AZ91镁合金等径角挤压前后组织性能分析

AZ91镁合金等径角挤压前后组织性能 毕业(论文)开报告 题 目: AZ91镁合金等径角挤压前后组织性能分析 学 院: 机械工程学院 专 业: 材料成型及控制工程 学生姓名: 刘集思 学 号:201102050119 指导老师: 吴安如 2015年 3 月 20 日 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告 文 献 综 述 0 引言 镁基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、导热和导电性好,极好的减震性能、 优良的阻尼性和易于加工成形和回收等优点，电磁屏蔽性、越来越广泛地应用于航空航天、汽车、3C电子、环保等领域。目前关于镁基复合材料的研究工作主要集中于材料组成、制备工艺和材料组织及性能等方面。等径道角挤压( equal channel angular extrusion，ECAE)工艺是指将材料进行强烈的纯剪切变形，而横截面尺寸基本保持不变，通过反复进行挤压，从而积累大量应变，细化材料晶粒。 等径道角挤压工艺是 Segal 教授于 1972 年在研究钢的变形组织和微观组织时，为了获得纯剪切应变而发明的一种剧烈塑性变形加工技术。进入20 世纪 90 年代后，俄罗斯的 Valiev 发现该技术可使材料产生大应变，从而细化多晶材料的晶粒，获得亚微米或纳米级的超细晶结构，其利用 ECAE 技术加工铝合金，随后在高应变速率和350?下采用超塑性成形加工出了内燃机活塞，大大提高了零件的生产效率，具有重要的现实意义。日本的 Yoshinori 等人研究了 ECAE 加工时不同道次间坯料加入方向对材料剪切变形特征晶粒形貌的影响。美国南加州大学研究了 ECAE 加工模具设计对材料变形均匀性的影响;韩国学者在不同道次下变形均匀性方面也作了较充分的研究。科研工作者通过对ECAE法制备工艺、ECAE材料性能以及应用的研究，对铝、铜、钛、铝合金、低碳钢等多晶体金属在 ECAE 技术下微观结构和力学性能有了初步的认识。经 ECAE 挤压后的镁合金具有极细的晶粒结构并表现出与众不同的力学行为，如高的屈服应力、大幅度提高的塑性以及具有低温超塑性和高应变速率超塑性等特征，其变形机理也发生了改变，一些高温变形机理，如非基面滑移、晶界滑移等，因此，在室温下亦可发生。众多学者已经开始研究 ECAE 技术在镁合金加工中的应用，并对镁合金 ECAE 过程中的变形机理和变形规律展开了研究。 1 等径道角挤压 1(1 基本原理 所谓法，既等径道角挤压，是通过个轴线相交且截面尺寸相等的通道，将加 ECAE2 工材料挤出。因通道的转角作用，在加工过程中材料发生剪切变形，使变形材料产生大的剪切应变，并由此导致位错的重排，从而使晶粒得到细化。与传统的大变形塑性加工工艺相比较，用利加工镁合金具有以下优点，能够使挤压的材料承受很高ECAE 的塑性变形，而同时又不改变样品横截面面积;经多道次挤压后的试样的组织结构均匀，性能得到提高;可通过热加工与动态回复、动态再结晶的组合工艺达到晶粒细化; 在低温条件下使金属材料的微观结构得到明显的细化，从而改善铸态组织，大大提高其强度和韧性;通过调整剪切面和剪切,,向可以获得不同的组织结构。 6 1(2 工艺参数 在镁合金挤压过程中，影响材料组织和性能的工艺参数众多，主要包括模 ECAE 具结构、挤压路径、挤压道次、挤压温度和挤压速度等。此外，挤压前初始镁合金材料的微观结构和相组成等，对挤压后材料的微观组织和力学性能也有重要,ECAE 7—,的影响。8 1(2(1 模具结构 模具结构参数包括:两通道的夹角φ、内侧过渡圆弧半径和外侧夹角ECAE r ψ、外侧圆弧半径,(如图所示)。试验研究表明，上述几个参数对挤压材料每 1 道次的应变量和挤压后材料的显微组织均有一定的影响。其中，较小(如?)时， 90 每道次可以获得较大的应变量，特别是靠近通道内侧部分的应变量;过小，在挤压 r 转角内侧形成未充型区会(即材料难以完全填充挤压孔径);随着ψ值的减小，理论 上每道次可获得较大的变形量，ψ过小但会在挤压材料外侧形成难变形区，不利于挤压材料组织的均匀化;而,的减小也有利于内外两侧的变形，在理想状态下,时能= 0产生最大的剪切应变，但,不能过小，否则会增大挤压力，加速模具磨损,,提高对9设备的要求。 