HCP結構金屬ECAP加工技術研究.pdf

1、等通道轉角擠壓(equal-channel angular pressing，ECAP)是劇烈塑性變形(severe plasticity deformation，SPD)方法中最典型的一種，采用ECAP加工可以有效地細化金屬的顯微組織，提高合金塑性變形性能。目前對ECAP的研究主要集中在立方結構金屬上，對六方結構金屬的ECAP研究相對較少。另一方面，由于塑性變形能力很低，密排六方結構(HCP)金屬在產業(yè)上的應用受到很大限制。其中，鎂合

2、金塑性變形的問題在HCP金屬中具有代表性。作為密度最小的的金屬結構材料，鎂合金良好的導熱熱性能、阻尼性能、電磁屏蔽性能和可回收性都是工程塑料無法比擬的。本文利用ECAP方法對鎂合金施加劇烈塑性變形，通過細化鎂合金的組織，全面改善其力學性能和變形能力，這對于拓展鎂合金的應用有顯著的意義。
　　 本文自行設計和制作了三維旋轉等通道擠壓(3D-RD ECAP)擠壓裝置，從計算機模擬和實驗研究兩個方面對AZ31、ZA31和ZA62三種鎂

3、合金的ECAP過程，以及ECAP加工后試樣的組織和性能進行了系統(tǒng)的研究。
　　 首先，利用有限元模擬軟件DEFORM3D對3D-RD ECAP過程進行仿真。結果顯示，在ECAP過程中，尤其是在通過剪切面之后，試樣各部位受到的應力差異很大，而且應力隨著變形的進行不斷變化，總的來說，試樣上表面主要受拉應力的作用，而試樣下表面主要受壓應力作用，這對試樣不均勻等效應變的形成有重要影響。摩擦系數μ對應變的影響是有限的。在正常的摩擦條件下（

4、μ≤0.32），等效應變分布的差別不大，只有在摩擦系數足夠大時(μ＝0.4)，試樣的應變分布才會有比較明顯的變化。對1至3道次3D-RD ECAP的FEM模擬發(fā)現，提高ECAP道次對提高變形的均勻性有明顯的效果。從3道次的模擬結果看，按A’路徑ECAP后試樣內部的均勻性最好，BC'路徑和BA'路徑次之，且相差不大，按C'路徑擠壓的均勻性最差。
　　 在有限元模擬的基礎上，本文研究了不同初始晶粒尺寸的AZ31鎂合金在ECAP過程中

5、和ECAP之后的顯微組織的特點，以及不同路徑和擠壓道次的AZ31鎂合金的顯微組織、力學性能和硬度值分布。研究發(fā)現，孿晶機制在鎂合金晶粒細化過程中起到重要作用。在ECAP的微變形階段，擠壓態(tài)和退火態(tài)試樣的晶粒內部都形成了大量的孿晶，在剪切變形階段這些孿晶會成為動態(tài)再結晶的形核中心。金相觀察和硬度分布表明，一道次ECAP后試樣的各部位的顯微組織和力學性能呈現出明顯的不均勻的特征，相對來說，初始晶粒尺寸較大的試樣變形后不均勻性更加明顯。3D-

6、RD ECAP的4種路徑對晶粒細化以及變形的均勻性的影響順序為:BA'（最均勻），A'，BC'，C'。增加ECAP道次會降低試樣的不均勻性，在473K下ECAP6道次后，AZ31鎂合金晶粒細化接近極限，此時平均晶粒尺寸約為4.7μm，屈服強度和抗拉強度分別為167MPa和266MPa，延伸率達到30％。傳統(tǒng)ECAP中的經典的滑移系模型無法解釋3D-RD ECAP中的路徑的影響規(guī)律。對兩種ECAP的路徑（傳統(tǒng)ECAP和3D-RD ECAP

7、）進行比較后發(fā)現其路徑之間有一一對應的關系，而這種關系也與路徑對材料的變形均勻性的規(guī)律吻合。對于3D-RD ECAP，路徑對變形的均勻性的影響并不僅僅取決于剪切面夾角和滑移方向，還與連續(xù)擠壓道次之間的旋轉方式有關。當選擇的路徑能夠使試樣的每個表面都有相同的機會處于不同位置，則最有利于試樣均勻變形。
　　 此外本文還對ZA系鎂合金中的單相合金ZA31和和多相合金ZA62進行了ECAP研究。研究顯示，ECAP可以顯著改善ZA系鎂合金

8、的顯微組織。ZA31鎂合金在473K下經過1道次ECAP后晶粒尺寸從17μm下降到11μm，6道次后晶粒尺寸下降到7μm。ZA62鎂合金的晶粒在ECAP之后也得到明顯的細化，并且初生的中間相在ECAP之后破碎成小顆粒，形成沿擠壓方向排列的帶狀組織。經過473K下8道次加433K下2道次ECAP后，ZA62鎂合金的晶粒尺寸從100μm下降到約2μm。實驗還發(fā)現，ECAP會誘發(fā)ZA系鎂合金的沉淀相變。1道次ECAP后的ZA31鎂合金基體中有

9、大量細小彌散的MgZn相析出，增加到6道次后，析出相的尺寸還會有明顯的長大。ZA62鎂合金經過多道次ECAP之后有大量Laves結構的橢球狀或者球狀的MgZn2相析出。此外，組織中還發(fā)現了少量的Mg-Zn-Al三元準晶。ECAP明顯地改善了ZA31和ZA62鎂合金的力學性能。ZA31鎂合金經過473K1道次ECAP后在室溫下的抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為275MPa、180MPa和22％。ZA62鎂合金經過473K2道次加433K8