超輕超塑性鋰鎂合金的制備及性能研究.pdf

1、鎂鋰合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)成為輕質(zhì)合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，超輕特性使得其在航空航天、武器裝備、3C產(chǎn)業(yè)、船舶工業(yè)、核能應(yīng)用等方面具有很好的應(yīng)用前景。隨著鎂鋰合金應(yīng)用的不斷深入，特別是涉及復(fù)雜構(gòu)件(如儀表面板、復(fù)雜支架等)時(shí)，其加工成型方式已經(jīng)成為直接影響其應(yīng)用推廣的因素之一，超塑成型是制造鎂鋰合金構(gòu)件的重要成型方式，其具有傳統(tǒng)塑性加工不可比擬的優(yōu)勢(shì)。超塑性鎂鋰合金的制備，目前大多數(shù)采用往復(fù)軋制的方式，以獲得具有超塑性的細(xì)晶組織

2、，這種加工方式易造成材料內(nèi)部嚴(yán)重的織構(gòu)，極大地影響鎂鋰合金的后續(xù)加工和使用。常規(guī)擠壓同樣能夠細(xì)化合金組織，通過(guò)一定的工藝，滿(mǎn)足超塑性對(duì)組織的要求，但目前這方面的研究還較少。
　　 本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了具有不同相組成的鎂鋰合金的高溫性能，而后對(duì)Mg-8Li合金進(jìn)行了合金化和變形加工的研究。在此基礎(chǔ)上，對(duì)Mg-8Li和Mg-8Li-2Zn(LZ82)合金進(jìn)行了不同程度的擠壓變形，研究了其超塑性特征，并對(duì)最佳變形條件時(shí)的空洞行為進(jìn)行

3、了分析，為鎂鋰合金的應(yīng)用擴(kuò)展提供了一定的理論基礎(chǔ)。
　　 室溫下，鎂鋰合金的硬度隨鋰含量的增加而降低，當(dāng)β相的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定量后，硬度的下降趨勢(shì)變緩慢；α相、α+β相、β相三種合金的強(qiáng)度-溫度曲線(xiàn)以及延伸率-溫度曲線(xiàn)均可分為三個(gè)階段，每種合金在不同階段的變化趨勢(shì)不相同；α相和β相體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)?shù)暮辖穑鏜g-8Li合金，其強(qiáng)度隨溫度變化不大，適宜在較低溫度(低于423K)下使用；對(duì)于β相合金，在高溫拉伸時(shí)發(fā)生嚴(yán)重頸縮；Mg-6L

4、i-3.5Al-1Zn-1Ce-0.5Sn合金在473K是仍具有較高的強(qiáng)度(151.53MPa)。
　　 合金化和變形加工均能改善鎂鋰合金組織，提高合金性能。鑄態(tài)Mg-8Li合金由α-Mg相和β-Li相組成，組織粗大。添加Zn和Y或Ce后，合金組織得到細(xì)化。Mg-8Li-2Zn-0.5Ce合金中生成Zn2Ce化合物，Mg-8Li-2Zn-0.5Y合金中生成顆粒狀的Mg6Y化合物，合金化使Mg-8Li合金的抗拉強(qiáng)度得到明顯提高，但

5、在Mg-8Li-2Zn-0.5Ce中，由于Zn2Ce以網(wǎng)狀形式存在于晶界處，導(dǎo)致合金延伸率下降。軋制變形能細(xì)化鑄態(tài)合金組織，提高合金的力學(xué)性能。特別是對(duì)于Mg-8Li-2Zn-0.5Ce合金，鑄態(tài)時(shí)的網(wǎng)狀化合物Zn2Ce在軋制過(guò)程中被破碎成顆粒狀，較均勻地分布于基體內(nèi)，使合金的塑性得到大幅度提高。Mg-8Li合金經(jīng)過(guò)擠壓變形后，α-Mg相以及β-Li相呈纖維狀，沿?cái)D壓方向交替分布。與鑄態(tài)合金相比，擠壓變形后合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率都得到了