图1 等径道角挤压模具示意图 1(2(2 挤压路径 在ECAE过程中，每次重复挤压之间试样所旋转的方位称为挤压路径。挤压路径对ECAE 挤压材料的组织和性能也有重要影响。常用的挤压路径有4种(如图2所示)，: A 路径(每道次试样均不转动);即B A 路径 ( 试样每道次交叉转动 90?);B C 路径( 试样每道次同向转动 90?);C 路径(试样每道次转动180?)。挤压路径对 ECAE 的影响关键在于不同的挤压路径具有不同的剪应变几何特征。研究表明，沿路径B C挤压后，试样具有最佳的显微组织结构，路径 C 次之，而路径 A 与路径 B A 最差。 这是因为在路径 A 与路径 B A 的挤压过程中，多道次重复挤压会导致在垂直于挤压出口方向平面上的材料形状发生极大的扭曲，从而抑制了材料显微结构的发展，不利于材料力学性能的提高。 1(2(3 挤压道次 ECAE 挤压道次对镁合金的显微组织也有重要影响。大量的研究表明，对于不同系列的镁合金，无论采用何种挤压路径，经过一个道次的挤压后，晶粒均可得到明显的细化，所得晶粒多为条带状。而后[10,随挤压道次增加，逐渐变为均匀细小的等轴晶。 1(2(4 挤压温度和速度 在 ECAE 挤压中， 挤压温度对镁合金的微观组织和力学性能也有一定的影响。研究表明，随着挤压温度的升高，晶粒细化效果减弱。这主要是因为晶粒在高温挤压过程中发生了长大，抵消了由剪切变形带来的晶粒细化。而温度过低(对于不同系列的镁合金各不相同，一般不低于 473 K)时，则会在挤压试样表面出现裂纹，甚至无法成功实现挤压,11,。 2 ECAE镁合金组织与性能的变化 2. 1 ECAE对镁合金微观组织与结构的影响 大量的研究表明[ 9 ,12 - 15 ]，镁合金经过 ECAE挤压后，可得到均匀细小的等轴晶，但随着 ECA E工艺参数和挤压镁合金的初始显微组织的不同，最终所制得试样的显微组织亦有很大的不同 。 A kihiro Yamashit 等[ 12 ]对Mg-0.9Al合金分别在473、573、673K 下经 ECA E 挤 压后发现，随着挤压道次的增加，其晶粒尺寸均有所减小，但在673K挤压的变化很小，573 K挤压的在第一个道次明显细化后 ,晶粒尺寸便几乎不再发生细化，而475 K挤压的第一个道次的细化效果较前两者更加明显，且在第二个道次仍有晶粒细化。可见在温度较低时，晶粒长大有限，细化效果明显，而温度较高时，则细化效果较弱。在经过一个挤压道次后，随着挤压道次的增加，晶粒尺寸不再明显减小。这主要是由于在挤压过程中发生了再结晶，所以在各种条件下经过ECA E挤压的镁合金的晶粒尺寸均得到减小，而且再结晶还导致了等轴晶的均匀分布 。 由于镁合金其室温塑性变形能力差，因此 ,对镁合金进行ECA E挤压时,通常在较高的温度下进行的。但是当温度过高时，会出现晶粒长大现象，减弱了ECA E细化晶粒的效果，而温度过低又会导致挤压试样开裂。所以，为了取得较佳的挤压效果，应 该选取合适的温度。Akihiro Yamashita 等[ 12 ] 研究发现对于纯镁其挤压温度至少为673k而Mg-0. 9 %Al 至少为473 K。Kim等[ 9 ]对A Z61镁合金研究发现，其挤压温度至少为548 K 。 此外，ECA E 挤压温度还影响挤压过程中镁合金织构的形式。根据 Yu Yo shi等[ 13 ]对A Z31镁合金的研究，在473K进行挤压时形成了基面与挤压出口方向成45? 的织构 ,而在573 K进行挤压时则基面趋向于平行于挤压出口方向。 镁合金 ECA E 挤压试样的初始组织结构对挤压后的显微组织结构亦有一定的影响。Kim等[ 9 ]对经常规挤压后的A Z61镁合金的研究表明，对于挤压制得的试样其晶粒由4 , 6μm的细晶和15,20μm 的粗晶组成，沿B C路径经4个道次挤压后，其晶粒才开始变得均匀，经过 8 个道次后 ,得到均匀细小的等轴晶，其晶粒大小约为 8 μm ;而对于经过在400?进行24 h退火处理的试样 ,其晶粒大小超过 400μm ,分别沿B C和A路径经8个道次挤压后，其晶粒大小约为23μm。这表明ECA E 挤压前镁合金试样的晶粒越细越均匀，挤压后其晶粒也越细，组织越均匀。 