（光学工程专业论文）az31镁合金铸轧板材热变形行为及其温热拉深工艺研究.pdf

中文摘要 中文摘要 传统的镁合金薄板主要采用热轧和挤压方法生产，其工艺流程长、成材率低、 成本高、价格昂贵。因此，采用高效、短流程的铸轧技术来生产高质量的镁合金 板坯成为未来镁合金板材生产的一个主流。然而，目前还没有对镁合金铸轧板塑 性变形行为进行系统研究以及直接冲压成形性能研究报道。为探索一条铸轧镁合 金薄板直接冲压成形的高效、短流程深加工道路，推进镁合金工业发展，本文对 铸轧镁合金铸轧板的热塑性成形进行了系统地试验研究与理论分析，并进一步研 究了其温热拉深工艺。 铸轧板坯材料中存在高固相率且尺寸细小的半固态组织，其固相颗粒以网络 结构与聚合体形式存在，在高温下变形且应变量超过临界应变时，网络结构与聚 合体被打破，固相晶粒发生滑动、转动和换位现象。本文针对这一特点，从金属 非晶的非牛顿流体粘塑性理论出发，考虑半固态固相颗粒在变形中可以发生滑动、 转动和换位，运用混合法则，将铸轧镁合金中滑移、孪生变形结合起来，得到铸 轧镁合金的半固态混合流变应力方程。该流变应力模型分为两种情况，当 z c n e r - h o l l o m o n 参数z 小于临界值z 0 = 1 5 4 e 11 时，高温下滑移是其主导变形机制； 当z e n c r - h o l l o m o n 参数z 大于临界值z o = 1 5 4 e 1l 时，即低温下孪生成为主导变 形机制。将j j j a n a s ( 滑移变形机制) 经典模型、m r b a r n e t t ( 低温孪晶) 应力模 型和本模型进行比较，结果表明，在低z 值高温区，j j j a n a s 经典模型出现较大的 偏差，而本文新模型计算结果与实测结果符合得很好。在高z 值低温区，j j j a n a s 经典模型的计算值与实测值偏差进一步扩大，而m r b a r n e t t 孪晶应力模型和本文 新模型都表现了很高的精度，本文新模型的精度略高于m r b a r n e t t 孪晶应力模型。 这说明，半固态混合流变应力模型是合理的，更能反映铸轧镁合金的变形特点。 针对仅根据材料热加工图来制定材料热加工工艺参数得到的工艺笼统、不具 体的问题，本文建立了热加工图、有效扩散系数变化图、激活能与变形速率和变 形温度的三维变化图，提出了综合以上三种变化图，进行材料热加工工艺最优化 的新型分析方法。利用该方法，得到的铸轧镁合金的最佳热加工工艺参数如下：a ) 变形温度5 6 8 6 0 3 k ，变形速率7 x 1 0 a - - 一2 x 1 0 as 以之间，适合高温蠕变成形。b ) 变形温度5 8 3 - 6 1 3 k ，应变速率0 0 7 , - - 一0 7 s ，适合锻造、挤压和轧制。c ) 变形温 度5 3 8 - - 。5 5 3 k ，应变速率o 0 0 1 o 0 0 2 s 。1 之间，适合温热冲压成形。本文的分析方 法同样适合其它金属材料的热加工工艺的制定。 镁合金在高温下变形时，动态再结晶容易产生，造成强烈的软化现象，基于 f i e l d s b a c k o f e n 材料模型的拉深工艺压边力计算公式不再适用。本文在新流变应力 模型的基础上，采用能量法对铸轧镁合金板圆筒件拉深过程压边力公式进行推导， 北京交通大学博士学位论文 得到了适合铸轧镁合金的防皱最小压边力的工程计算方程。利用该方程计算的应 力值在各个温度段都与实测值符合得较好。另外，针对实际生产情况，采用三段 式变压边力方法对镁合金板料进行热拉深证明，变压边力可以提高板料的极限拉 深比。 针对a z 3 1 b 铸轧镁合金板材温热拉深性能差的问题，结合镁合金动态与静态 再结晶动力学模型理论，提出了预变形温热拉深工艺。正交实验发现，该工艺中， 预变形量成为拉深成形中的主要影响因素；得到最佳工艺参数为：冲头速度 4 5 m m m i n ，预变形量1 6 ，成形温度2 2 0 。对a z 3 1 b 铸轧镁合金板材在2 0 - 2 2 0 进行预变形温热拉深实验研究发现：预变形使铸轧镁合金板材的拉深性能明 显改善，2 2 0 成形可得到极限拉深比l d r = 2 2 6 的完整的圆筒件，而未经预变形 处理的l d r 仅为1 5 5 ；使a z 3 1 b 铸轧镁合金板材具有最佳拉深性能的冲头温度 范围在2 0 - - 9 5 之内；成形温度选择在1 6 0 - 2 2 0 范围内，铸轧镁合金板材具有 良好的拉深性能，极限拉深比可达到2 2 6 ；随着拉深成形温度的升高，工件中动 态再结晶晶粒数量逐渐增加，2 2 0 拉深成形时工件中再结晶晶粒分布趋于均匀。 