鎂合金環(huán)件鍛造成形工藝與組織性能研究.pdf

1、無縫環(huán)形零件能夠用于制備軸承套圈、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪及輪箍、燃汽輪機環(huán)、發(fā)動機環(huán)、高射炮的座圈、壓力容器及核反應(yīng)堆加強圈等，廣泛運用于機械、汽車、火車、船舶、冶金、化工、能源、航空航天等諸多工業(yè)領(lǐng)域。本文在總結(jié)分析國內(nèi)外鎂合金鍛造成形技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合鎂合金鍛造成形相關(guān)特點，提出一種成形工序簡單、制造成本低、適用于高性能鎂合金環(huán)件制備的兩步鍛造成形法，即多向鍛造預(yù)變形+模鍛終鍛成形。論文主要分為兩部分：首先，以常用商業(yè)AZ

2、31鎂合金為研究對象，優(yōu)化設(shè)計了鎂合金環(huán)件的鍛造成形工藝參數(shù)，系統(tǒng)研究分析了鎂合金環(huán)件鍛造成形過程中的微觀組織和力學(xué)性能的演變規(guī)律；其次，設(shè)計了一種不含稀土、時效強化型 Mg-7.2Zn-1.5Cu-1.0Mn(wt.%)(ZCM721)合金，研究固溶+雙級時效處理對 ZCM721合金環(huán)件微觀組織演變與力學(xué)性能的影響規(guī)律，以進一步提高環(huán)件的力學(xué)性能。
　　論文工作表明，兩步鍛造成形工藝（多向鍛造預(yù)變形+模鍛終鍛成形）能成功實現(xiàn)AZ

3、31鎂合金環(huán)件成形。對環(huán)件鍛造成形過程模擬發(fā)現(xiàn)，在環(huán)件鍛造成形過程中，坯料中的等效應(yīng)變和溫度分布不均勻。環(huán)件鍛造成形之后，環(huán)件中心區(qū)域的等效應(yīng)變分布相對均勻，環(huán)件靠近飛邊區(qū)域的溫度高于其它區(qū)域。微觀組織觀察和有限元模擬結(jié)果表明，環(huán)件鍛造成形之后，AZ31鎂合金晶粒尺寸發(fā)生顯著細(xì)化但形成不均勻的晶粒組織；增大環(huán)件中的累積變形量和降低溫度分布有利于在環(huán)件中獲得細(xì)小均勻的晶粒組織。
　　對AZ31鎂合金在初始溫度300~400℃范圍內(nèi)進

4、行多向鍛造預(yù)變形，探索了多向鍛造變形道次和溫度對AZ31鎂合金坯料微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果顯示：①在多向鍛造成形初始溫度300~400℃范圍內(nèi)，由于坯料中心和邊緣區(qū)域的累計應(yīng)變量不同，AZ31鎂合金坯料經(jīng)過多向鍛造變形后晶粒尺寸發(fā)生顯著細(xì)化但不同區(qū)域的晶粒組織不均勻。在經(jīng)過36道次多向鍛造變形后，與坯料邊緣區(qū)域晶粒組織相比，在坯料中心區(qū)域會形成更加細(xì)小均勻的晶粒組織且受變形溫度影響較小。②AZ31鎂合金經(jīng)過多向鍛造變形后力學(xué)性

5、能得到顯著改善，由于在變形過程中發(fā)生孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶，坯料中心和邊緣區(qū)域的屈服強度均隨變形道次先增加后降低。經(jīng)過36道次多向鍛造變形后，坯料中心區(qū)域的力學(xué)性能優(yōu)于邊緣區(qū)域且受變形溫度的影響較小。在本工作的實驗溫度范圍內(nèi)，350℃初始鍛造變形溫度有利于使坯料獲得相對均勻的力學(xué)性能。
　　對AZ31鎂合金在不同溫度條件下進行環(huán)件鍛造成形，研究了環(huán)件成形溫度對AZ31鎂合金環(huán)件晶粒組織、織構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示：①環(huán)件鍛造成形能

6、顯著細(xì)化AZ31鎂合金的晶粒尺寸，且環(huán)件中的晶粒尺寸隨模鍛終鍛成形溫度降低而逐漸細(xì)化。②AZ31鎂合金環(huán)件中的織構(gòu)特征隨變形溫度發(fā)生變化，在較低變形溫度下形成單峰基面織構(gòu)，而在較高變形溫度下形成雙峰非基面織構(gòu)，并且隨著模鍛終鍛成形溫度的升高，基極偏離（0002）極圖中心的傾角也隨之增大。③AZ31鎂合金環(huán)件呈現(xiàn)顯著的力學(xué)性能各向異性，沿環(huán)件軸向（AD）和徑向（RD）方向的拉伸屈服強度明顯小于切向（TD）方向的拉伸屈服強度，且隨環(huán)件模鍛終

7、鍛成形溫度升高，沿環(huán)件AD方向的屈服強度由低于RD方向轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂赗D方向。分析認(rèn)為，環(huán)件中的變形織構(gòu)導(dǎo)致沿環(huán)件不同取向拉伸變形時的塑性變形機制不同，因而造成屈服強度的明顯差異，從而引起力學(xué)性能各向異性。
　　設(shè)計了一種不含稀土、時效強化型 ZCM721合金，研究熱擠壓變形及隨后的固溶+雙級時效處理對ZCM721合金組織性能的影響，并探索ZCM721合金的時效強化機制。結(jié)果顯示：ZCM721合金具有顯著的時效強化效應(yīng)。擠壓態(tài) ZCM

8、721合金經(jīng)過固溶+雙級時效處理后（420℃×2h+90℃×4h+180℃×16h），合金屈服強度顯著提高，與固溶態(tài)合金相比，時效態(tài)合金屈服強度提高幅度達~173MPa，時效態(tài)合金屈服強度高達~372MPa，優(yōu)于大部分高稀土含量鎂合金。合金在雙級時效處理過程中析出的大量垂直于(0001)基面的細(xì)小棒狀MgZn2相，是合金產(chǎn)生明顯時效強化效應(yīng)的主要原因。
　　對ZCM721合金進行環(huán)件鍛造成形，探索ZCM721合金環(huán)件鍛造成形過程中

9、的織構(gòu)演變機制，并比較時效態(tài) ZCM721合金環(huán)件與 AZ31鎂合金環(huán)件之間的力學(xué)性能。結(jié)果顯示：①環(huán)件中的變形織構(gòu)隨變形過程而逐漸發(fā)生變化。在多向鍛造預(yù)變形之后在坯料中形成典型的（0002）基面織構(gòu)，而在模鍛終鍛成形過程中，隨變形量增加，（0002）基面織構(gòu)強度先增加而后形成織構(gòu)基極由極圖中心向 RD方向偏轉(zhuǎn)~50°的非基面織構(gòu)。②時效態(tài)ZCM721合金環(huán)件沿TD、RD和AD方向的拉伸屈服強度分別為~360MPa、238MPa和200