2. 2 ECAE 对镁合金力学性能的影响 经过 ECA E 挤压后 , 镁合金晶粒得到细化 , 根据Yu Yo shida等[ 13 ]发现ECA E挤压后A Z91 镁合金强度和晶粒尺寸的关系为:σ0. 2 = 30 + 0. 17 d - 1/ 2 。由此可见，对于镁合金其系数较大，那么，根据该关系式，晶粒的大小应该对镁合金强度的影响较大。 但是，大量的研究表明[ 5 ,9 ,12 ,17 ]，经过 ECA E 挤压后的镁合金，虽然断裂伸 长率得到很大提高，但强度并未发生明显的改善甚至略有降低。这主要是因为在 ECA E 挤压过程中形成的织构的弱化作用超过了晶粒细化的强化作用 , 而晶粒细化又激活了更多的滑移系的结果 。 根据 Yu Yo shida 等 [ 13 ] 的研究，在 ECA E 挤压过程中 ,根据基面的取向可将 ECA E 形成的织构分为两种类型，一种为在约473 K的中低温下，形成基面平行于剪切面与挤压方向成 45?的织构，另一种为在约 573 K 的温度下，形成基面平行于挤压方向的织构。上述两种类型的织构，其 c 轴均在与剪切面法向成 30?的范围内变化。拉伸试验时发现具有前一种类型织构试样的强度较后者的低，由此亦可推知前者更容易发生基面滑移，这是因为在与拉伸方向成45?的基面上具有最大的剪切力，从而导致材料的抗拉强度和屈服强度均明显降低，而断裂伸长率才得到提高对于具有后一种类型结构的试样来说，由于其基面平行于拉伸方向，所以当沿挤压方向进行拉伸时，其基面 Schmid 因子为0，在基面上几乎没有剪切应力，也就难以发生基面滑移 。 虽然在不同的温度下进行 ECA E 挤压 , 镁合金的晶粒均可得到细化 , 但其强度并未明显提高 。在低温经 ECA E 挤压的镁合金试样 , 其强度比未经ECA E 挤压的试样略低但断裂伸长率却明显得到提高;而在高温 ,强度虽有所提高但断裂伸长率却比较低。根据上述分析可知，这主要是因为在不同的温度下进行 ECA E 挤压时，形成的织构不同所引起的。Kim 等 [ 9 ] 研究发现，随着挤压过程的进行，A Z91镁合金的初始纤维织构被分解，并随挤压道次的增加逐渐形成新的织构 , 其结果说明织构软化 超过了由晶粒细化所产生的强化。同时，织构分析也表明，经8个道次挤压的 ECA E试样在拉伸试验过程中沿拉伸方向明显的应变强化是因为激活了两个甚至更多的滑移面的结果。Huang等[ 10 ] 根据粉末试样的XRD谱，研究了ZK31及A Z31镁合金分 别在523 、573 K沿B C路径经4个道次挤压后所形成的织构的强弱 ,亦发现挤压不同 ,所形成的织构也不相同 。 因此，经 ECA E挤压后具有均匀细晶结构的镁合金 ,其抗拉强度和屈服强度以及断裂伸长率均与其晶粒取向存在着一定的对应关系。而晶粒的取向随ECA E 挤压温度的不同而变化 ,进而又影响到强度和断裂伸长率的变化 ,对屈服强度的影响尤为明显[ 10 ] 。 此外，ECA E 挤压路径对挤压后镁合金的力学性能也有一定的影响。根据 ECA E 挤压过程的剪切变形特征可知，经过不同的挤压路径和挤压道次后，材料在变形过程 中的几何形状亦不相同 ,即变形过程中的织构演化规律亦不相同，使挤压后材料力学性能的变化亦不相同 。Kim 等 [ 9 ] 发现，A Z61镁合金 ( 常规挤压后在 673 K 退火 24 h ) 在 548 K 沿BC路径和 A 路径，经不同道次挤压后，其晶粒尺寸均减小且变化较一致;沿B C路径的屈服强度下降较大，而A路径的变化则不明显，甚至在8个道次后有所增加;经1个道次挤压其抗拉强度得到较大提高，而在8个道次后，与第一个道次相比B C路径的略有降低而A路径的有所提高;断裂伸长率在经过一个道次挤压后两者均有很大提高后;而随着挤压道次的增加，基本不再发生变化，经8个道次后，B C路径的仅比A路径的高3 % 。Agnew 等对A Z31B 镁合金沿B C 路径进行了挤压研究，亦得到了类似的结论。Chang 等对 A Z31 和 A Z61 镁合金沿C路径挤压进行的研究表明，在第一个挤压道次后抗拉强度剧增，随挤压道次的增加屈服强度逐渐降低，但抗拉强度却略有增加，特别是与退火后的试样相比，更加证明了在由应变硬化而引起强度提高的同时，其韧性并未降低 ,断裂伸长率得到了较大的提高。 