Mg-Al合金晶粒細化、熱變形行為及加工工藝的研究.pdf

1、鎂合金具有優(yōu)良的物理和力學性能,在航空航天、汽車、電子器件等行業(yè)上的應用有廣闊的前景。與壓鑄鎂合金相比,變形鎂合金具有更高的強度、延展性和多樣化的力學性能,可以滿足作為結(jié)構(gòu)件的要求。目前,國內(nèi)外變形鎂合金的應用研究尚處于起步階段,變形鎂合金制品的生產(chǎn)成本仍然較高,變形鎂合金的相關(guān)成型技術(shù)還不成熟。 本文的研究集中在低成本的商用AZ31合金和新型可成形性能良好的變形鎂合金的開發(fā),通過Mg-Al系合金的晶粒細化進一步提高其可成形性能

2、,在熱變形行為的研究基礎(chǔ)之上,對Mg-Al系合金在擠壓過程中的組織進行控制,以期得到具有優(yōu)良綜合力學性能的鎂合金管材。 本文采用光學顯微鏡(OM),X射線衍射儀(XRD),掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段,通過正交試驗調(diào)整Mg.Al系合金中Al、Zn和Mn的元素含量,獲得了一種低成本、具有較高室溫延伸率的Mg.Al系變形鎂合金-Mg-3Al-0.4Mn(AM30)合金；研究了Ti和Sr元素對AZ31和AM30合金顯微組織和力學

3、性能的影響規(guī)律以及Ti、Sr元素的晶粒細化機制；研究了低頻電磁半連續(xù)鑄造工藝參數(shù)(頻率和電流)對AZ31和AM30合金顯微組織和力學性能的影響規(guī)律,制備出晶粒細小(<50μm)且分布均勻的φ100mm鎂合金半連續(xù)錠坯；利用等溫熱壓縮試驗,獲得了鑄態(tài)低頻電磁半連續(xù)鑄造AZ31和AM30合金的流動應力一應變曲線,結(jié)合本構(gòu)方程和動態(tài)材料模型(DMM)構(gòu)建出兩種合金的擠壓極限圖和加工圖,并且研究了在變形過程中兩種合金的熱變形行為和顯微組織演變以

4、及動態(tài)再結(jié)晶(DRX)機制；通過實際管材的熱擠壓試驗,驗證了兩種合金的擠壓極限圖和加工圖的正確性,研究結(jié)果表明:通過對正交試驗變形Mg-Al-Zn合金晶粒尺寸、沖擊韌性和力學性能的研究,獲得了一種低成本、具有較高室溫延伸率的變形AM30合金,并且在擠壓過程中細小的Al-Mn相阻止了DRX晶粒的長大,使得AM30合金對擠壓溫度和擠壓速度均不敏感,適于進行高速擠壓。 對于AZ31-xTi合金,在同一冷卻速度下,隨著Ti含量的增加,合

5、金的晶粒尺寸呈先減小而后增加的趨勢,Ti的加入量為0.0025wt﹪時,其細化效果最佳,AZ31合金的晶粒尺寸由1100±120μm減小到120±10μm.Ti元素晶粒細化由生長限制因子(GRF)機制控制.對于AZ31-xSr合金,在同一冷卻速度下,隨著sr含量的增加,合金的晶粒尺寸呈先減小而后增加,最后又減小的趨勢,Sr的加入量為0.081wt﹪時,其細化效果最佳,AZ31合金的晶粒尺寸由1100+120gm減小到180±30μm.s

6、r元素晶粒細化由GRF機制和第二相顆粒阻礙晶粒長大機制控制.施加低頻電磁場以后,AZ31和AM30合金中心部位的晶粒顯著細化,可以獲得晶粒為 30±10μm的半連續(xù)鑄錠,最佳的工藝參數(shù):頻率為30Hz,電流為80～120A. 采用雙曲正弦關(guān)系可以描述所有應力下AZ31和AM30合金的流動應力、應變速率和變形溫度之間的相互關(guān)系,求得的材料常數(shù)如下:a) AZ31 合金:應變硬化指數(shù) n=6.43,變形激活能 Q=140kJ/mo

7、l,流動應力峰值與Z參數(shù)之間的關(guān)系為:ln[sirth(ασ<,p>)]=-5.52281+0.16072lnZ. b) AM30 合金:應變硬化指數(shù) n=4.89,變形激活能 Q=136kJ/mol,流動應力峰值與Z參數(shù)之間的關(guān)系為:ln[sinh(ασ<,p>)]=-7.46888+0.21041lnZ.提出了一個用于描述AZ31和AM30合金高溫熱變形過程中流動應力與應變量、應變速率和變形溫度之間的關(guān)系模型:σ=exp[

8、A(ε)+B(ε)T],其中A和B與應變量呈三次樣條函數(shù)關(guān)系.采用以上模型可以計算給定任何應變速率和變形溫度下的流動應力--應變曲線. 根據(jù)校正后的峰值應力σ<,p>和溫度補償?shù)膽兯俾室蜃覼的關(guān)系,以及結(jié)合擠壓力計算公式:p=σ(0.17l+1.86lnR+4ml<,b>/d<,b>平方根+3)和溫升計算公式:ΔT=σlnλ/平方根+3ρC<,p>,構(gòu)建出AZ31和AM30合金的擠壓極限圖,并且計算出在擠壓過程中鑄錠的實際擠

9、壓溫度,AZ31和AM30合金的擠壓極限圖對比結(jié)果表明,AM30合金的可擠壓性能優(yōu)于AZ31合金。 AZ31合金的加工圖為單域--DRX域,最佳熱加工條件為 500℃,0.001s<'-1>,對應的峰值能量耗散效率為34﹪。失穩(wěn)區(qū)域隨著應變量的增大呈增大趨勢。造成AZ31合金失穩(wěn)的主要原因是在變形過程中局部流變現(xiàn)象的出現(xiàn)以及由再結(jié)晶區(qū)域所誘發(fā)的裂紋。在最佳熱加工條件(500℃,0.001s<'-1>)下,新界面形成率小于界面遷移

10、率控制著在最佳熱加工條件下的DRX過程,最終導致DRX晶粒隨著應變量的增大而顯著長大。 AM30合金的加工圖為雙域,最佳熱加工條件為500℃,0.1s<'-1>,對應的峰值能量耗散效率為32﹪(DRX域)；最佳溫加工條件為375℃,0.001s<'-1>,對應的峰值能量耗散效率為28﹪(CDRX域)。應變量對失穩(wěn)圖的影響程度不大。造成AM30合金失穩(wěn)的主要原因是在變形過程中局部流變現(xiàn)象的出現(xiàn)和由再結(jié)晶區(qū)域所誘發(fā)的裂紋以及在高應