关键词：镁合金；铸轧；半固态；热加工图；极限拉深比 分类号：t g l 4 6 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ec o n v e n t i o n a lm a g n e s i u ms h e e t sm a i n l ym a n u f a c t u r e dw i t ht h e h o t - r o l l i n ga n de x t r u s i o n , a n dw h i c hh a v et h el o n gf l o wo fp r o c e s s ，l o we f f i c i e n c y ，h i 曲 c o s ta n dp r i c e r e c e n t l y ，a st h eb r e a c ho ft h ep r o c e s si nt h et w i n - r o l lc a s t ( t r c ) ，t h e t e c h n o l o g yo ft w i n - r o l lc a s t 、衍t l ll l i g he f f i c i e n c ya n ds h o r tf l o wp r o c e s sa r eb e c o m i n g t h em a i n s t r e a mo ft h em a n u f a c t u r eo fm a g n e s i u ms h e e t s h o w e v e r ，t h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nb e h a v i o r so ft r c - m gs h e e t sh a d n tb e e ns y s t e m i cr e s e a r c h , a n dt h e r e w e r e n tt h er e p o r t so ft h es t u d ya b o u tt h ed i r e c td e e p d r a w i n gp e r f o r m a n c eo ft r c - m g s h e e t s i no r d e rt oe x p l o r eah i 曲e f f i c i e n c ya n ds h o r tl o wp r o c e s sw a yo ft h ed i r e c t d e e p - d r a w i n gt r c - m g ，a n db o o s tt h ei n d u s t r yo fm a g n e s i u m ，w ei n v e s t i g a t e dt h e t h e r m o - p l a s t i c i t yd e f o r m a t i o nb e h a v i o r sa n dt h ep r o c e s so fw a r md e e p - d r a w i n go f t r c - m g s h e e t s s i n c et h e r ea l ef r e ea n dh i g hs o l i df r a c t i o ns e m i s o l i ds t r u c t u r eg r a i n si nt h e t r c m gs h e e t t h e s o l i d p a r t i c l e s c o n s t i t u t ean e t w o r ka n da g g r e g a t i o n t h e c o n s t r u c t i o no fn e t w o r ka n da g g r e g a t i o nw i l lb eb r e a k o u tw h e nt h es t r a i nu pt oc r i t i c a l s t r a i nd u r i n gt h eh i g l lt e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n , a n dt h ep h e n o m e n ao fg l i d i n g ，w h e e l i n g a n dt r a n s p o s i t i o n a p p e a ra m o n gt h e s o l i d p a r t i c l e s s ow ec o n s i d e r e dt h a t t h e p h e n o m e n ao fg l i d i n g ，w h e e l i n ga n dt r a n s p o s i t i o nw h i c ha p p e a ra m o n gt h e s o l i d p a r t i c l e si nt h eh o td e f o r m a t i o n ，b a s e do nt h en o n - n e w t o n i a ns h e a rv i s c o s i t ym o d e lo f a m o r p h o u sm e t a l s ，u s i n gt h em i x t u r el a wt om i xt h es l i da n dt w i n ，w eg o tt h es e m i s o l i d m e t a lm i x t u r ef l o ws t r e s sm o d e lf o rt h et r c - m g t h en e wm i x t u r ef l o ws t