对于含多相结构的镁合金，经ECA E挤压后其强度和韧性的变化则与上述规律有所不同 [ 15 ,16 ] 。Liu等[15]在403k对Mg-8%Li-1%Al合金研究发现，其强度随挤压道次的增加而提高，而应变硬化和断裂伸长率在第一个挤压道次后则大大降低，但随 后则随着挤压道次的增加逐渐增加 。 3 结论 ECA E 作为一种先进的细晶材料制备工艺，是一种简单而有效提高具有密排六方结构镁合金材料室温力学性能的方法。经过 ECA E 挤压所制得的镁合金材料，晶粒得到细化，塑性得到提高，可以在较低的温度和较高的应变速率下实现超塑成形，因此，极具工业应用价值。有关 ECA E 对镁合金微观结构、力学性能的影响以及 ECA E 过程镁合金的变形机理和变形规律的研究已取得了一定的成果，但目前的研究主要集中在少数几个系列的镁合金中，而对含有两相或多相的镁合金 ECA E 研究还甚少，对镁基复合材料的 ECA E 研究还未见报道。因此，为了进一步扩大镁合金的应用范围，进一步了解ECA E 过程中镁合金的变形特征，还有待深入研究。 参考文献 参考文献: ,1,何运斌，潘清林,刘晓艳,镁合金等通道转角挤压等(过程中的晶粒细化机制,J, 中国有色金属学报，2011，21(8):1785—1793( ,2,张国定，赵昌正(金属基复合材料,M,上海:上海交通大学出版社,1996 ,3,LUO Alan，,ENAUD Jean，NAKATSUAWA Isao,al.etMagnesium Castings for Automotive Applications,J,(1995，47(7):28(JOM， ,4,徐平姣(等径弯角挤压工艺( ECAEP)研究现状,J,.南方金属，2003( 6): 9—13( [5] 李继忠，丁桦(镁及镁合金等通道转角挤压研究进展及发展趋势 [J,材料与冶金学报，2011，10(1):39—43( [6,孙爱民(等通道转角挤压,提高材料性能的有效方法, J,.上海钢研，2004( 1): 19—25( [7] 周军，宋宝来.镁合金 ECAE 织构的研究进展,J,有色金属加工， 2006( 12) : 7—9( [8,VALIEV , Z，LANGDON T G( Principles of Equal,channel Angular Pressingas a Processing Tool for Grain,efinement,J,(Progress in Materials Science， 2006，51(7):881—981( [9,张小明.ECAE 技术在镁合金加工中的应用,J,(稀有金属快报，2002( 3):25—26( [10,FIGUEI,EDORB,LANGDON T G.Strategies for Achie-ving High Strain ,ate Superplasticity in Magnesium Alloys Processed by Equal , channel Angular Pressing ,J, Scripta Materialia，2009，61(1):84—87( [11,DINGSX，LEE WT，CHANGCPI.mprovement of Strength of Magnesium Alloy Processed by Equal Channel Angular Extrusion,J, Scripta Materialia，2008，59(9) : 1006—1009( ,12, 姜巨福， 王迎，罗守靖，等( AZ91D 镁合金托弹板半固态触变模锻研究,J, ( 材料科学与工艺，2007，15(5): 658—661( [13,李继忠,张念先,丁桦，等(温度对AZ80镁合金等通道转角挤压组织性能的影响[J,塑性工程学报，2011，18( 3):20—23( [14,路君，靳丽，董杰，等(等通道角挤压变形AZ31镁合金的变形行为,J,中国有色金属学报，2009,19(3):424—432( [15,丁文江，靳丽,吴文祥，等(变形镁合金中的织构及其 优化 设 计,J, 中 国 有色金属学报，2011，21(10):2371—2381( ( ( ( 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告 ,(开题报告:一、课题的目的与意义;二、课题发展现状和前景展望;三、 课题主要内容和要求;四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告 一、课题的目的与意义 镁合金因具有重量轻、比强度和比刚度高、优良的阻尼性能、较好的尺寸稳定性和机械加工性能及较低的铸造成本等显著优点，广泛应用于航空航天、汽车和电子等行业。