鑄軋鎂合金的變形工藝及其組織和力學(xué)性能的研究.pdf

1、鎂合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度，良好的阻尼減震性，優(yōu)良的機(jī)加工性能和易于回收利用，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前途的金屬結(jié)構(gòu)材料，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外材料界研究的熱點(diǎn)之一。進(jìn)一步提高鎂合金的綜合性能，滿足某些結(jié)構(gòu)件“以鎂代鋁”甚至“代鋼”的性能要求；改善鎂合金的塑性、減小各向異性，顯著改善其塑性成形能力；簡(jiǎn)化鎂合金制品的制備工藝，降低其生產(chǎn)成本，擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍，是國(guó)內(nèi)外研究的主要方向。 本論文主要針對(duì)鎂合金薄板制備難度大、性能較低且工藝

2、穩(wěn)定性較差、塑性較低且各向異性較大、塑性加工能力較差的問(wèn)題，采用雙輥鑄軋法制備鎂合金條帶坯料，利用軋輥的急冷作用及半固態(tài)條件下的塑性變形細(xì)化坯料組織及第二相，減少偏析，從而改善其塑性變形能力，并縮短鎂合金薄板制備工藝流程；通過(guò)軋制工藝參數(shù)及熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化，改善其綜合力學(xué)性能、減小各向異性并對(duì)鑄軋過(guò)程中鎂合金組織形成機(jī)理、溫軋及熱處理過(guò)程中組織演變及影響因素，以及軋制鎂合金的強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了分析，為鎂合金薄板的制備、鎂合金組織及性能控

3、制奠定了實(shí)驗(yàn)及理論基礎(chǔ)。 本文采用雙輥鑄軋（Twin Roll Casting，簡(jiǎn)記為TRC）法成功制備了厚度為3～3．5mm的ZK60和Mg-4．5Al-1．0Zn（簡(jiǎn)記AZ41）鎂合金條帶，確定了制備工藝參數(shù)：鑄軋溫度、軋輥轉(zhuǎn)速及預(yù)留輥縫寬度分別為640～680℃、5～6rpm、2mm（ZK60）及630～650℃、5～6rpm、2mm（AZ41），并分析了其顯微組織及形成機(jī)理。研究結(jié)果表明，雙輥鑄軋鎂合金的組織呈枝晶狀，枝

4、晶間分布著細(xì)小的第二相，條帶近表面有激冷區(qū)。鑄軋過(guò)程中軋輥的急冷作用及半固態(tài)條件下的塑性變形導(dǎo)致鑄軋鎂合金的晶粒組織比傳統(tǒng)鑄錠法的組織顯著細(xì)化，且晶界第二相尺寸也顯著減小，分布均勻性明顯改善，從而顯著改善鎂合金的塑性變形能力。 通過(guò)討論溫軋工藝參數(shù)對(duì)鑄軋ZK60鎂合金組織和性能的影響，確定了0．5mm厚ZK60鎂合金薄帶制備的最佳軋制工藝，即先將3．5mm厚的鑄軋條帶在350℃軋制到1mm，1mm厚薄帶在350℃退火30min，

5、然后再在300℃下軋制到0．5mm，道次間壓下量為30％，道次間退火溫度為軋制溫度，保溫時(shí)間為5min。溫軋變形改變了TRC鎂合金的組織形態(tài)，由枝晶狀變?yōu)槔w維狀組織，晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，且薄帶內(nèi)部有剪切帶、位錯(cuò)及孿晶產(chǎn)生。在軋制溫度為350℃以上時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。隨著軋制溫度的降低、道次間壓下量及總變形量的增加，鎂合金的組織細(xì)化且剪切帶的密度增加，鎂合金的強(qiáng)度及硬度增加。在優(yōu)化軋制工藝條件下，ZK60鎂合金薄帶的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和

6、伸長(zhǎng)率分別為510MPa、441MPa和11．3％。 通過(guò)分析退火、固溶、時(shí)效等熱處理過(guò)程中溫軋ZK60鎂合金薄帶的組織轉(zhuǎn)變及其對(duì)性能的影響，確定了ZK60鎂合金薄帶最佳熱處理工藝參數(shù)：退火熱處理-375℃×103s； T6熱處理-375℃×3hrs+175℃×10hrs。在300℃及以上溫度退火過(guò)程中有靜態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，隨著退火溫度升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，再結(jié)晶晶粒比例增加，得到均勻細(xì)小的等軸晶，繼續(xù)提高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒明

7、顯長(zhǎng)大。退火處理使硬度及強(qiáng)度有所降低，但塑性明顯提高，在最佳退火工藝條件下，ZK60鎂合金薄帶的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別為388MPa，301MPa和22．9％。適當(dāng)?shù)腡6處理可獲得均勻細(xì)小的等軸晶組織（平均晶粒尺寸為6．7μm），且顯著減小了ZK60鎂合金薄帶力學(xué)性能的各向異性，其三個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的偏差分別為23MPa、10MPa和1．0％。 軋制態(tài)ZK60鎂合金薄帶表現(xiàn)出強(qiáng)的（0001）基面織構(gòu)，由

8、于試樣內(nèi)部存在高密度剪切帶，使其織構(gòu)分布向垂直于軋制方向分散。隨著軋制溫度降低、軋制變形量和道次間壓下量增大，（0001）基面織構(gòu)的最大極密度增加。溫軋變形過(guò)程中產(chǎn)生的（0001）基面變形織構(gòu)對(duì)合金起到強(qiáng)化作用。 研究熱處理過(guò)程中ZK60鎂合金的相析出行為得知，退火處理后晶粒內(nèi)部只有圓盤狀的顆粒析出，而適當(dāng)工藝參數(shù)的T6處理后薄帶內(nèi)部既有圓盤狀的顆粒也有桿狀的顆粒析出。這些強(qiáng)化相的析出有利于提高材料的組織均勻性和抗高溫軟化能力。

9、無(wú)論是退火過(guò)程的圓盤狀析出相還是T6處理過(guò)程的圓盤狀析出相，均含有Zn元素和Zr元素，而桿狀的析出相僅含有Zn元素不含Zr元素。另外，Zr還有一部分均勻分布在基體中，起到細(xì)化晶粒的作用。 溫軋變形ZK60鎂合金變形過(guò)程中存在三種強(qiáng)化機(jī)制：細(xì)晶強(qiáng)化、第二相粒子強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化，三種強(qiáng)化機(jī)制分別在溫軋變形的不同階段起主導(dǎo)作用，在共同的強(qiáng)化作用下提高鎂合金的強(qiáng)度。在三種不同強(qiáng)化機(jī)制共同作用的同時(shí)，溫軋變形過(guò)程中產(chǎn)生的（0001）基面變形