6、較大提高，擠壓變形對(duì)延伸率的影響比對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響大。
　　 經(jīng)過(guò)常規(guī)一道次擠壓的Mg-8Li合金在溫度為563K、初始應(yīng)變速率為5×10-5S-1的條件下得到164.5％的延伸率，一道次擠壓Mg-8Li-2Zn合金在溫度為563K、初始應(yīng)變速率為1.5×10-4S-1的條件下得到228%的延伸率，均表現(xiàn)出超塑性。在超塑性拉伸過(guò)程中，流變應(yīng)力隨著溫度的升高或初始應(yīng)變速率的降低而減小。
　　 經(jīng)過(guò)兩次常規(guī)擠壓，即兩道次擠壓

7、，實(shí)現(xiàn)大擠壓比變形，LZ82鎂鋰合金的組織得到進(jìn)一步細(xì)化，兩相分布均勻，平均晶粒尺寸小于10μm；兩道次擠壓LZ82鎂鋰合金在溫度為563K、初始應(yīng)變速率為1.5×10-4s-1的條件下具有最大的延伸率758%，表現(xiàn)出良好的超塑性，該條件下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)m=0.55，變形激活能Q=90kJ/mol。兩道次擠壓LZ82合金經(jīng)過(guò)473K×2h的退火后，晶粒尺寸沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但晶粒的等軸度增加，β相發(fā)生了聚集，退火前存在較多的島狀或半

8、島狀的β相減少；擠壓退火LZ82鎂鋰合金在溫度為623K、初始應(yīng)變速率為1×10-2S-1的條件下得到279%的延伸率，在初始應(yīng)變速率為1×10-1s-1時(shí)，延伸率仍大于100%，表現(xiàn)出較好的高應(yīng)變速率超塑性；最佳變形條件下的變形激活能Q=89.4kj/mol。兩道次擠壓LZ82鎂鋰合金經(jīng)過(guò)進(jìn)一步溫軋，晶粒明顯細(xì)化，但尺寸不均勻；擠壓軋制LZ82鎂鋰合金在溫度為498K、初始應(yīng)變速率為1.6x10-4s-1的條件下得到430%的延伸率，

9、當(dāng)溫度為423K時(shí)，延伸率仍大于100%，表現(xiàn)出良好的低溫超塑性；最佳變形條件下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)m=0.55，變形激活能Q=99.24 kJ/mol，拉伸變形后，合金內(nèi)α相和β相發(fā)生等軸變化，晶粒發(fā)生球化，晶界圓弧化。應(yīng)變速率敏感系數(shù)和變形激活能的計(jì)算以及拉伸變形后合金顯微組織的變化都表明兩道次擠壓LZ82鎂鋰合金超塑性變形的主要機(jī)制是晶界擴(kuò)散控制的晶界滑移。
　　 LZ82鎂鋰合金在超塑性變形過(guò)程中形成空洞，且空洞的數(shù)量和尺

10、寸隨溫度的升高或應(yīng)變速率的降低以及應(yīng)變的增加而增加?？斩粗饕谌蔷Ы缣幮纬桑螤钜浴鹦螢橹?，其主要形核機(jī)制為空位擴(kuò)散機(jī)制；空洞的形核是連續(xù)的，貫穿于整個(gè)變形過(guò)程。在不同的變形階段，空洞的長(zhǎng)大控制機(jī)制是不同的，在變形初期，長(zhǎng)大由擴(kuò)散機(jī)制控制，隨著應(yīng)變的增加，空洞的長(zhǎng)大機(jī)制逐漸由擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛煽斩粗車(chē)牧系乃苄宰冃慰刂啤？斩吹倪B接和長(zhǎng)大是導(dǎo)致合金材料斷裂的主要原因之一。選用空洞體積分?jǐn)?shù)fv作為超塑性變形損傷變量測(cè)定值，基于連續(xù)損傷力學(xué)，