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上海交通大学博士学位论文 m g - z n - y - z r 变形镁合金组织、性能及变形行为研究 摘要 本文通过对m g - z n - y - z r 合金进行挤压和热处理，分析稀土钇以及产生的第 二相对合金组织，变形行为和性能的影响。通过对合金进行的热模拟，以研究 m g - z n y - z r 合金的熟变形行为以及变形过程中的变形机制和动态再结晶机制， 并用加工图制定出m g z n y z r 合金的最佳变形条件。 研究发现，m g - z n - y - z r 合金铸态时，m g z n ss , y o 7 4 z r o 合金的相组成为d - m g 和i 相( m 9 3 z n 6 y ，二十面体准晶结构) ，m g z n s 朋y i m z r 0 4 2 合金和 m g z n 55 5 y 1 n z r 0 3 7 合金的相组成为n - m g ，i 相( m 9 3 z n 6 y ) 和w 相( m g a z n 3 y 2 ) 。 在熟挤压过程中，m g z n s5 3 y l3 5 z r 0 4 2 合金中析出椭圆形i 相和条形w 相的颗粒。 i 相与基体没有明确的位相关系，i 相作为二十面体共晶具有高度对称结构，与 基体之间结合能较低，所以两者有较强的联系。w 相和基体有一定的位相关系。 对三种m g - z n - y - z r 合金进行热挤压，发现相较z k 6 0 挤压合金的强度， m g z n y - z r 挤压合金的强度较高。钇( y ) 元素加入后第二相颗粒和沉淀相增多。 i 相的颗粒和析出相，在合金中有较强的第二相强化作用。在m g z n y 二z r 合金 挤压过程中，低温和高温时动态再结晶都能发生。第二相粒子弥散分布在 m g z n y - z r 合金中，使得动态再结晶的方式以连续动态再结晶为主，动态再结 晶晶粒难以长大。第二相粒子聚集在新晶粒晶界，也抑制了动态再结晶晶粒长大。 7 动态再结晶晶粒晶粒细化，产生细晶强化效果。 挤压后人工时效过程使m g z n 55 3 y 13 5 x r 0 4 2 合金的室温拉伸强度改变不大，室 温屈服强度略有升高，塑性大幅度提高，高温强度提高，高温塑性降低。 m g z n 55 3 y t3 5 z r 0 4 2 合金在挤压后的峰值时效过程中，m 9 2 z n i t 和m g z n 2 相弥散析 出，m g z n 2 相与镁基体有着共格关系。在过时效m g z n 55 3 y l3 5 z r 0 4 2 合金中有m g z n 相弥散析出，与基体没有共格关系。 m g - z n y - z r 镁合金高温等温压缩应力应变曲线，显现稳惫流变的特征。 上海交通大学博七学位论文 m g - z n - y - z r 合金是一种正应变速率敏感材料。实验证明可以用含z e n e r - h o l l o m o m 参数的双曲正弦关系式来描述m g z n s5 3 y i3 5 z r o 4 2 合金的高温塑性变形过程中的 流变应力、应变速率和温度的相互关系。m g z n s5 3 y 1 3 s z r o 4 2 合金流变应力双曲正 选项的自然对数和z 参数的自然对数间满足线性关系，m g z n 5 s 3 y l | 3 5 z r o 4 2 合金 高温变形时流变应力0 和变形温度t 之间满足a r r h e n i u s 关系，意味着 m g z n - y 二z r 合金热压缩塑性变形是受热激活控制的。应力应变曲线在经过峰值 后软化的趋势很明显，在应力方程中引入一个软化因子，得到流变应力方程为： n i 档3 d = 9 0 4 8 3 e f i o 0 9 8 9 e x p ( 一0 0 0 6 7 t 一0 3 0 1 e 、。 z k 6 0 和m g z n s 5 3 y i3 5 z r o 4 2 合金加工图中的最佳加工区域分别在3 2 0 ，应 变速率1o 1 。8 和3 6 0 ，应变速率1 5 xl f f 3 。m g z n 5 5 3 y 1 3 5 z r o4 2 合金最佳加工区 域的温度较z k 6 0 合金高和变形速率较z k 6 0 合金低，能量耗散率较z k 6 0 合金 高。z k 6 0 合金中，温度4 0 0 ，应变速率l o 刁区域代表裂纹扩散过程。 m g z n 55 3 y t3 s z r a - 4 2 合金的加工图中没有这个区域，说明m g z n 55 3 y l3 5 z r o 4 2 合金的 高温成形能力较z k 6 0 合金好。通过对比z k 6 0 和m g z n 55 3 y l3 5 z r o 4 2 合金的非稳 图，z k 6 0 合金非稳区域集中在高应变速率区域。m g z n 55 3 y 1 3 5 z r 0 4 2 合金非稳区 域集中在低温和高应变速率区域，温度越低非稳区域中的应变速率界限越低。 m g z n 55 3 y l3 5 z r 0 4 2 合金的变形稳态区域较z k 6 0 合金广。 在高温变形条件下，m g z n 55 3 y l3 5 z r o4 2 合金的动态再结晶机制以连续动态再 结晶机制为主。在低温变形条件下，孪晶作为协调变形的重要变形方式存在，发 生孪晶再结晶过程( t d r x ) 。 m g z n s5 3 y 13 s z r o 4 2 合金低温变形时的方式主要为基滑移和孪生。同时交滑移 协调基滑移和棱面滑移。m g z n 55 3 y l3 5 z r o 4 2 合金低温变形产生的孪晶部属于 l o l2 型孪晶，出现了二次孪晶现象。m g z n 55 3 y l | 3 5 z r 0 4 2 合金高温变形方式增 多，攀移和锥面滑移系统参与变形，孪晶的作用弱化，以 1 0 t 2 型挛晶为主， 有 l oll 型孪晶出现。 从文中的分析可知， m g z n y z r 合金相较z k 6 0 合金力学性能和变形能力 都有所改善。 i l 上海交通大学博士学位论文 关键词：m g z n y z r 合金，z k 6 0 合金，稀土钇，i 相，动态再结晶，连续动态再 结晶机制，攀移，孪晶，基滑移 i i i 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v eg r e a tp o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n si ns t r u c t u r a lp a r t sa st h e l i g h t e s t s t r u c t u r a l m a t e r i a l h o w e v e r , a p p l i c a t i o n s o fm a g n e s i u ma l l o y sa r es t i l l l i m i t e db e c a u s eo fp o o rs t r e n g t h i no r d e rt oo v e r c o m et h e s ed i s a d v a n t a g e s ，e f f o r t sa r e b e i n gd e v o t e dt od e v e l o pn e ww r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sw i t hg o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i