚集的粗大第二相上。断裂形式在粗晶区为解理或准解理脆性断裂,在细晶区则为韧性断裂。往复挤压后ZK60合金室温变形均匀性显著提高,孪生数量逐渐下降,变形以滑移为主,断裂形式表现为微孔缩聚的穿晶韧性断裂。GW102K合金往复挤压后孪生仍为重要变形机制,裂纹仍主要萌生于第二相聚集区和孪晶界上,但断口上撕裂棱数量显著增多,均匀性也显著提高。以纯镁为参照,分析讨论了两种合金中不同性质和数量的第二相粒子对往复挤压过程中镁合金组织演变和力学性能的影响规律。研究发现,第二相的种类、数量和分布对往复挤压镁合金的组织和力学性能具有重要影响。ZK60合金中主要第二相MgZn2含量为2～4%(体积分数),尺寸小,分布均匀。而GW102K合金中主要第二相Mg24(Gd, Y)5含量5～9%,尺寸大,主要分布在晶界上,阻碍了变形过程中晶粒的转动。使得GW102K合金织构集中度低,强度高,塑性差,且未出现随往复挤压道次增加强度下降的现象。往复挤压镁合金强韧化机制的研究表明,往复挤压镁合金综合力学性的提高是细晶强化、织构强化、第二相强化、位错强化、晶界强化等多种机制协同作用的结果。晶粒细化后孪生减少,非基面滑移和晶界滑移激活,变形均匀性提高,是往复挤压镁合金主要的强韧化机制。织构主要通过改变基面取向因子来影响镁合金力学性能,是镁合金综合力学性能和各向同性提高的主要影响因素。第二相的数量、尺寸及分布可改变镁合金的变形机制从而影响其力学性能。因此,往复挤压镁合金的强韧化机制是以细晶强化、织构强化和第二相强化为主的复合强化机制。