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《山东大学》 2012年
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变形镁合金的挤压工艺及其组织和力学性能的研究

余晖  
【摘要】:镁合金具有低密度,比强度、比刚度高,阻尼减震性良好,优良的机加工性能和可循环利用,在交通运输,航空航天,计算机通讯和消费电子产品等行业中具有广阔的应用前景,被誉为“21世纪最具发展前途的金属结构材料”,也成为近年来国内外材料界研究的热点之一。变形镁合金比传统铸造镁合金拥有更高的综合性能,应用范围也更加广泛。如何进一步提高变形镁合金的综合性能,满足某些结构件“以镁代铝”,甚至“代钢”的性能要求;减小各向异性,改善镁合金的室温塑性成形能力,简化产品制备工艺,提高生产效率,降低生产成本,扩大镁合金的应用范围是国内外研究的主要方向。 本文针对常用ZK60商用镁合金不能满足高速挤压的需求,通过合金设计和高温热压缩实验,系统的研究了添加不同含量Ce和Cu元素(0.5,1.0,1.5wt.%)ZK60镁合金的高温塑性变形行为,获得了相关的流变应力应变曲线,并分别运用多步回归模型和人工神经网络模型构建了包含应变在内的本构关系方程。结合构建的合金热加工图详细研究了合金在压缩变形中的流变行为和显微组织演变特征。同时还通过挤压实验,系统的研究了两种合金元素和挤压工艺条件对材料组织和性能的影响。在此基础上,成功实现了ZK60-1Ce合金的10m/min高速挤压。 研究发现,ZK60及其添加Ce、Cu元素后的合金在进行高温压缩热变形过程中的流变应力变化规律是先随着真应变的增加到达峰值后又逐渐降低至某一稳态值,表现出较明显的动态再结晶特征。当变形温度一定时,流变应力随应变速率的增大而增大;当应变速率一定时,流变应力随变形温度的升高而降低。在较高的温度和较低的应变速率下变形时,流变应力达到峰值后基本表现为稳态流变特征。基于双曲正弦本构关系模型,建立了固溶态ZK60合金的相关本构方程。同时采用多步回归模型和人工神经网络模型预测了ZK60及其添加Ce、Cu元素后合金的高温流变应力,两种模型的预测结果与实验值吻合的较好。ZK60的高温压缩变形是以位错攀移为控制机制。Ce和Cu元素的加入可提高合金的峰值应力、临界应力和门槛应力,且这些值都随着变形温度的增加而降低。绘制出ZK60及其添加Ce、Cu元素合金的热加工图,发现ZK60及ZK60-0.5Ce合金都在低温高应变速率区出现变形失稳,表现为试样表面出现裂纹,显微组织由孪生与局部流变带构成,同时也得到添加不同合金化元素后ZK60合金的最佳加工条件。添加小于1.0wt.%含量的Ce可提高ZK60合金的加工性能,但1.5wt.%的Ce则使得加工性能下降;Cu元素的加入不能有效改善ZK60合金的加工性能。ZK60合金和ZK60-0.5Ce合金再结晶过程中都是由交滑移所产生的机械回复位错控制着新界面的形成,但ZK60合金再结晶主要受界面形成所控制而ZK60-0.5Ce合金则受界面迁移所控制。合金在挤压过程中均发生了动态再结晶,且形成强烈的基面平行于挤压方向的纤维织构。ZK60合金中的主要第二相为Mg-Zn相;随Ce、Cu元素的加入出现Mg-Zn-Ce和Mg-Zn-Cu第二相,这些硬质相在随后的挤压过程中破碎并沿挤压方向分布,导致第二相粒子激发形核(PSN),促进动态再结晶过程,不同程度地细化晶粒并弱化织构;对比研究发现Ce元素和Cu元素的加入具有相似的效果。ZK60合金屈服强度随着Ce或Cu加入含量的增加大幅提高,而抗拉强度提高幅度并不明显;强度的提高主要归因于弥散强化、析出沉淀强化和晶界强化的综合作用;但合金化元素含量的升高导致大量硬质第二相颗粒生成,其在拉伸试验进行中很容易破裂并成为裂纹源,进而导致材料的延伸率下降。随着挤压温度的上升和挤压速度的提高,再结晶体积分数和平均晶粒尺寸均随之增大;另外,温度升高引起晶粒长大,带状组织的出现和孪生的发生致使合金强度呈现下降趋势;添加Ce元素虽可增强显微组织均匀性但同时发现含Ce合金较ZK60合金对挤压工艺条件更为敏感。本论文可以为改善镁合金的室温塑性成形能力,简化产品制备工艺,提高生产效率,降低生产成本奠定基础。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG379

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前7条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前5条
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