r e s sm o d e l c o u l ds e r v e 嬲t w oc o n d i t i o n s w h e nt h ez c n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r ( z ) i sl e s st h a nt h e c r i t i c a lv a l u ez 0 ( 1 5 4 e11 ) ，t h ed o m i n a n tm e c h a n i s mo ft r c - m gi ss l i p w h e nt h e z c n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r ( z ) i sh i g h e rt h a nt h ec r i t i c a lv a l u ez 0 ( 1 5 4 e11 ) ，t h e d o m i n a n tm e c h a n i s mo ft r c - m gi st w i n i n g c o m p a r i s o nw i t ht h e 】j o n a s ( b a s e do n t h em e c h a n i s mo fs l i p ) a n dm r b a r n e t t ( b a s e do nt h em e c h a n i s mo ft w i na tl o w t e m p e r a t u r e ) m o d e l si n d i c a t e dt h a t t h es i m u l a t e ds t r e s s s t r a i n c u r v e sc a l c u l a t e db y j j j o n a sm o d e lo c c u r r e db i g g i s he r r o ri nt h el o wzr e g i o n ，a n do u rn e wm i x t u r em o d e l s h o w nf i t t i n gt h ee x p e r i m e n td a t av e r yw e l l i nt h eh i g i lzr e g i o n ，t h ee r r o ro fc a l c u l a t e d b yj j j o n a sm o d e la s c e n d e d ，b u tm r b a r n e t ta n dt h en e wm i x t u r em o d e la l s os h o w n t h eh i g hp r e c i s i o n a n dt h en e wm i x t u r em o d e lw a sm o r ea c c u r a t et h a nm r b a r n e t t m o d e l t h em e n t i o n e d a b o v em e a n st h a tt h en e ws e m i s o l i dm i x t u r em o d e li s v 北京交通大学博士学位论文 r e a s o n a b l ea n di tc a nr e f l e c tt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h et r c m g g e n e r a l l y ，t h ep r o c e s s i n gm a pw a s u s e dt oe s t a b l i s ht h ew o r k i n gp a r a m e t e r so ft h e m a t e r i a l s w h e r e a st h ew o r k i n gp a r a m e t e r so b t a i n e db yt h ep r o c e s s i n gm a pi sr o u g h i n o r d e rt oo b t a i nt h ep r e c i s ew o r k i n gp a r a m e t e r s ，t h ep r o c e s s i n gm a p ，t h ee f f e c t i v e d i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n da c t i v a t i o n e n e r g ym a po ft h ea l l o y w e r ee s t a b l i s h e d c o m b i n i n gt h ep r o c e s s i n gm a p ，e f f e c t i v ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n da c t i v a t i o ne n e r g y m a po b t a i n e dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rt h e r m o - m e c h a n i c a lp r o c e s s i n g t h eo p t i m u m e o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：a ) a tt e m p e r a t u r er a n g eo f5 6 8 kt o6 0 3 ka n dt h es t r a i n - r a t e r a n g ef r o m7 x 10 。