鎂合金板材大應(yīng)變軋制變形行為及對組織性能的影響.pdf

1、鎂合金材料日益凸顯的資源優(yōu)勢及其獨(dú)特的密度低、比強(qiáng)度/比剛度高、阻尼減震和電磁屏蔽好等性能特點(diǎn)，使其在國防軍工、航空航天、交通運(yùn)輸、3C電子和裝備制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，受到越來越多的關(guān)注，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用。軋制成形是一種重要的鎂合金板材生產(chǎn)方式，可靈活生產(chǎn)具有良好表面質(zhì)量、不同厚度和寬度的鎂合金板材。國內(nèi)外在鎂合金軋制基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)方面都開展了大量工作，也形成了一些較為成熟的軋制工藝，但始終未能徹底解決

2、鎂合金板材軋制加工效率低和產(chǎn)品成本高的瓶頸問題，極大地限制了鎂合金板材的大規(guī)模應(yīng)用。本文在前期探索性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基礎(chǔ)上，提出采用大應(yīng)變軋制的方式制備鎂合金板材。通過調(diào)控軋制溫度來強(qiáng)化動態(tài)再結(jié)晶行為，通過提高軋制速率的方式改善鎂合金軋制成形性能，抑制軋制邊裂現(xiàn)象，提高板材表面質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)低成本、高效率制備鎂合金軋制板材。同時(shí)，通過大應(yīng)變塑性變形細(xì)化晶粒、調(diào)控第二相尺寸及分布以大幅提升軋制板材的綜合力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)高性能鎂合金板材的制備。首

3、先選取常用變形鎂合金牌號AZ31鎂合金為研究對象，探索單道次大壓下量鎂合金軋制工藝的可行性并探討了大變形軋制條件下鎂合金的變形原理。在此基礎(chǔ)上通過調(diào)控軋制溫度、軋制速率，探明了鎂合金大應(yīng)變板材軋制最優(yōu)工藝條件，并研究了軋制速率及溫度對鎂合金板材流變行為、微觀組織及織構(gòu)的影響。為了進(jìn)一步研究了大應(yīng)變軋制技術(shù)在AZ系鎂合金中的適用性，對 AZ31、AZ61及AZ91三種常見商用的AZ系鎂合金進(jìn)行大應(yīng)變軋制，制備出高塑性、高強(qiáng)度鎂合金板材，并

4、深入研究了其中所涉及的再結(jié)晶及應(yīng)變誘導(dǎo)析出行為。通過向AZ31鎂合金中添加Sn及Ca元素，研究了利用合金元素弱化鎂合金板材軋制織構(gòu)，改善鎂合金變形行為的方式，重點(diǎn)探討變形過程中的孿晶行為及再結(jié)晶機(jī)制。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴中、高速大應(yīng)變軋制能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金板材高效率無邊裂軋制，單道次壓下量最大可達(dá)70％，顯著提升鎂合金軋制過程的效率以及成材率。掌握了 AZ31鎂合金大應(yīng)變軋制過程中軋制溫度及軋制速率對軋制變形機(jī)理的影響規(guī)律。提

5、升軋制溫度及軋制速率將顯著改善板材軋制質(zhì)量，其主要原因在于提高軋制溫度一方面有利于材料在變形過程中非基面滑移系的啟動，另一方面促進(jìn)變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為，使得材料在變形過程中得到一定軟化，抑制軋制裂紋的出現(xiàn)；提高軋制速率對軋制成形性能的改善本質(zhì)在于顯著地促進(jìn)變形過程中的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶行為。因此，動態(tài)再結(jié)晶行為得到強(qiáng)化是鎂合金實(shí)現(xiàn)大應(yīng)變軋制的重要條件。⑵獲得了AZ31鎂合金板材中、高速大應(yīng)變軋制的動態(tài)再結(jié)晶行為規(guī)律，主要包括：連續(xù)動態(tài)

