鎂及鎂合金中低溫等通道轉角擠壓變形及組織性能研究.pdf

1、鎂及鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，因其較高的比強度和比剛度，在工業(yè)應用中具有非常大的潛力。特別是進入21世紀以來，能源和環(huán)保問題極大地刺激了鎂及鎂合金在汽車工業(yè)中的應用。但是由于鎂及鎂合金屬于密排六方結構，滑移系較少，塑性變形后各向異性非常顯著，使其力學性能較低，傳統(tǒng)工藝未能很好地解決其力學性能較低的問題。研究表明，通過控制材料的顯微結構（晶粒尺寸及其分布和織構）能有效地改善材料的綜合力學性能。近年來，等通道轉角擠壓(Equal Ch

2、annel Angular Pressing，ECAP)受到材料研究者的廣泛關注，因為該技術可使材料內累積足夠大的變形能，達到充分細化晶粒尺寸的目的，可制備出亞微米級甚至納米級的超細晶材料。經(jīng)過ECAP擠壓后，材料的綜合力學性能有了顯著的提高。受鎂及鎂合金塑性較差的影響，目前ECAP通常都在200℃（0.5Tm，開氏溫度）以上進行擠壓，得到的晶粒尺寸也在2μm以上。在200℃以下，關于ECAP對鎂及鎂合金的組織性能影響的研究還很有限。<

3、br>　　由于ECAP過程中的影響因素較多，為了得到均勻的顯微組織，首先通過模擬優(yōu)化ECAP模具結構，為實驗過程中的模具設計提供理論支持。隨后，本文以純鎂和AZ80鎂合金為對象，系統(tǒng)地研究了鎂及鎂合金在中低溫下經(jīng)過ECAP擠壓后的顯微組織演變過程，分析在中低溫下擠壓晶粒的細化過程;同時，對擠壓后的材料在室溫下進行力學性能測試，分析經(jīng)過劇烈塑性變形后材料的變形行為。取得的主要研究結果如下:
　　(1)使用3D有限元軟件優(yōu)化模具結構后

4、模擬了純鈦和純鎂的變形過程，系統(tǒng)地分析了模具內外轉角以及背壓對材料應力、應變、應變速率等分布的影響。模擬結果表明:通過改變模具內外轉角半徑可以使樣品在擠壓過程中上下表面的受力分布均勻，這有利于得到變形均勻的材料;優(yōu)化后的模具結構對變形分布的影響不因材料的不同而發(fā)生改變;背壓能不破壞樣品的上下表面的受力平衡，并且有利于增加均勻變形區(qū)的應變量，增加變形程度。通過調整模具轉角結構和背壓能顯著地降低樣品通過剪切變形區(qū)的應變速率，從而有利于防止材

5、料發(fā)生斷裂。
　　(2)使用直接和兩步法對鑄態(tài)純鎂在中溫下(100～200℃)進行了ECAP擠壓。其中，兩步法是先在較高下多道次ECAP擠壓，然后再降低溫度進行擠壓。研究了材料的顯微組織變化及其對壓縮變形行為的影響。使用電子背散射衍射(Electronic BackScatterDiffrication，EBSD)和X-射線衍射(XRD)，分析了擠壓溫度、擠壓道次、擠壓路徑對微觀組織及織構類型的影響，通過壓縮實驗研究了不同擠壓條件

6、對力學性能的影響。研究結果表明:純鎂在中溫下直接ECAP擠壓，Bc路徑比較容易導致樣品發(fā)生斷裂。采用兩步ECAP能成功地使用A、Bc和C路徑在不同溫度下(100～200℃)對純鎂擠壓4道次，不同路徑對材料的細化作用存在明顯差別，依次為:Bc＞A＞C。受剪切面體系的影響，Bc和C路徑得到的是傾斜織構，隨著擠壓溫度的降低，擇優(yōu)取向逐漸減弱;A路徑得到的是基面織構，擠壓后大角度晶界比例較高，溫度對大角度晶界比例和織構類型的影響不顯著。在壓縮變

7、形過程中，受織構和晶粒分布的影響，不同路徑對材料綜合性能的提高作用依次為:A＞Bc＞C。
　　(3)采用兩步ECAP方法，研究了純鎂在室溫下不同路徑、多道次以及背壓對材料組織性能的影響。通過透射電鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)和EBSD測試方法，分析了純鎂在室溫下經(jīng)過不同路徑、不同道次擠壓后的顯微組織演變過程以及晶粒細化機制。通過壓縮實驗研究了室溫ECAP擠壓后對材料力學性能的影響。

8、研究結果表明:在室溫下，二次ECAP多道次擠壓后，A路徑擠壓后材料的強度和塑性均有明顯提高，綜合性能最高，這主要歸因于材料的多尺度晶粒分布以及基面織構的存在;Bc路徑對材料力學性能的提高作用次之，由于隨著擠壓道次的增加，形成的傾斜織構導致材料強度略有降低，而塑性逐漸提高;C路徑擠壓后材料的力學性能最差，因為大量的孿晶不利于塑性變形，傾斜織構使材料強度較低。背壓是促進晶粒細化最有效的方法之一，隨著背壓的提高，即使采用單道次擠壓也能使晶粒均

9、勻地細化到亞微米級別;增加背壓使材料的塑性大幅度地提高，高背壓更有利于形成擇優(yōu)取向。
　　(4)分別采用直接和兩步ECAP的方法，研究了AZ80鎂合金在不同溫度擠壓后組織演變及其對力學性能的影響。結果表明:在320℃下，A和Bc路徑對晶粒細化效果的影響相似;隨道次增加，晶粒尺寸均出現(xiàn)先減小后長大的現(xiàn)象。在200℃下，材料內形成大量的孿晶，并累積較高的位錯密度;晶?？杉毣絹單⒚壮叨?，析出物也被細化成為100nm左右的離散顆粒均勻地