t o2 x10 。s i ta d a p tt o 恤l l i g ht e m p e r a t u r ec r e e pf o r m i n g ”a tt h e t e m p e r a t u r er a n g eo f5 8 3 kt o6 1 3 ka n dt h es t r a i n r a t er a n g ef r o m0 0 7t o0 7s i t a d a p tt ot h ef o r g i n g ，e x t r u s i o na n dr o l l i n g c ) a tt e m p e r a t u r er a n g eo f5 38 kt o5 5 3 k a n dt h es t r a i n r a t er a n g ef r o m0 0 01t o0 0 0 2 s 一i ta d a p tt ot h ew a r md e e p - d r a w i n g t h i sa n a l y s i sw a yi s a d a p t e dt oe s t a b l i s hh o tw o r k i n gp a r a m e t e r so fo t h e r s m e t a l m a t e r i a l s t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( d r x ) c a nb eg e n e r a t e de a s i l yd u r i n gt h eh i g h t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nf o rt h em a g n e s i u ma l l o y s i tr e s u l t e di nt h es h a r ps o f t e n p h e n o m e n a s ot h ec a l c u l a t i n ge q u a t i o no fb l a n kh o l d e rf o r c e ( b h f ) b a s e do nt h e f i e l d s - b a c k o f e nm a t e r i a l sm o d e lw a s h tf i tt ot h ed e e p - d r a w i n go ft r c m gs h e e t s i n o r d e rt oo p t i m i z e dc o n t r o lt h eb h fi nt h ep r o c e s so fd e e p - d r a w i n gc y l i n d e rp a r t s ，t h e v a r i a b l eb h fe n g i n e e r i n ge q u a t i o no ft h ec u r v eo fm i n i m u mw r i n k l e so ft r c - m g s h e e t sw a sc o n c l u d e do u tb yt h ea i do fc o n s u l t i n gc o r r e l a t i v ee n e r g yc o n v e r s a t i o n t h e o r e m ，w h i c hb a s e do nt h en e wf l o ws t r e s sm o d e l t h ec a l c u l a t e dd a t au s i n gt h en e w m o d e lf i tt h et e s t e dd a t av e r yw e l lw h e nt h et r c - m gb l a n kd e e p - d r a w i n ga tt h e t e m p e r a t u r ef r o ml o wt e m p e r a t u r et oh i g ht e m p e r a t u r e i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n , t h et h r e es e g m e n tw a yo fl o a dv a r i a b l eb h fw a sa d o p t e d t ot h eh o td e e p - d r a w i n go