6、再結(jié)晶、剪切帶形核再結(jié)晶及孿晶誘導(dǎo)再結(jié)晶。其中，連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶所占比例最大，連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶區(qū)織構(gòu)與變形區(qū)織構(gòu)類型較為近似，其取向分布更為離散，有一定的織構(gòu)弱化效果。剪切帶形核再結(jié)晶沿剪切帶內(nèi)部分布，再結(jié)晶晶粒尺寸相對細(xì)小，通常在~1μm以下。孿晶誘導(dǎo)再結(jié)晶晶粒形核于孿晶內(nèi)部，通常壓縮孿晶及{101?1}-{101?2}二次孿生相較于拉伸孿生更容易誘導(dǎo)再結(jié)晶晶粒形核。孿晶誘導(dǎo)再結(jié)晶晶粒通常保持與初始孿晶類似的取向特征，織構(gòu)弱化效果較為明顯

7、。⑶掌握了鎂合金板材大應(yīng)變軋制條件下的組織不均勻的特征規(guī)律。組織不均勻性主要體現(xiàn)在：板材表面同板材內(nèi)部組織差異；板材內(nèi)部出現(xiàn)剪切帶。大應(yīng)變軋制板材表面相對于板材心部具有更高的硬度及基面織構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)表面形成明顯的再結(jié)晶細(xì)晶區(qū)結(jié)構(gòu)。這主要是由于板材表面在軋制咬入階段發(fā)生大變形，而板材心部卻未發(fā)生明顯變形導(dǎo)致厚向流變行為差異。剪切帶形成作為一種流變集中釋放的過程，在軋制變形過程中起到了協(xié)調(diào)局部區(qū)域應(yīng)變差異的作用，保證了剪切帶兩側(cè)的組織變形協(xié)

8、調(diào)性，分隔剪切帶兩側(cè)的變形狀態(tài)，在一定程度上抑制的軋制過程中的裂紋產(chǎn)生。⑷獲得了Al含量對AZ系鎂合金在大應(yīng)變軋制過程中的變形行為和組織演變規(guī)律的影響。Al元素的添加抑制了{(lán)101?1}-{1012}孿晶在變形過程中的形成，高Al鎂合金內(nèi)可觀察到納米尺寸具有拉伸孿生取向關(guān)系的細(xì)小組織結(jié)構(gòu)。低Al鎂合金的再結(jié)晶行為以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主，高Al鎂合金以不連續(xù)再結(jié)晶及第二相誘導(dǎo)再結(jié)晶為主。AZ91鎂合金再結(jié)晶區(qū)內(nèi)觀察到在軋制過程中動態(tài)析出的細(xì)

9、小彌散的納米級Mg17Al12相。高Al鎂合金板材的再結(jié)晶區(qū)的取向?yàn)檩^弱的基面織構(gòu)，再結(jié)晶區(qū)的面積增加將產(chǎn)生一定的織構(gòu)弱化。⑸采用大應(yīng)變軋制工藝成功制備出力學(xué)性能優(yōu)異的鎂合金細(xì)晶板材。隨著軋制變形量的增加，低Al鎂合金強(qiáng)度及塑性都得到提升。當(dāng)單道次軋制變形量為60%時(shí)，AZ31鎂合金軋制板材的屈服強(qiáng)度相比擠壓態(tài)提高了51 MPa達(dá)到221 MPa,延伸率達(dá)到~18%，其強(qiáng)度得到了提升的同時(shí)確保了足夠的塑性。對于 AZ91鎂合金，其屈服強(qiáng)

10、度提高到~322 MPa,同時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到~422 MPa，延伸率達(dá)~8%，獲得了高強(qiáng)度的鎂合金板材。⑹揭示了AZ31-0.5 wt.%Ca鎂合金軋制過程中基面織構(gòu)弱化的機(jī)理。Ca元素的添加使得織構(gòu)中非基面組份比例大幅提升。其主要原因在于Ca元素的添加同Al元素形成了含Ca第二相，這類第二相分布均勻，第二相尺寸在2μm以上，促進(jìn)了熱力耦合過程中的再結(jié)晶行為，形成第二相誘導(dǎo)再結(jié)晶。該類再結(jié)晶晶粒取向隨機(jī)，顯著弱化了軋制過程中出現(xiàn)的基面織構(gòu)