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《南京理工大学》 2010年
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背压对镁合金等径角变形的作用

康锋  
【摘要】: 镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料,其优异的性能备受关注,被广泛的应用于航空航天、汽车、电子产品等领域。但是因其密排六方结构,室温下可开动的独立滑移系较少,导致镁合金在室温下塑性很差。目前许多学者采用等径角变形技术(Equal channel angular pressing,简称ECAP)来细化晶粒,提高镁合金的塑性。虽然通过ECAP晶粒细化的方法可以有效地改善镁合金挤压棒材的塑性,但是镁合金挤压棒材在前几道次(尤其是初始道次)ECAP变形后强度会明显降低,多道次ECAP后有时会产生强度的有限提高。因此,ECAP同时提高镁合金挤压棒材的强度和塑性比较困难。另外,为了防止ECAP变形过程中试样表面开裂,目前的大多数研究中镁合金的ECAP变形通常在较高的温度进行,而ECAP晶粒细化希望低的变形温度,因为晶粒的细化程度取决于硬化和变形中晶体缺陷的累积;变形温度高则回复快,晶体缺陷消失速度快,不利于晶粒的细化,甚至还会出现晶粒长大现象。因此,ECAP温度高,则晶粒细化效果差。 针对镁合金ECAP变形存在的问题,本文将采用背压-等径角变形技术(Equal channel angular pressing with back pressure,简称BP-ECAP),来制备高强度高塑性的镁合金。在背压(静水压力)的作用下,难变形金属可以在较低的温度下发生塑性变形而不产生裂纹,同时可以明显的细化晶粒,材料的机械性能也可以显著提高。 本文从研究方法上可以分为实验和模拟两部分。实验部分包括:热压缩实验用来获得一定范围内镁合金的应力-应力曲线;ECAP变形用来研究镁合金在低变形温度下的变形与断裂行为;BP-ECAP变形制备高性能镁合金;采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)分析ECAP、BP-ECAP变形过程中的组织演变规律,探究BP-ECAP变形过程中镁合金的变形机制;采用静态拉伸、压缩设备测试ECAP、BP-ECAP变形后镁合金的力学性能;采用X射线衍射技术分析ECAP、BP-ECAP变形过程中织构的演变,分析织构对镁合金组织与性能的影响。模拟部分包括不同变形条件下镁合金的ECAP和BP-ECAP变形的过程模拟,以及镁合金ECAP变形过程中裂纹萌生、扩展模拟,并与实验结果对比,分析背压(静水压力)对镁合金ECAP变形塑性变形区大小,交角间隙,变形均匀性的影响,取得以下主要结论: (1)施加背压促使AZ31镁合金挤压棒材ECAP变形后织构强点发生分裂,TEM观察证实这是由于c+a锥面滑移开动造成的;这为静水压力能改变金属材料的变形机制提供了直接证据,为理解静水压力下金属塑性变形本质开辟了新的窗口;同时,静水压力促进c+a锥面滑移开动,对改善镁合金的塑性变形能力具有十分重要的作用。 (2)与不加背压的ECAP变形加工相比,AZ31镁合金挤压棒材经加背压的ECAP变形加工后,强度和塑性同时显著提高;这是由于背压ECAP更加显著的晶粒细化及背压ECAP带来的织构分裂降低了织构软化的作用。这解决了镁合金挤压棒材ECAP变形后强度降低的问题,为镁合金的变形强韧化提供了一条新的途径。 (3)通过建立AZ31镁合金的本构关系和断裂判据,实现了对ECAP、背压ECAP变形过程的有限元模拟,特别是裂纹的萌生和扩展过程。 (4)通过实验和模拟建立了AZ31镁合金ECAP变形加工窗口。有限元模拟分析证实了施加背压可以有效地控制裂纹的扩展、仍至裂纹的产生,可以使AZ31镁合金在较低温度下进行ECAP变形而不出现裂纹,从而扩大了AZ31镁合金ECAP的加工窗口。 (5)在相同变形温度和速度条件下,施加背压显著提高了镁合金ECAP晶粒细化效果。这是由于c+a锥面滑移的开动,促进了合金中的晶体缺陷累积,增强了晶粒的变形细化。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG379

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