t h a san e e dt o i n v e s t i g a t et h e e f f e c to fa l l o ye l e m e n to nt h e i i l i c r o s 仇l c t l 鹏d e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f w r o u g h t m a g n e s i u ma l l o y i nt h i ss t u d y , w ec a r r i e do u th o te x t r u s i o na n db e a tt r e a t m e n to nt h r e ek i n d so f m g - z n - y - z ra l l o y s 、i t hd i f f e r e n tc o n t e n t so fy t u i u m t h ee f f e c t so fy t t r i u me l e m e n t o nb o t hm i c r o s t m c u 】r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r t h eh o ts i m u l a t i o nw e r ec o n d u c t e do nam g - z n - y - z ra l l o y , s ot h a th o td e f o r m a t i o n b e h a v i o r ，d r xm e c h a n i s m s ，d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e o p t i m a ld e f o r m a t i o nc o n d i t i o nw a sp u r p o s e db yp r o c e s s i n gm a p i tw a si n v e s t i g a t e dt h a tm g z n 55 4 y o 7 4 z r o 3 9a l l o yc o n s i s to fa - m ga n di - p h a s e ， m g z n 55 3 y t3 5 z r o4 2a l l o ya n dm g z n 5 y t 7 2 z r 0 3 7a l l o yt h a t c o n s i s t so fi - p h a s e ， w - p h a s ea n dc t - m gu n d e ra s c a s tc o n d i t i o n u n d e ra s c a s tc o n d i t i o np r e c i p i t a t i o no f f i n ep a r t i c l e sd o e sn o to c c u r d u r i n gh o te x t r u s i o n i - p h a s ep a r t i c l e sa n df i n ep r e c i p i t a t e ss t r e n g t h e nt h ee x t r u d e da l l o y s t h es t r e n g t h o ft h ea l l o y si n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ev o l u m ef r a c t i o no f i - p h a s e d u r i n gt h eh o t e x t r u s i o np r o c e s s ，e u t e c t i cp o c k e t sw e r ed e s t r o y e di n t os m a l li - p h a s ea n dw - p h a s e p a r t i c l e s ，a n dm a n y n a n o s a l e i - p h a s ea n dw - p h a s ep a r t i c l e sp r e c i p i t a t e d t h e o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i po f w - p h a s ea n dm a t r i xw a s ( 1 0 1 o ) m g ( 2 2 0 ) w ，【1 0 0 】m g 1 l o w c o m p a r e dt ot h es t r e n g t ho fz k 6 0 ，t h es t r e n g t ho fm g z n y - za l l o y s i sm u c h h i g h e r 1 - p h a s ep a r t i c l e sa n df i n ep r e c i p i t a t e sh a da ne f f e c to ns t r e n g t h e n i n g t h e 圭童奎望查兰苎主兰堡笙壅 e x t r u d e da l l o y s d r xg r a i n si na l lt h r e ea l l o y sr e m a i nf i n ei nt h es i z eo f2 3 l a r ne v e n a t4 0 0 c t h eg r o w t ho fd r x g r a i n si ss u p p r e s s e d t h i si sa s c r i b e dt ot h ec d r x m e c h a n i s m sa n dt h e d i s p e r s e dp a r t i c l e so rf i n ep r e c i p i t a t e sw h i c hp i ng r a i n b o u n d a r i e s g r a i nf e f m e m e mb yt h ed r x p r o c e s sh a sa l li n f l u e n c eo nt h ei n c r e a s eo f y i e l ds t r e n g t h a g i n gt r e a t m e n tb r o u g h ta b o u ts l i g h ti m p r o v e m e n tt ot h ey i e l ds t r e n g t ho f t h ea l l o y e x t r u d e da ta l lt e m p e r a t u r e s c o m p a r e dt os t r e n g t h , e l o n g a t i o n so ft h ea l l o y sh a v e b e e ni n c r e a s e dt oam u c hl a r g e r e x t e n t a g i n gb r o u g h ta b o u ti n c r e a s ei nh i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t h , b u td e c e a s ei nh i g ht e m p e r a t u r ed u c t i l i t y d u r i n gt h ea g i n g p r o c e s s ( p e a k 。