AZ31镁合金变通道角挤压变形时组织性能与工艺的研究

论文摘要

镁合金是一种很有吸引力的轻金属结构材料,其在交通工具、电子通信、航空航天等领域有着广阔的运用前景。镁是密排六方结构,只有有限的滑移系,室温下塑性成型能力差,同时也限制了镁合金的比强度的大幅度提高。目前细化晶粒成为优先考虑用来提高镁合金强度和塑性的一种有效手段。作为一种全新的深度塑性变形方式,在已有的研究中,对变通道角挤压工艺（CCAE）的微观组织演变、晶粒细化机制和CCAE变形后细晶粒镁合金的力学性能、热稳定性能的研究都未开展,而对CCAE变形工艺的理解也不够清晰。本文旨在研究CCAE变形过程中AZ31系镁合金的微观组织演变和变形后的力学性能以及CCAE变形工艺。重点讨论了CCAE变形过程中的晶粒细化机制和模型,变形后的室温压缩性能及断裂机制,变形后微观组织的热稳定性能,以及CCAE变形过程中的挤压力和应变。以期对AZ31系镁合金的CCAE变形机理和CCAE变形工艺本身进行初步研究和探讨。为此,选取了应用比较广泛的铸态AZ31镁合金作为研究对象。采用金相显微分析（OM）和X射线衍射分析等手段,对不同挤压温度下AZ31镁合金在CCAE变形过程中的显微组织和织构的演变规律进行了分析;采用室温力学性能测试,探讨了CCAE成型后AZ31镁合金的室温力学性能和室温下的断裂方式及断裂机理;采用透射电子显微技术（TEM）,探讨了CCAE变形过程中AZ31镁合金的晶粒细化机制和模型;对经CCAE变形后的AZ31镁合金进行了退火处理,探讨了经CCAE变形后AZ31镁合金显微组织的热稳定性能;采用上限法对CCAE变形工艺进行了数值分析,对CCAE变形过程中挤压力和应变的计算进行了初步探讨。取得如下结果:AZ31镁合金经CCAE变形后,镁合金晶粒明显细化。变形后合金室温延伸率随晶粒细化而提高,屈服强度和硬度都随晶粒细化而提高,与Hall-Petch关系的趋势符合。在250450℃温度范围内进行CCAE变形,AZ31镁合金的晶粒随变形温度的降低而减小。AZ31镁合金经CCAE热变形后,合金的室温强韧性得到综合改善。CCAE变形过程中AZ31镁合金的晶粒细化机制可以归结为在两不同内径的通道的交接处的剪切区的剪切作用引起的晶粒破碎和整个CCAE变形过程中发生的连续动态回复和再结晶（CDRR）。对于连续动态回复和再结晶,变形初期在粗晶粒内产生许多位错,位错会发生交互作用,重新排列形成位错界面以及亚晶界,而形成的位错界面以及亚晶界会进一步演化为小角度晶界和大角度晶界,镁合金得以细化。对挤压温度为250℃的挤压成型样进行晶体结构稳定性的实验,退火温度范围为200500℃,保温时间为30min,随着退火温度的升高,晶粒不断长大,在200275℃时,晶粒随温度上升呈平缓线性长大,从275400℃晶粒长大趋于平缓,400℃以后,晶粒迅速长大。在这三个温度区间,其晶粒长大激活能分别为:73.6,16.7,105.1kJ/mol。在高温范围内的激活能介于纯镁的晶格自扩散能（QL=135kJ/mol）和晶界扩散能（Qgb=92kJ/mol）之间。在低温范围内,其晶粒长大激活能小于纯镁的晶界扩散能,并且与之比较接近。但是在中温范围内,晶粒长大激活能远小于QL和Qgb,其大约相当于0.18Qgb。在经过CCAE热变形后细化的晶粒在随后的退火过程中,晶粒长大的驱动力来源可能是多方面的,但最主要的而且在所有晶粒长大过程中都存在的驱动力来源是晶界的界面能。对CCAE变形过程中的挤压力和应变进行了上限法分析,发现理论计算和实验结果基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 镁及镁合金的性能和应用
