鎂合金板材大應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)勢及其獨特的密度低、比強度/比剛度高、阻尼減震和電磁屏蔽好等性能特點，使其在國防軍工、航空航天、交通運輸、3C電子和裝備制造等領域具有廣闊的應用前景，受到越來越多的關注，并已經實現了較大規(guī)模的產業(yè)化生產與應用。軋制成形是一種重要的鎂合金板材生產方式，可靈活生產具有良好表面質量、不同厚度和寬度的鎂合金板材。國內外在鎂合金軋制基礎研究和技術開發(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)模應用。本文在前期探索性實驗研究結果基礎上，提出采用大應變軋制的方式制備鎂合金板材。通過調控軋制溫度來強化動態(tài)再結晶行為，通過提高軋制速率的方式改善鎂合金軋制成形性能，抑制軋制邊裂現象，提高板材表面質量，從而實現低成本、高效率制備鎂合金軋制板材。同時，通過大應變塑性變形細化晶粒、調控第二相尺寸及分布以大幅提升軋制板材的綜合力學性能，實現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。在此基礎上通過調控軋制溫度、軋制速率，探明了鎂合金大應變板材軋制最優(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、微觀組織及織構的影響。為了進一步研究了大應變軋制技術在AZ系鎂合金中的適用性，對 AZ31、AZ61及AZ91三種常見商用的AZ系鎂合金進行大應變軋制，制備出高塑性、高強度鎂合金板材，并

4、深入研究了其中所涉及的再結晶及應變誘導析出行為。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，改善鎂合金變形行為的方式，重點探討變形過程中的孿晶行為及再結晶機制。
　　本研究主要內容包括：⑴中、高速大應變軋制能夠實現鎂合金板材高效率無邊裂軋制，單道次壓下量最大可達70％，顯著提升鎂合金軋制過程的效率以及成材率。掌握了 AZ31鎂合金大應變軋制過程中軋制溫度及軋制速率對軋制變形機理的影響規(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，另一方面促進變形過程中的動態(tài)再結晶行為，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；提高軋制速率對軋制成形性能的改善本質在于顯著地促進變形過程中的連續(xù)動態(tài)再結晶行為。因此，動態(tài)再結晶行為得到強化是鎂合金實現大應變軋制的重要條件。⑵獲得了AZ31鎂合金板材中、高速大應變軋制的動態(tài)再結晶行為規(guī)律，主要包括：連續(xù)動態(tài)

6、再結晶、剪切帶形核再結晶及孿晶誘導再結晶。其中，連續(xù)動態(tài)再結晶所占比例最大，連續(xù)動態(tài)再結晶區(qū)織構與變形區(qū)織構類型較為近似，其取向分布更為離散，有一定的織構弱化效果。剪切帶形核再結晶沿剪切帶內部分布，再結晶晶粒尺寸相對細小，通常在~1μm以下。孿晶誘導再結晶晶粒形核于孿晶內部，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再結晶晶粒形核。孿晶誘導再結晶晶粒通常保持與初始孿晶類似的取向特征，織構弱化效果較為明顯

7、。⑶掌握了鎂合金板材大應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在：板材表面同板材內部組織差異；板材內部出現剪切帶。大應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強度，同時表面形成明顯的再結晶細晶區(qū)結構。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調局部區(qū)域應變差異的作用，保證了剪切帶兩側的組織變形協

8、調性，分隔剪切帶兩側的變形狀態(tài)，在一定程度上抑制的軋制過程中的裂紋產生。⑷獲得了Al含量對AZ系鎂合金在大應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{101?1}-{1012}孿晶在變形過程中的形成，高Al鎂合金內可觀察到納米尺寸具有拉伸孿生取向關系的細小組織結構。低Al鎂合金的再結晶行為以連續(xù)動態(tài)再結晶為主，高Al鎂合金以不連續(xù)再結晶及第二相誘導再結晶為主。AZ91鎂合金再結晶區(qū)內觀察到在軋制過程中動態(tài)析出的細

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

10、度提高到~322 MPa,同時抗拉強度達到~422 MPa，延伸率達~8%，獲得了高強度的鎂合金板材。⑹揭示了AZ31-0.5 wt.%Ca鎂合金軋制過程中基面織構弱化的機理。Ca元素的添加使得織構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，促進了熱力耦合過程中的再結晶行為，形成第二相誘導再結晶。該類再結晶晶粒取向隨機，顯著弱化了軋制過程中出現的基面織構