ft r c m gs h e e t s t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tl i m i td r a w i n gr a t i o ( l d r ) o ft h et r c - m gs h e e t sc a nb ei m p r o v e db yl o a d i n gt h ev a r i a b l eb h f t os o l v et h ep r o b l e mo ft h ep o o rw a r md e e pd r a w a b i l i t yo ft w i n r o l lc a s ta z 3 1b m ga l l o ys h e e t , aw a r i nd e e pd r a w i n gp r o c e s sb yu t i l i z i n gap r e - f o r m i n ga p p r o a c h w h i c hb a s e do nt h et h e o r e t i c so fd y n a m i cr e c r y s t a u i z a t i o n ( d r x ) a n ds t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o nw a sp r o p o s e d o r t h o g o n a lt e s td e s i g nf o ro p t i m i z a t i o nt h ew o r k i n g p a r a m e t e r ss h o w nt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ep r e f o r m i n gh a db e c o m et h em a i nf a c t o ri n t h ed e e p - d r a w i n go ft r c m gs h e e t s a n do b t a i n e dt h e o p t i m i z a t i o nw o r k i n g p a r a m e t e r sw e r ea sf o l l o w s ：p u n c hv e l o c i t y4 5 r a m r a i n , s t r a i n o fp r e f o r m i n g16 a b s t r a c t ，d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e2 2 0 。c t h ew a r md e e p d r a w i n ge x p e r i m e n t so ft w i n r o l l c a s ta z 31bm ga l l o ys h e e t sw e r ee x a m i n e db yu t i l i z i n gap r e - f o r m i n ga p p r o a c ha t t e m p e r a t u r er a n g ef r o m2 0t o2 2 0 c i ti si n d i c a t e dt h a tt h ed e e pd r a w i n gp e r f o r m a n c e h a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d b yu t i l i z i n g ap r e f o r m i n ga p p r o a c h t h ep u n c h t e m p e r a t u r er a n g eo f2 0 - 9 5 cw a sr e c o m m e n d e d t oo b t a i nt h eb e s td r a w a b i l i t yf o rt h e t w i n r o l lc a s ta z 31bm g a l l o ys h e e t i ti sf o u n d t h a tt h et w i n - r o l lc a s ta z 3lb m ga l l o y s h e e tw a so fg o o dd e 印d r a w a b i l i t ya tf o r m i n gt e m p e r a t u r er a n g eo f16 0 - 2 2 0 c 谢t l l t h eh i g h e rl i m i td r a w i n gr a t i ou pt o2 2 6 t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( d r y 3g r a i n so f t h ew o r k p i e c e si n c r e a s e dg r a d u a l l yw i t l lt h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e a n dt h ed r x g r a i n sd i s t r i b u t i o no ft h em a t e r i a l sw a sm o r ew e l l d i s t r i b u t e d ，w h e nt h ew o r k p i e c e s o b t a i n e da tt e m p e r a t u r eo f2 2 0 。