• 1.2.1 镁及镁合金的性能
• 1.2.2 镁合金的应用
• 1.2.3 变形镁合金
• 1.3 镁合金晶粒细化方法
• 1.3.1 等径角挤压（ECAP）
• 1.3.2 添加适当的合金化元素
• 1.3.3 大挤压比热挤压（λ≥100）
• 1.3.4 热机械处理（形变热处理）
• 1.3.5 快速凝固技术
• 1.4 等通道角挤压法
• 1.4.1 ECAE 工艺
• 1.4.2 ECAE 镁合金晶粒细化及变形机理
• 1.4.3 ECAE 变形后合金的性能
• 1.4.4 ECAE 存在的问题
• 1.5 再结晶退火概述
• 1.5.1 再结晶现象
• 1.5.2 再结晶退火意义
• 1.5.3 再结晶形核与核长大
• 1.6 动态再结晶概述
• 1.6.1 动态再结晶现象
• 1.6.2 动态再结晶意义
• 1.6.3 动态再结晶的影响因素
• 1.6.4 动态再结晶理论
• 1.7 课题的目的和意义
• 1.8 课题的主要研究内容
• 2 实验内容
• 2.1 实验方案
• 2.2 模具设计
• 2.3 实验原材料
• 2.4 不同温度CCAE 变形实验
• 2.5 扫描电镜观察
• 2.6 透射电镜实验
• 2.7 X 射线衍射实验
• 2.8 退火处理
• 2.9 金相观察实验
• 2.10 显微硬度测定实验
• 2.11 晶粒尺寸测量
• 2.12 力学性能实验
• 3 CCAE 变形AZ31 镁合金的微观组织演变与分析
• 3.1 进入剪切区前流变面的显微组织演变与分析
• 3.2 剪切区流变面显微组织演变与分析
• 3.3 成型样横截面显微组织演变与分析
• 3.4 成型样纵向截面显微组织演变与分析
• 3.5 成型样流变面显微组织演变与分析
• 3.6 X 射线衍射分析
• 3.7 影响CCAE 成型组织和性能的主要因素
• 3.7.1 内角Ф
• 3.7.2 挤压比λ
• 3.7.3 挤压温度T
• 3.7.4 挤压速度
• 3.7.5 润滑
• 3.7.6 通道内外侧圆弧半径
• 3.8 小结
• 4 CCAE 变形AZ31 镁合金的力学性能
• 4.1 显微硬度测试
• 4.2 压缩性能测试
• 4.3 断口分析
• 4.4 小结
• 5 CCAE 变形AZ31 镁合金晶粒细化机理及模型
• 5.1 CCAE 镁合金晶粒细化及变形机理
• 5.2 动态再结晶
• 5.2.1 镁合金动态再结晶的原因及组织特点
• 5.2.2 CCAE 变形过程中动态再结晶的形核机制
• 5.2.3 影响CCAE 热变形时动态再结晶的主要因素
• 5.3 CCAE 镁合金晶粒细化机理模型
• 5.4 小结
• 6 CCAE 变形AZ31 镁合金微观组织热稳定性测试与分析
• 6.1 晶粒结构热稳定性测试结果
• 6.2 CCAE 热变形细化晶粒热稳定性分析
• 6.3 晶粒长大驱动力
• 6.4 小结
• 7 CCAE 变形工艺的上限法分析
• 7.1 理论基础
• 7.1.1 米赛斯（Mises）材料
• 7.1.2 静水应力与应力张量
• 7.1.3 米赛斯（Mises）屈服准则
• 7.1.4 米赛斯（Mises）应力－应变速率定律
• 7.1.5 应变能
• 7.1.6 运动学许可速度场与速度不连续
• 7.1.7 上限原理的基本公式
• 7.2 CCAE 变形工艺的上限法分析
• 7.2.1 变形分析
• 7.2.2 变形区求解
• 7.2.3 应变的计算
• 7.2.4 模型验证
• 7.3 小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录