鎂鋰合金擠壓過程中的組織演變及數(shù)值模擬研究.pdf

1、鎂鋰合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，表現(xiàn)出優(yōu)異的成形性能，具有比強(qiáng)度高和良好的阻尼特性等優(yōu)點(diǎn)。因此其在工業(yè)方面的潛在應(yīng)用價(jià)值引起了學(xué)術(shù)界和技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注。然而，鎂鋰合金的強(qiáng)度較低，不利于大規(guī)模應(yīng)用。
　　本課題通過在鎂鋰合金中添加稀土Y和堿土Sr，制備了Mg-Li-Al-Sr-Y和Mg-Li-Zn-Y合金，并且研究了Sr和Y分別對Mg-Li合金組織及性能的影響規(guī)律，探索了擠壓變形工藝對合金組織與性能的影響，研究了合金的流變應(yīng)力

2、變化規(guī)律。并且建立了鎂鋰合金高溫變形的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首次利用復(fù)合擠壓制備了Mg-Li/Al復(fù)合材料，通過數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了該實(shí)驗(yàn)過程。
　　主要工作及研究結(jié)果如下：
　?、佾@取了雙相Mg-9Li-3Al-2Sr合金在高溫壓縮過程中的真應(yīng)力應(yīng)變曲線（溫度范圍423–573K，應(yīng)變速率范圍0.001–1s-1）。在特定應(yīng)變范圍內(nèi)，材料的流變應(yīng)力隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增加而增大。應(yīng)變軟化在臨界應(yīng)變處出現(xiàn)，其原因?yàn)?/p>

3、材料變形過程中的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在低應(yīng)變速率下出現(xiàn)鋸齒形流變，即合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象（DSA），其原因?yàn)楣倘茉覯g和Li周期性剪切阻礙位錯(cuò)。Mg-9Li-3Al-2Sr合金的數(shù)學(xué)模型通過Zener–Hollomon公式建立，其預(yù)測的流變曲線與實(shí)驗(yàn)值非常吻合。相關(guān)系數(shù)R和平均相對誤差（AARE）分別為0.9970和4.41％，由此可證實(shí)該模型的有效性。
　?、谘芯苛烁邷?cái)D壓Mg-9Li-3Al-2Sr-2Y合金的流變應(yīng)力變

4、化規(guī)律和本構(gòu)模型。分別利用Ludwik,Zener-Hollomon和Hensel-Spittel公式對流變曲線進(jìn)行了模型建立。三種數(shù)學(xué)模型成功的描述了該合金在高溫壓縮下的流變行為。Ludwik模型的相關(guān)系數(shù) R和平均相對誤差（AARE）分別為0.9937和4.48%；Zener-Hollomon模型的相關(guān)系數(shù)R和平均相對誤差（AARE）分別為0.9938和8.19%；Hensel-Spittel模型的相關(guān)系數(shù)R和平均相對誤差（AARE

5、）分別為00.9920和8.45%。Ludwik和Zener-Hollomon公式可以有效地描述材料的應(yīng)變軟化階段，而Hensel-Spittel公式可以對合金整體變形進(jìn)行預(yù)測，包括小應(yīng)變區(qū)域。
　?、弁ㄟ^對Mg-9Li-3Al-2Sr-2Y合金進(jìn)行雙通道擠壓，β-Li和Al4Sr相均得到了明顯細(xì)化。彌散分布的Al4Sr相主要分布在α/β相界面和β–Li基體，部分Al2Y相在熱擠壓過程中固溶進(jìn)入基體。β-Li相的平均晶粒由132μ

6、m被細(xì)化至~3-8μm。Mg-9Li-3Al-2Sr-2Y合金擠壓棒的中段具有較好的強(qiáng)度和延展性。這是由于擠壓所致的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶以及α-Mg相和Al4Sr相的均勻分布。雙通道擠壓可視為一種有效提升鎂鋰合金力學(xué)性能的方法。
　?、芡ㄟ^有限元軟件DEFORM-3D對雙通道擠壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。其硬度分布、損傷以及晶粒尺寸演化均與有效應(yīng)變有關(guān)。通過研究擠壓棒的組織和性能驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性。實(shí)驗(yàn)所獲得載荷和組織演化規(guī)律也與數(shù)值模擬相吻

7、合。
　?、菅芯苛薎相和W相對LZ83-xY鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：LZ83-xY合金中I相和W相的含量變化與Zn/Y質(zhì)量比有關(guān)。I/α-Mg共晶包的結(jié)合力可以增強(qiáng)鑄態(tài)LZ83-0.5Y和LZ83-1.0Y合金的強(qiáng)度，而W相對LZ83-1.5Y鎂合金沒有明顯的強(qiáng)化效果。在擠壓態(tài)合金中，I相和W相被擠壓成納米顆粒彌散在β-Li基體中。由于W相的體積分?jǐn)?shù)較高，其彌散強(qiáng)化效果更為明顯。擠壓態(tài)LZ83-1.5Y鎂合金的極

8、限抗拉強(qiáng)度達(dá)到238MPa，伸長率為20%。
　?、扪芯苛艘环N新的復(fù)合擠壓制備Mg-Li/Al復(fù)合材料的方法。該方法具有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：操作簡單、節(jié)約能源、尺寸可控性好、一次成型即可獲得較好的結(jié)合強(qiáng)度。擠壓棒材表面共晶組織厚度約為20μm，硬度約為220HV。通過壓縮實(shí)驗(yàn)對復(fù)合材料棒、鑄態(tài)合金以及常規(guī)擠壓態(tài)合金進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)表明：室溫下，共晶組織包覆的Mg-Li合金擠壓棒壓縮強(qiáng)度約為335MPa，比鑄態(tài)合金高32%，比常規(guī)擠壓棒材