c 一 k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ，t w i n r o l lc a s t i n g ，s e m i - s o l i d ，p r o c e s s i n gm a p ，l i m i t d r a w i n gr a t i o c i 。a s s n o ：t g l4 6 致谢 本论文的工作是在邢书明教授的悉心指导下完成的，邢教授严谨的治学态度 和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。邢教授悉心指导我完成了实验工作 和相关的理论研究，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此衷心 感谢邢教授对我的帮助和指导。 鲍培玮老师对于我的科研和论文工作均提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在研究工作期间，李楠、宾仕博、姚淑卿、祝楷、田龙梅、张密兰等同学对 我的研究工作与生活上给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外，也感谢我的夫人张虹、父母、岳父岳母以及其他亲人，他们的理解和 支持使我能够在学校专心完成我的学业。 l 绪论 1 1 引言 1 绪论 进入2 l 世纪，资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题，在能源与环境 危机的压力下，汽车工业不得不将降低燃料消耗和限制尾气的排放列为未来发展 的重要目标之一，车身轻量化则是实现这一目标的有效途径【1 3 】。汽车的减重具有 明显的节能效果，质量每降低1 0 0 k g ，每百公里油耗大约可减少o 7 升1 4 。目前车 身轻量化发展主要有两个方向，一是优化汽车框架结构，二是在车身制造上采用 轻质材料，而后者是目前车身轻量化的主流【5 叫。 镁具有密排六方结构，其熔点为6 5 1 ，密度为1 7 3 s g c m 3 ，镁合金在体积相 同时大约比铝合金轻3 6 ，比钢轻7 7 ，m g l i 合金密度小于水的密度，是迄今为 止最轻的金属材料，镁合金还具有比强度、比刚度高、减振性能好、良好的导电 导热性及电磁屏蔽性等特点；同时，镁合金机械加工性能好，其产品易回收利用。 因此，镁合金材料被誉为“2 1 世纪的绿色工程结构材料 【7 1 1 1 。美国、德国、澳大 利亚、日本等国都相继出台了各自的镁研究计划。美国汽车材料公司和美国能源 部在2 0 0 1 年提出了用于动力系统的镁合金铸件开发项目，目标是提高镁合金耐热 性并应用于汽车发动机系统。德国1 9 9 7 年提出m a d i c am a g n e s i u md i ec a s t i n g 镁 合金研究开发计划，主要研究压铸镁合金工艺、快速原型化与工具制造技术、切 削加工技术、连接技术和半固态成形工艺。日本从1 9 9 9 年开始由文部科学省组织 实施了“p l a t f o r ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u ma l l o y 计划， 着重研究超高强变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金板材及新工艺【1 2 。1 3 1 。自 1 9 9 9 年以来，澳大利亚的镁合金研究是在一个由十几所大学、研究所和公司组成 的叫c a s t 的联合体内进行的。此外，德国的大众汽车公司在未来镁合金开发的三 大战略中分别将压铸、半固态铸造、变形镁合金板材用于汽车各部件与零件生产 中l l4 1 ，并且将镁合金汽车覆盖件做为未来战略重点。可见，围绕镁合金材料开发， 争夺国际商业市场的竞争日趋激烈。 中国是镁资源大国，原镁产能占全球镁产量的2 3 ，是世界上第一大镁生产国 u j ，中国的镁工业具有雄厚的发展基础，发展中国镁工业将使中国在未来的制造业 中脱颖而出，甚至在某些领域处于国际领先地位。为此，中国在国家“十一五 科学技术发展规划和( 8 6 3 计划“十一五 发展纲要中，都将镁合金研究作为 一个重要研究方向，其中镁合金板带流变铸轧技术的研究已经得到国家立项。目 北京交通大学博士学位论文 前，六大产业基地布局已经确立，并且拥有大批具有自主知识产权的成果。在国 家政策的大力支持下，在今后的工业发展中，我国将由镁资源大国向镁产业强国 和技术强国迈进。 