往復(fù)擠壓ZK60與GW102K鎂合金的組織演變及強(qiáng)韌化機(jī)制研究.pdf

1、本文以商業(yè)牌號高強(qiáng)度變形鎂合金ZK60和新型高強(qiáng)度稀土鎂合金GW102K為研究對象，利用往復(fù)擠壓大塑性變形工藝制備塊體超細(xì)晶鎂合金，旨在提高鎂合金的室溫力學(xué)性能和塑性成形能力。重點研究往復(fù)擠壓鎂合金的組織演變規(guī)律及細(xì)化機(jī)制、室溫變形行為和斷裂機(jī)制，揭示往復(fù)擠壓鎂合金的強(qiáng)韌化機(jī)制。以期提出改善鎂合金力學(xué)性能和成形性能的有效方法及理論。獲得如下結(jié)果： 本文首先利用有限元數(shù)值模擬方法分析了往復(fù)擠壓模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對材料流動的影響，優(yōu)

2、化了往復(fù)擠壓模具及工藝，并利用物理實驗驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。往復(fù)擠壓工藝數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，模具結(jié)構(gòu)和往復(fù)擠壓工藝參數(shù)對材料應(yīng)變的分布具有很大影響。模具過渡角越大、模具入口角越小、摩擦越小試樣應(yīng)變分布越均勻，但小量摩擦有利于應(yīng)變的均勻分布。較小的擠壓比可防止材料在變形過程中失穩(wěn)；模具入口角為45°時應(yīng)變分布最均勻，載荷最低：擠壓速度對應(yīng)變分布基本沒有影響；根據(jù)變形溫度的不同，塑變生熱和摩擦生熱能在4至8道次內(nèi)彌補(bǔ)模具向環(huán)境散熱引起的溫降

3、。對流場的模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著往復(fù)擠壓道次的增加流線逐漸變得紊亂。材料的流動規(guī)律是：試樣表層的材料背向流動，心部相向流動，進(jìn)而在試樣的上下兩部分各形成一個流動漩渦。 利用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、電子背散射技術(shù)(EBSD)和透射電鏡(TEM)從不同尺度分析了往復(fù)擠壓變形溫度和變形道次對ZK60和GW102K兩種鎂合金微觀組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明，往復(fù)擠壓對ZK60和GW102K鎂合金都具有強(qiáng)烈的細(xì)化能力，細(xì)化效

4、率隨道次增加而逐漸下降。往復(fù)擠壓溫度越低或擠壓道次越多則組織越細(xì)、分布越均勻。隨著往復(fù)擠壓道次的增加或擠壓溫度的下降，大角度晶界數(shù)量增加，晶粒平均位向差增加。 采用X射線衍射(XRD)和EBSD分析了往復(fù)擠壓過程中鎂合金織構(gòu)的演變規(guī)律。發(fā)現(xiàn)晶粒在往復(fù)擠壓過程中取向不斷發(fā)生變化，擠壓變形時{0002}基面向平行于擠壓軸方向轉(zhuǎn)動，鐓粗變形時向垂直于擠壓軸轉(zhuǎn)動。往復(fù)擠壓后擠壓態(tài)鎂合金的<1010>絲織構(gòu)消失，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N{0002}

5、基面與擠壓軸夾角20～30°的<2201>絲織構(gòu)。增加往復(fù)擠壓道次或降低變形溫度，織構(gòu)強(qiáng)度趨于下降，但織構(gòu)類型不變。 往復(fù)擠壓過程中鎂合金組織的細(xì)化機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，其基本細(xì)化機(jī)制為動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化，但在不同變形條件下具有不同的再結(jié)晶產(chǎn)生機(jī)制。在低溫低變形量的粗晶鎂合金中，通常以形核于孿晶界的非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶(DDRX)為主，以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶(CDRX)和旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶(RDRX)為輔；在中高溫條件下以CDRX和RDRX為主，以DDR

6、X為輔。第二相的細(xì)化機(jī)制主要是機(jī)械破碎。 通過室溫拉伸考查了往復(fù)擠壓對鎂合金室溫力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，隨著往復(fù)擠壓道次的增加，ZK60合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都逐漸下降，下降速率由快變慢；伸長率大幅上升，最高達(dá)到41％，比往復(fù)擠壓前提高了2.6倍。另一方面，隨著往復(fù)擠壓道次的增加，GW102K合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都顯著增加，伸長率更是提高了3.2倍，達(dá)到22％。變形溫度對兩種合金力學(xué)性能的影響規(guī)律基本相同，即變形溫度

7、升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，往復(fù)擠壓還能顯著降低擠壓態(tài)鎂合金的力學(xué)性能各向異性，消除擠壓態(tài)鎂合金的拉壓不對稱性。 基于室溫拉伸過程中的組織觀察，分析了往復(fù)擠壓ZK60和GW102K鎂合金的室溫變形機(jī)制和斷裂機(jī)制。結(jié)果顯示兩種擠壓態(tài)鎂合金室溫變形都很不均勻，裂紋主要形核于孿晶界和聚集的粗大第二相上。斷裂形式在粗晶區(qū)為解理或準(zhǔn)解理脆性斷裂，在細(xì)晶區(qū)則為韌性斷裂。往復(fù)擠壓后ZK60合金室溫變形均勻性顯著提高，孿生數(shù)量逐漸下降，變形以

8、滑移為主，斷裂形式表現(xiàn)為微孔縮聚的穿晶韌性斷裂。GW102K合金往復(fù)擠壓后孿生仍為重要變形機(jī)制，裂紋仍主要萌生于第二相聚集區(qū)和孿晶界上，但斷口上撕裂棱數(shù)量顯著增多，均勻性也顯著提高。 以純鎂為參照，分析討論了兩種合金中不同性質(zhì)和數(shù)量的第二相粒子對往復(fù)擠壓過程中鎂合金組織演變和力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，第二相的種類、數(shù)量和分布對往復(fù)擠壓鎂合金的組織和力學(xué)性能其有重要影響。ZK60合金中主要第二相Mg2n2含量為2～4％(體積分

9、數(shù))，尺寸小，分布均勻。而GW102K合金中主要第二相Mg24(Gd，Y)5含量5～9％，尺寸大，主要分布在晶界上，阻礙了變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動。使得GW102K合金織構(gòu)集中度低，強(qiáng)度高，塑性差，且未出現(xiàn)隨往復(fù)擠壓道次增加強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。 往復(fù)擠壓鎂合金強(qiáng)韌化機(jī)制的研究表明，往復(fù)擠壓鎂合金綜合力學(xué)性的提高是細(xì)晶強(qiáng)化、織構(gòu)強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化等多種機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。晶粒細(xì)化后孿生減少，非基面滑移和晶界滑移激活，變形