但镁合金密排六方的晶体结构决定了其较差的塑性变形能力，严重制约了镁合金的应用。如何提高镁合金的塑性变形能力已成为镁合金研究的热点。实践证明细化晶粒可改善镁合金的塑性变形能力[21]越多的细化镁合金晶粒的工艺得到了深入的研究。其中等通道转角挤压技术(ECAP)是大塑性变形技术(SPD)中发展最为迅猛的技术之一。与其他工艺相比，用ECAP产生剧烈塑性变形的工艺并不复杂，且不改变工件的形状尺寸，可以连续多道次挤压来累积变形量达到细化晶粒的目的，能够制备出块状致密的超细结构材料，因而备受人们的关注。目前ECAP技术在铝及铝合金中的研究较多，而在镁合金方面的研究则相对较少。 二、课题发展现状和前景展望 研究现状和发展趋势;目前，镁合金ECAP工艺的研究主要集中在传统的试验条件下，而在试验条件优化方面的研究相对较少。试验条件的优化对于改善镁合金ECAP工艺的试验效果有着重要的作用。KXia等在ECAP过程中加上50MPa的背压，在0.2mm,min的挤压速率下成功地在373K实现了镁合金的ECAP工艺过程。背压的利用有效地抑制了裂纹的形核和长大，极大地提高了镁合金的低温塑性成形能力。且B2路线8道次后，AZ31镁合金晶粒细化到1um以下。K(Matsubara等则认为镁合金ECAP过程中的试样开裂大多发生在第一、二道次，而常规挤压会生成织构和细化晶粒，有利于ECAP过程的进行。他们以先常规挤压后ECAP的两步法，通过挤压把Mg-9,A1合金的晶粒由50um细化到 12um，然后在473K两道次ECAP后细化到0(7u m，且合金的低温超塑性和高应变速率超塑 性性能良好。H(Lin等I21l也以AZ31镁合金先以1道次473K时的常规挤压把晶粒从75um细化到2.5um，然后在373K以8道次ECAP把晶粒细化到0.7um。可以看出，试验条件的优化对于改善等通道转角挤压的试验效果起到了明显的作用。 三、课题主要内容和要求 1、课题主要内容 (1)选择合适的镁合金材料。 (2)采取合适的挤压工艺，如:模具通道夹角，挤压路线，挤压温度等。 (3)进行实验。 (4)实验结果分析:等径角挤压对组织和力学性能的影响。 (5)得出结论。 2、课题主要要求 (1)对AZ91镁合金进行等径角挤压，采取合适的工艺路线。 (2)用扫描电镜对挤压前后镁合金组织及拉伸断口进行观察。 (3)测试挤压后力学性能的变化，比较不同道次挤压的区别。 (4)对微观组织进行分析。 (5)撰写毕业设计说明书，完成全部研究工作和毕业论文。 四、研究方法、步骤和措施 1、查阅资料 查找设计所需的资料，资料的内容要有深度，要具有参考意义。 2、熟练掌握设计所需的内容 复习以前所学设计有关的专业知识，并熟练的运用到设计中去。还要学习一些设计 中所用到的其它方面的知识，如用扫描电镜对微观组织进行观察，拉伸试验等方法。 3、设计内容 (1)对AZ91镁合金进行等径角挤压，采用不同道次; (2)对挤压前后微观组织进行观察; (3)测试断口前后力学性能的变化。 4、具体设计步骤 (1)确定实验和研究方法; (2)选用合适的等径角挤压工艺; (3)采取不同的挤压道次对镁合金进行挤压; (4)对挤压前后微观组织进行分析; (5) 通过拉伸实验来测试挤压前后力学性能的变化; (6) 对实验结果进行分析，并得出实验结论。 毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告 指导教师意见: 1(对“文献综述”的评语: 2(对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计(论文)结果的预测: 指导老师: 年 月 日 所在专业审查意见: 负责人: 年 月 日