1 2 镁合金概述 1 2 1 镁合金特点及其在车辆工程中的应用 镁合金的比强度和比刚度比铝合金高，而强度与一般铝合金相当，因此，汽 车镁合金化可以在不改变汽车尺寸、不降低汽车舒适性和安全性的情况下使整车 的质量至少减轻5 0 ，而其中车身的以镁代钢就能减少大约5 8 的重量，燃油效率 提高3 8 ，从而降低燃料消耗及减少废气的排放【7 。1 1 】。镁合金具有优良的阻尼减震 性能，能承受较大的冲击振动负荷，汽车在受到撞击时，镁合金的车身构造可以 充分吸收撞击时产生的能量，能有效地保证驾驶员与乘客的安全。镁合金具有良 好的导电导热性及电磁屏蔽性，使得它可以广泛应用于车载电子通讯设备等领域。 镁合金具有优良的切削加工和抛光性能，且易于进行铸造和热加工，可生产各种 复杂的汽车铸件和锻件。镁合金具有良好的可回收性能，高的二次利用率，可节 省生产成本，也有利于环保。 总之，镁合金以节能降耗、利于环保、零部件回收率高、安全舒适、装配效 率高、燃油效率高、相对载重能力大等优点在车辆工程等领域有着巨大的应用前 景。然而，由于镁合金低温塑性加工困难、高温加工时易发生氧化与晶粒粗大、 产品成本太高等原因，至今主要应用于小型铸造产品，严重制约了其在各工业领 域中的应用。近年来，随着短流程、低成本、铸造与热轧有机结合的铸轧新技术 在镁合金生产中成功应用，采用铸轧新技术生产板材将成为未来镁合金大规模工 业化生产的主流，所以研究镁合金塑性成形技术，特别是研究有着独特显微组织 与性能的铸轧镁合金塑性成形有重要的学术价值。本文从铸轧镁合金板的高温力 学测试和拉深成形试验两个方面，重点研究镁合金铸轧板的高温塑性流变行为及 其塑性成形工艺的特点，以期指导镁合金铸轧板的塑性成形工艺设计。 1 2 2 镁合金的塑性变形机制 由于镁具有密排六方晶体结构，其轴比( c a ) 值为1 6 2 3 ，接近理想的密排值 1 6 3 3 ，镁晶体只有3 个几何滑移系和2 个独立滑移系。因此，镁及镁合金的塑性 变形机制主要是滑移与孪生：在低温条件下( 一般小于2 2 5 ) ，仅限于基面 2 1 绪论 1 0 0 0 1 ) 滑移及锥面 l o t 2 孪生，由于滑移系少，变形难以通过多系 滑移和晶体的转动来协调，容易产生不均匀变形及应力集中，导致晶间断裂，宏 观表现为塑性很差 1 1 , 1 3 , 1 5 】，冷加工成形困难。随着温度升高( 大于2 2 5 ) ，滑移 系增多，例如纯镁的棱柱滑移面 1 0t0 被激活，塑性大大提高，如图1 1 所示l l6 。随着外加应力状态的改变，可以出现新的孪生系列，u l j - 次孪生，产生 这些复杂孪生后可能使得基面处于有利于滑移的方位，因此，孪生对镁的塑性变 形起到辅助作用，促进了塑性变形【1 5 】。 c c a i i o a 0 1 ) b a s a l o o o i ) ( 1 l 劲 3 a 1 p r i 埘l m t “ l o j o l j 幻 3 a 2 矗l p y r t u u k l n l 一 l o i i 儿2 ( j 6 图卜1 金属镁的滑移面和滑移方向【1 6 l f i g 1 - lg l i d ep l a n ea n dg l i d ed i r e c t i o no fm g a 2 除滑移、孪生外，晶界滑动是镁合金塑性变形的另一种重要变形机制1 1 7 】。晶 界滑动是包含有晶界迁移与扩散松驰等过程的综合作用的结果，晶界滑动一般在 2 0 1 t i n 以下的小尺寸晶粒出现。由于晶粒细小，增加了可以滑动的晶界表面积，使 得小尺寸晶粒之间的协调性要大于大尺寸晶粒，因此，晶界的滑动与转动变得更 加容易。晶界滑动的机理如图1 2 所示，当一组晶粒沿最有利的几何取向进行晶界 滑动和转动时，这种变形可一直进行，直到趾上一个不利取向的晶粒。原因是晶 粒的“三叉点和该晶粒内部靠近晶界处形成的位错塞积，阻止了滑移继续进行。 然而，位错仍然可以通过以下方式分阶段地克服障碍，即首先是在对滑移有利的 平面上快速滑移，之后通过攀移逃逸到晶界，这样当大量位错被激活，晶界的障 碍去除，晶界滑动便得以继续进行【l 引。 3 北京交通大学博士学位论文 图1 - 2 变形时晶界滑动示意图【1 阳 f i g 1 - 2m o d e ld e p i c t i n go f g r i nb o u n d a r ys l i d i n g 总之，镁合金的晶体结构和塑性变形机制决定了其塑性成形工艺具有以下特 点：一般要在2 0 0 以上进行热塑性成形，在2 2 5 以上时塑性提高更大；另外， 考虑到镁合金在较高温度下，尤其4 0 0 以上很容易产生腐蚀氧化及晶粒粗大，不 宜塑性加工，因此镁合金热塑性成形温度一般在控制2 5 0 4 0 0 【1 9 珈l 。 1 3 镁合金铸轧技术 据专家统计，每种金属材料的消耗量，板材要占7 0 以上。传统的镁合金薄板 主要是采用热轧和挤压方法生产的。由于镁锭热轧工艺生产的板材工艺流程长、 成材率低、成本高、价格昂贵，同时由于镁合金塑性差等固有缺陷，其生产工艺 一直没有得到有效地改进；而挤压薄板又受幅面的限制，生产效率低，因此传统 工艺生产的薄板应用领域一直很小【2 l - 2 4 。 近年来，具有短流程、低成本、近终成形、高质量的镁板铸轧生产技术成为 材料界研究热点。