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《中南大学》 2011年
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ECAP超细晶ZK60镁合金的制备及其相关基础研究

何运斌  
【摘要】:镁合金是目前应用最轻的金属结构材料,在汽车、航空航天和数码产品中具有广阔的应用前景。但镁具有密排六方结构,室温塑性较差,制约了镁合金的发展,而细化晶粒是改善合金塑性的有效途径。等通道角挤压(ECAP)作为一种深度塑性变形方法(SPD),在制备细晶材料方面具有明显优势。但目前对ECAP变形镁合金的晶粒细化机制还不明确,对ECAP变形镁合金的织构演变、变形行为和室温蠕变特性的研究也还不够深入。为此,选取了高强7K60镁合金为研究对象,通过对合金均匀化处理,热压缩变形行为和ECAP变形工艺及相关机理的研究,旨在优化ZK60镁合金的热处理制度,建立合金热压缩变形的流变应力方程,探明合金ECAP过程中的晶粒细化机制,阐明ECAP变形ZK60合金的独特的变形行为和室温蠕变特性。 采用金相(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究了铸态ZK60镁合金的相组成,优化了合金的均匀化制度。铸态合金的主要组成相为α-Mg和沿晶界分布的Mg7Zn3相以及少量MgZn、MgZn2和Zn-Zr相。合金适宜的均匀化处理制度为400℃/12h,经此处理后,铸锭中的晶界非平衡相消除,各合金元素分布趋于均匀。这一制度与均匀化动力学分析得出的结果相符。 采用热模拟技术分析了合金的热压缩变形行为,结果表明ZK60镁合金热压缩变形真应力-真应变曲线具有明显的动态再结晶特征,Inε和ln[sinh(ασ)]之间,In[sinh(ασ)]与1/T之间满足线性关系。合金热压缩变形的流变应力方程可表达为:ε=1.0112×1012[sinh(0.0097σ)]6.5688 exp(-150.377/RT)。采用人工神经网络模型对合金高温变形的流变应力进行了预测,预测结果与实验结果能很好的吻合。 利用OM、SEM和透射电镜(TEM)研究了合金热变形过程中的微观组织变化。在变形温度较低或应变速率较高时,ZK60合金的显微组织主要为孪晶组织,随着温度的升高和应变速率的降低,合金的显微组织逐渐转变为再结晶组织,再结晶机制为孪生动态再结晶和不连续动态再结晶。合金的动态再结晶动力学符合Avrami方程,基于动力学方程所求得的流变应力曲线与实验结果能很好的吻合。采用有限元方法对合金的动态再结晶进行了模拟。结果表明,合金动态再结晶分布不均匀,中心变形区动态再结晶分数比边缘区要大,并随温度和变形量的增加而增加,与应变速率关系不大。根据热压缩变形的加工图分析,发现ZK60合金在变形温度低于300℃,应变速率大于0.1 s-1变形时出现变形失稳,引起失稳的主要原因是孪生和局部流变;合金的最佳变形条件为变形温度350℃,应变速率0.001 s-1。 采用ECAP法制备了超细晶的ZK60合金,利用OM、SEM、TEM以及电子背散射衍射(EBSD)等手段从不同尺度分析了合金ECAP变形过程中的组织演变规律,探讨了ECAP变形过程中合金的晶粒细化机制。ZK60合金在180℃~300℃温度下ECAP变形1道次后晶粒随挤压温度的降低而减小,合金适宜的ECAP变形温度范围为210℃~240℃。在240℃进行ECAP变形时,随着挤压道次的增加合金的晶粒逐渐细化,超过4道次以后,晶粒细化的效果减弱;两步ECAP工艺可降低变形温度,进一步细化合金的晶粒,经过240℃4道次和180℃4道次两步ECAP变形后,合金晶粒可细化至0.8μm。ECAP变形ZK60镁合金的晶粒细化机制为机械剪切、应变累积和动态再结晶的综合作用。当温度较低时,主要为机械剪切;在温度较高时,主要为动态再结晶;在ECAP变形初期,晶粒细化机制主要为机械剪切,多道次ECAP变形后转变为应变累积和动态再结晶。 采用XRD分析了ZK60合金ECAP变形过程中的织构演变,讨论了织构对合金力学性能的影响。常规挤压态ZK60合金具有典型的1010丝织构,经过单步ECAP变形后,逐渐形成沿ECAP挤压方向呈45。的{202-1}2-31-2和{101-2}2-201织构,并且随ECAP挤压道次的增加,织构强度加强。经两步ECAP变形后,合金织构与单步ECAP变形相似,主要为{101-2}2-201织构,但织构强度加强。ECAP变形后形成的{202-1}2-31-2和{101-2}2-201织构由于取向因子较高,使合金的强度降低,伸长率提高,呈现反Hall-Petch关系。经过两步ECAP变形工艺后,合金中虽然仍存在织构软化,但由于晶粒明显细化,合金的强度和塑性都得到明显改善。 采用拉伸力学性能测试分析了合金的室温变形行为和高温超塑变形行为。结果表明,常规挤压态ZK60合金的应变强化速率曲线呈单调递减,而经ECAP变形后合金的应变强化速率曲线先降低后趋于平稳。常规挤压态合金断裂不均匀,裂纹主要沿孪晶界扩展,断裂方式为混合型断裂;经ECAP变形后的合金断裂均匀,断口为均匀细小的韧窝,断裂方式为韧断。经两步ECAP变形后的ZK60合金具有良好的超塑性能,在220℃和1.0×10-3s-1条件下,合金的最大伸长率可达470%。超塑性变形的变形机理为晶界滑移和再结晶的综合作用。 采用纳米压痕技术研究了合金的室温蠕变行为。结果表明,与常规挤压态合金相比,ECAP变形后ZK60合金更容易发生室温蠕变,合金的蠕变位移随加载载荷和加载速率的增加而增加,合金的蠕变速率随加载载荷增加而增加,与加载速度关系不大。合金的室温蠕变具有明显的尺寸效应,应力因子在蠕变过程中逐渐减小,稳态蠕变的应力因子随加载载荷的增大而增大。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG146.22

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【引证文献】
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