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《哈尔滨工业大学》 2017年
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AZ31镁合金多道次轧制板材的显微组织及力学性能

刘迪  
【摘要】:镁合金具有广泛的应用前景,尤其在航空、航天及汽车工业等领域,可以作为替代钢和铝合金部件的轻质材料。但是由于其密排六方的晶体结构,在室温条件下伸长率和成形性都很差,限制了其广泛的应用。因此,探索出一条既能获得良好性能,又适用于工业化生产的镁合金制备工艺,有利于促进镁合金的应用和发展。本文以目前应用最广泛的AZ31镁合金为研究对象,以最简单的双辊同步轧制为研究手段。系统研究了 AZ31镁合金铸态板坯的多道次降温热轧工艺,多道次连续温轧工艺和大道次变形量的多道次冷轧工艺。同时分析了 AZ31镁合金板材单道次轧制过程中轧制温度和道次变形量对板材的组织演化和力学性能的影响规律。详细分析了 AZ31镁合金轧制板材的微观组织(如晶粒尺寸,位错密度和孪晶等)、织构(织构强度和平均Schmid因子)对板材力学性能的影响。成功制备出屈服强度为357 MPa,抗拉强度为393 MPa的高强度AZ31镁合金板材。得到了单道次冷轧变形量大于41%并且板形良好的AZ31镁合金薄板,实现了 AZ31镁合金板材的大道次变形量冷轧工艺。通过本文的研究探索出了一条适合于工业化、大批量生产的AZ31镁合金薄板的轧制工艺路线。采用不同道次变形量(15%、20%、25%和30%)的多道次降温热轧工艺,对厚度为26 mm的AZ31镁合金铸态板坯进行开坯轧制,得到厚度为4 mm的终轧板材。轧制后得到的板材与初始铸态板坯相比,晶粒得到显著的细化,力学性能得到明显的改善。当道次变形量为30%时,轧制板材的平均晶粒尺寸最小为21.5μm,此时板材具有最高的伸长率24.7%,同时具有126.1MPa的屈服强度及242 MPa的抗拉强度。综合考虑生产效率,应优先选用30%的道次变形量进行AZ31镁合金板材多道次降温热轧实验。系统研究了轧制温度为150-300 ℃,道次变形量为10-60%的AZ31镁合金单道次轧制工艺及轧制板材的微观组织及力学性能的演化规律。随着道次变形量的增大,板材的织构类型会经历形变织构→混合织构(形变织构+再结晶织构)→再结晶织构的转变。织构强度随着轧制温度的升高逐渐减弱,而随着道次变形量的增大呈现先减小后增大的趋势。采用大的道次变形量和低的轧制温度可以获得组织更加细小的板材。当轧制温度为250 ℃时,板材的组织细化效果最明显,并且组织均匀性良好;当道次变形量在30-40%范围内时,板材具有最优的力学性能。同时成功制备出屈服强度为357 MPa,抗拉强度为393 MPa的高强度AZ31镁合金板材。分析了平均晶粒尺寸和平均Schmid因子对板材力学性能的影响,提出考虑了平均Schmid因子的Hall-Petch关系式:σ_(s-t)=(0.3/mt(σ_0+kd~(-1/2)),该公式反映了板材的组织和织构共同作用下屈服强度的变化规律。通过理论计算,量化了固溶强化,晶界强化和位错强化三种强化机制对轧制板材强度的贡献。同时分析了导致轧制板材力学性能各向异性的原因。除了织构的影响外,由于位错的分布具有方向性,垂直于该方向变形会比沿着该方向变形使位错产生更多的缠结,因此进一步影响了板材力学性能的各向异性。另外,引入了方向性因子κ = f(ε),基于实验拟合,当κ在轧制方向取为1,在横向取为κ = 1 + 1n(h/H)时,理论计算得到的强度值与实验值符合的很好。为了进一步提高AZ31镁合金薄板的轧制效率,改善其板形质量,基于织构组织的控制,研究了 AZ31镁合金板材的大道次变形量冷轧工艺。通过设计合理的多道次降温热轧工艺及多道次连续温轧工艺,得到了织构强度很弱(仅为一般轧制板材的1/3-1/2)且大部分晶粒处于软取向的2 mm厚AZ31镁合金薄板。利用此板材进行单道次冷轧实验,最大的道次变形量可以达到41%。经过三道次冷轧,两次中间退火和一次最终退火可以获得厚度为0.55 mm,屈服强度为150 MPa,抗拉强度为300 MPa,伸长率接近20%的板形良好的AZ31镁合金薄板。使AZ31镁合金室温单道次冷轧变形量提高了近3倍,极大的提高了镁合金的冷轧生产效率。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG339;TG146.22

【参考文献】
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