和热轧与挤压板相比，铸轧板的组织存在不均匀性 2 5 五9 】：在垂 直轧向断面方向上，一般在铸轧板带表面部分，由于金属液受到铸轧辊激冷作用， 组织形貌通常为极细小的等轴晶；在芯部晶粒形核长大过程中冷却速率低于轧辊 表面，因此较表层晶粒粗大，同时由于双辊铸轧的结晶过程伴有强烈的对流搅拌 作用，可使得板材芯部晶粒球化，出现形貌较圆整的半固态晶粒组织：在平行轧 向断面方向上，边部分晶粒液流流速较小，因此晶粒尺寸较中部粗大；中部的液 态金属晶粒在液流流速较大的情况下形核生长，部分枝晶发生断裂，使得晶粒被 细化 3 0 - 3 1 1 。 4 1 绪论 虽然双辊铸轧的组织存在不均匀性，但是和传统铸造比较，铸轧工艺具有以 下优点【2 7 , 3 2 - 3 5 】：( 1 ) 铸轧可改善微观组织，大大减小晶粒尺寸，获得更小的金属共 晶体，更细的枝晶间距；铸轧板带的晶粒平均尺寸仅为2 0 - - , 2 5 1 a m ，远小于铸锭 ( 1 0 0 - 2 0 0 “m ) 的等轴晶的尺寸，且低熔点共晶相及金属间化合物分布在间距细 小的枝晶间。( 2 ) 高的凝固速率可产生细小的金属间化合物，实现弥散强化，提高 材料的力学性能；而在低凝固速率的铸造中通常产生粗大的金属间化合物，无法 实现弥散强化；( 3 ) 铸轧使合金品种大大增多，合金元素在固溶体中含量大大增加， 减小了偏析；( 4 ) 快速铸轧技术可以实现大的轧制变形量和大的变形速率，板带坯 内部可能出现动态再结晶组织，有利于板带坯在后续工序中的加工。( 5 ) 对于主要 合金品种的实验，生产率提高2 倍以上。这些特点都有利于提高镁合金的综合力学 性能，改善其塑性成形能力。 目前，双辊铸轧技术已经得到了各国镁合金研究工作者的关注。澳大利亚的 c s i r o 、美国t e n n e s s e e 大学、日本的o y a m a 大学、韩国的p o h a n g 大学等对镁合金 铸轧进行了大量的试验研究，已经取得了可喜的进展，并且率先进入产业化发展 阶段【i o 3 ( , - 4 0 。例如，德国蒂森钢铁公司生产出了宽7 0 0 m m ，厚6 m m 的镁合金板坯； 澳大利亚的c s i r o 生产出了宽1 0 0 6 0 0 m m ，厚2 3 5 m m 的商用镁合金系列 ( a z 31 、a z 6 1 、a m 6 0 和a z 9 1 ) ，并且可直接轧制至0 5 o 6 m m ，铸带性能优于传 统方法加工的镁合金。由于节省了传统工艺加工镁合金薄带的若干中间工序，使 得水平双辊连铸薄带的最终成本较低。 在国内，近年来也开始进行镁合金快速铸轧的研究工作，东北大学、清华大 学、上海交通大学、中南大学、重庆大学、山东大学、南昌大学、北京有色金属 研究院等单位都进行了镁合金板带铸轧研究，在实验室条件下采用双辊铸轧成功 地制备了l 5 m m 厚的板带坯【3 2 - 4 3 1 。在工业生产方面，洛阳铜加工集团有限责任 公司在2 0 0 5 年率先试生产出6 m m 6 0 0l l l n l 的a z 3 1 b 变形镁合金带坯，标志着我国 成为继德国和澳大利亚两个国家之后第三个掌握镁合金铸轧板坯生产技术的国 家，同时标志着我国在变形镁合金生产技术领域已经站在了世界前沿。山西银光 镁业集团与福州华镁公司合作，也已经建成一条能生产幅宽6 0 0 m m ，厚0 5 、- 6 m m 镁合金铸轧板材生产线，开始批量生产。国内镁合金铸轧技术的突破，使得镁合 金铸轧板材大规模工业应用变成现实；并且随着铸轧技术的不断提高，镁合金铸 轧板的成形性能将不断提高，完全有可能与z f l 匍j 板材接近，实现板材的近终成形。 因此，采用铸轧技术生产镁合金板材将成为未来镁合金板材生产的主流，而关于 镁合金铸轧板进一步深加工成形性能的研究也变得极为重要。 北京交通大学博士学位论文 1 4 金属高温塑性流变应力模型研究概况 流变应力是表征金属塑性成形性能的一个最基本量，也是衡量材料塑性加工 能力的重要标志，同时也是制定加工工艺参数的基本前提。金属流变应力模型是 描述金属在塑性过程中，应变、应变速率、温度等因素对流变应力影响。目前， 描述金属流变应力的模型主要有以下几种：( 1 ) j j j o n a s 位错滑移流变应力模型； ( 2 ) m r b a r n e t t 孪晶流变应力模型：( 3 ) 半固态金属塑性流变应力模型；( 4 ) 金 属非晶的非牛顿流体流变应力模型。以下分别介绍这四种流变应力模型。 1 4 1j j j o n a s 位错滑移流变应力模型 金属在热变形过程中总存在一定程度的加工硬化，因此金属变形的流变应力 会随应变的增加而增加。在微小应变阶段，应力上升很快，应力基本上随应变呈 线性增长趋势，表明在微小应变阶段加工硬化占主导地位。在变形第二阶段，由 于存在动态回复( d r v ) ，当变形量继续增加时，加工硬化效应也会逐渐减弱。 进入变形第三阶段，动态回复随着变形程度的增加而增加，当变形量达到某一程 度时，动态回复效应完全抵消加工硬化效应，流变应力达到某一饱和值后不再增 力i t 4 4 j 。这一饱和值称之为稳态动态回复流变应力( 6 0 ，如图1 3 所示。当动态再 结晶开始发生，软化作用逐渐加剧，应力随应变增大到最大值后又下降，动态再 结晶引起的软化为( 6 乙一矿名) ，其中，6 西名为稳态动态再结晶流变应力。 o e 图1 - 3 饱和应力值的定义 f i g 1 - 3d e f i n i t