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镁合金等通道角挤压不均匀变形及对半固态球晶化的影响

张晓华  
【摘要】:镁合金是实用金属中最轻的有色金属材料,比强度高、减震性、电磁屏蔽性、导电性、导热性和机械加工性能优良,是结构轻量化的理想材料,再加上镁合金可以100%回收。所以,镁合金已成为汽车、电子、通讯等行业的热门材料,近年来对镁合金的需求也迅猛增加。 但镁合金为密排六方结构,室温滑移系较少,塑性差,变形加工困难。半固态加工是最近三十年来发展起来的新兴金属加工方法,镁合金半固态加工,具有加工成本低,零件性能优良的特点,得到了众多研究者和企业界的关注。在镁合金半固态成形中,半固态坯料的制备是难点所在,其中应变诱导融化激活法(Strain Induced-Melt Activation,SIMA法)作为一种半固态坯料的制备方法,不需要专门的设备,操作简单,有望在工业上取得实际应用。传统的SIMA法采用镦粗和挤压等方法对坯料进行塑性变形,变形程度小,坯料也受限于一定尺寸,很难满足一些较大尺寸制件的需求。等通道角挤压(Equal Channel Angular Extrusion,以下简称ECAE)最近几年受到广泛的研究,以其变形程度大、坯料截面不发生尺寸改变的特点而著称。但作为一种不均匀性变形,很多相关文献的报道,其挤压坯料的直径(边长)一般都在20mm以下。因此,要想使ECAE技术在工业上获得应用,必须开发大尺寸坯料ECAE技术,而一旦坯料尺寸变大,ECAE变形不均匀性对坯料组织性能将会造成什么样的影响,是否会影响后继的半固态二次重熔工艺,这是该技术在半固态领域工业应用亟待解决的问题。 本文首先运用数值模拟方法,针对直径φ60mm半连续拉铸AZ91D镁合金棒料,优化了一道次挤压情况下坯料截面等效应变分布最为均匀的模具结构,并在不同道次和不同路径下,进行了ECAE挤压实验;建立多道次数值模拟材料模型,研究了Bc路径不同道次挤压下应变分布的不均匀性,并对不同道次和不同路径下的坯料微观组织的分布进行了分析,揭示不同变形条件下的大尺寸AZ91D镁合金棒料ECAE挤压下的不均匀性变形机制;同时,对挤压后的坯料进行不同方向上的力学性能测试,研究ECAE挤压对AZ91D镁合金横向(Transverse Direction, TD)、法向(Normal Direction, ND)和挤压方向(Extrusion Direction, ED)三个正交方向上力学性能的影响,并用X射线衍射法(X Ray Diffraction, XRD)测试了织构,解释了这种力学各向异性产生的原因;最后,在ECAE挤压后的坯料不同部位取样,进行了半固态重熔实验,研究了不同部位坯料半固态组织演变机理,并分析了ECAE织构对半固态重熔的影响,探讨了大尺寸AZ91D镁合金ECAE挤压在半固态工业领域中应用的可行性。 研究结果表明: (1)模具结构是造成ECAE挤压不均匀性的根本原因,不同的材料获得最均匀应变分布的模具结构是不同的。直径φ60mm的半连续拉铸AZ91D镁合金棒料,ECAE挤压最优模具结构就是通道夹角90°,外角夹角20°,内角半径8mm。 (2) AZ91D镁合金在Bc路径四个道次挤压中,随挤压道次的增加,端部效应慢慢消失,横截面水平方向上应变比较均匀,铅垂方向上应变不均匀性则变得越来越大。在挤压后坯料的端部和中部,中部区域的上部和下部,金相组织均存在差别,其中端部组织呈现一定的流线形,而中部偏上部位相对来说细化效果最好。随挤压道次的增加,坯料晶粒越来越细小,与屈服强度的关系吻合Hall-Petch公式。 (3)不同道次和不同路径挤压后,坯料ND、TD和ED三个方向上力学性能均不相同,产生了比较明显的各向异性。一道次挤压后,坯料各向异性指数(Index of Plane Anisotropy,IPA)就急剧增加,按照不同路径A、Ba、Bc和C挤压四个道次后,屈服强度和抗拉强度均越来越高,塑性变化则不是很大,IPA的变化表现比较复杂。织构分析表明,一道次挤压和Bc路径四个道次挤压后,镁合金基面与挤压方向成45°左右的夹角,而A路径、Ba和C路径基面都平行或者近似平行于基面方向,这是造成力学各向异性的根本原因。 (4)ECAE挤压后的AZ91D镁合金,不同挤压状态,半固态组织重熔保温演变机理不同,主要是Ostwald熟化机理和合并长大机理。在按照Bc路径四个道次挤压的AZ91D镁合金坯料上部区域,半固态保温一定时间后,发现不同的固相颗粒排列成圆弧形,这是一种不同于团聚的减小系统自由能的新现象,可能是扩散或者晶粒的缓慢旋转造成的。同时,经ECAE挤压的AZ91D镁合金,半固态下保温一定时间,织构没有发生明显地改变,这种织构的存在极有可能对随后的触变成形零件造成性能上的影响,是触变成形应该考虑的因素之一。


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