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近年来随着人们对能源危机的认识和环保意识的增强,镁合金以其密度低,比强度高,导电导热性好,而且无毒,对环境无污染,易回收利用等优点在汽车、电子产品和航空航天等领域得到越来越广泛的应用,而变形镁合金的综合性能优于铸造镁合金,但在研究和应用上远远落后,因此很有必要加强变形镁合金的研究,进一步拓宽镁合金的应用范围。
本文选择了AZ80镁合金和三种不同晶体结构的镁锂合金,研究了AZ80镁合金在挤压过程中形成的织构;添加元素和热处理对AZ80镁合金结构和性能的影响,探讨分析了AZ80镁合金中Mg17Al12β相连续和不连续析出的行为及析出机理;AZ80镁合金的低温和高温变形行为,确定了合金的韧脆转变温度,分析了出现韧脆转变现象的原因,探讨合金在高温变形时发生的动态再结晶行为;研究了三种晶体结构镁锂合金的室温性能;并采用正交试验法研究了镁锂合金的高温变形行为,主要结论如下:
AZ80镁合金在热挤压过程中发生了动态再结晶,再结晶过后,合金组织细化并在挤压板表面形成{0001}择优取向,主要织构为(0001)〈1010〉,其中{0001}面在挤压方向上的择优取向强于挤压板横向;合金在挤压方向上的强度和延伸率都优于横向,性能上的差异主要是由织构引起的。
添加元素中Al可在AZ80合金中形成强化相β-Mg17Al12,Al含量增加,β相析出量增加,合金的强度增加而塑性降低;Ca的加入生成Mg2Ca相,大大提高了β相的高温稳定性,改变了挤压后β相的形貌和分布,提高镁合金的塑性但降低了强度;Nd和Mn加入合金后生成Mg41Nd5和Al3Mn相,在镁合金中沿挤压方向分布,由于数量较少,对镁合金的性能影响不明显。
410℃固溶处理2h后,β相即可全部溶解,固溶处理后合金的塑性显著增加,但强度有所下降。长时间的固溶处理会导致晶粒长大,性能下降。
AZ80镁合金中β相有两种,一种为颗粒状或菱形片状,以连续方式析出;另一种为片层状,以不连续方式析出。时效温度对β相的析出影响很大,高温(310℃)时效,β相以连续析出方式形核和生长。随着温度的降低,β相开始出现不连续析出,而连续析出方式受到较大抑制,主要是低温下连续β相的形核和生长较为困难。在较低的温度下,时效初期β相以不连续的方式析出,时效较长时间后,连续β相才会析出。两种β相对合金强度的影响相差很大,不连续析出的β相对合金的强化远大于连续析出β相,而颗粒状连续析出β相导致镁合金在变形过程中过早断裂,大大降低了镁合金的抗拉强度。
颗粒状连续析出β相在晶界及晶内孪晶界处形核和生长,与基体没有位向关系,长大至约2μm即停止生长;菱形片状β相在晶内均匀形核和生长,菱形面与基体的基面(0001)面平行,与基体的位向关系为:[2110]m//[111]p,(0001)m//(110)p和:[0110]m//[113]p,(0001)m//(110)p
不连续β相的析出机理为胞区沉淀析出机理,β相在晶界附近的晶粒内形核,与形核处的晶粒保持共格界面及一定的位向关系,并向晶界另一侧的晶粒内生长,生长的同时推动晶界向前移动,当生长到已析出β相区域时,生长停止,不连续析出β相与基体的位向关系同连续β相相同即:[2110]m//[111]p,(0001)m//(110)p和:[0110]m//[113]p,(0001)m//(110)p其中与基体保持前一种位向关系的不连续β相片层与基体基面(0001)面平行,而后一种则是与基体基面垂直。
AZ80镁合金的强度随着变形温度的降低而增加,塑性下降,在193K附近出现韧脆转变现象,变形温度低于193K时,合金的塑性显著下降。出现韧脆转变现象的主要原因是镁合金中位错在孪晶界处大量塞积,导致裂纹的萌生并沿孪晶和二次孪晶迅速扩展,导致合金塑性下降。
AZ80镁合金在高温下变形时将发生动态再结晶,导致合金的塑性增加、强度降低。动态再结晶是由于镁合金在变形过程中发生多滑移和交滑移,不同滑移系的位错相互缠结在晶内塞积形成亚晶界,位错滑移促使晶粒和亚晶粒的转动以协调镁合金的变形及缓解应力集中,晶粒转动导致相邻晶粒取向差增大,亚晶粒发展为新的晶粒。动态再结晶行为受温度及应变速率的影响很大,温度越高,应变速率越小,再结晶速率越快。动态再结晶后,镁合金的晶粒由初始的约30μm细化至5μm。
镁合金中加入锂元素后,导致镁合金的晶格常数减小,晶体结构由密排六方结构(HCP)向体心方结构(BCC)转变,增加了镁合金的塑性,但降低了强度,通过添加铝可有效提高合金强度。镁锂合金时效时导致合金退火,因此强度下降,塑性增加。
通过对三种镁锂合金高温变形的正交试验研究,确定了合金的最佳变形条件。双相镁锂合金在一定的条件下具有超塑变形的能力,延伸率超过350%,超塑变形后组织细化,织构消失。而在非超塑变形条件下,由于合金内存在的织构导致其塑性低于其它两种单相镁锂合金。