a g e d ) ，d i s p e r s i v ep r e c i p i t a t e sw e r eo b s e r v e da n di d e n t i f i e da sm g z z n a n dm g z n 2i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d s t h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i po fm g z n 2a n d m a r x w a s 1 1 0 2 n 0 1 1 1 ) p ， 1 3 4 1 口 1 0 1 0 b t h e h a b i tp l a n e w a sp a r a l l e l t o 1 2 3 0 m t h ep r e c i p i t a t e si nt h ea g e ds a m p l ew e r ei d e n t i f i e d 硒m g z n p h a s ew i t hn o o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pw i t ht h em a r x t h ef l o wc u r v e so fm g - z n - y - z ra l l o ys h o wt h ef e a t u r eo fs t e a d yf l o w i tw a s p r o v e dt h a tt h er e l a t i o no f oa n dtt h eh o td eb e l o n g st oa r r h e n i ur e l a t i o na n dh o t f o r m a t i o nw a sc o n t r o l l e db ya c t i v a t i o ne n e r g y t h ei n d u c t i o ns o f t e n i n gp a r a m e t e ro n f l o w - s t r e s se q u a t i o nl e a d st ol i n e a rr e g r e s s i o n , a n ds u c haf l o w - s t r e s se q u a t i o n w a s 0 1 4 3 3 a c q u i r e da sj = 9 0 4 8 3 e f o o ”e x p ( 一0 0 0 6 7 t 一0 3 0 l e ) t h eo p t i m a l p r o c e s s i n g a r e a so fz k 6 0a l l o ya n dm g - z n - y - z r a l l o y w e r e d e t e r m i n e da t3 2 0 ，s t r a i nr a t e 1 0 1 ，a n d3 6 0 ，s t r a i nr a t e l 5xt 0 刁b y p r o c e s s i n gm a p s c o m p a f e dt ot h ep r o c e s s i n gm a p so fz k 6 0a l l o ya n dm g z n - y - z r a l l o y , i ts h o w e dt h a tt h ef o r m a b i l i t yo fm g z n - y - z ra l l o yw a sb e t t e rt h a nz k 6 0a l l o y c o m p a r e dt ot h ei n a b i l i t ym a p so fz k 6 0a l l o ya n dm g - z n y - z ra l l o y , i tw a s s u g g e s t e dt h a tt h ei n a b i l i t ya r e ao fz k 6 0a l l o yf o c u s e do nh i 曲s t r a i nr a t ea r e a ，a n d t h ei n a b i l i t ya r e ao fm g - z n y - z ra l l o yl o c a t e do nt h ea r e ao fl o wt e m p e r a t u r ea n d v 上海交通大学博士学位论文 h i 曲s t r a i nr a t e t h ei n a b i l i t ya r e ao fz k 6 0a l l o yw a sb r o a dc o m p a r e dw i t h m g z n - y - z ra l l o y a tl l i 曲t e m p e r a t u r e ，t h ed r xm e c h a n i s m so fm g z n - y - z ra l l o yw a sm a i n l y c o n t i n u o u sd r x a tl o wt e m p e r a t u r e ，t w i n i n gd r xo c c u r r e d t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so f m g - z n - y - z ra l l o ya tl o wt e m p e r a t u r ew e r em a i n l y b a s a ls l i pa n dt w i n i n g t h ec r o s ss l i pw a sa c t i v a t e df o rc o n c e r t i n gb a s a ls l i pa n d p r i s m a t i cs l i p t h et w i n i n ga n ds e c o n d a r yt w i n i n go fm g - z n - y - z ra l l o yo c c u r r e da t l o wt e m p e r a t u r e b e l o n gt o l o 1 2 s y s t e m t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so f m g - z n y - z ra l l o ya th i 曲t e m p e r a t u r ew e r em u l t i p l e t h et w i n i n go fm g z n y 二z r a l l o yo c c u r r e d a t h j 曲t e m p e r a t u r eb e l o n g t o 1 0 1 2 ) s y s t e m a n d 1 0 1 i ) s y s t e m t os o l l lu p ，t h ea d d i t i o no fy t t r i u me l e m e n to nz k 6 0a l l o yh a dag o o de f f e c to n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df o r m a b i l i t yo f t h ea l l o y k e yw o r d s ：m g - z n - y - z ra l l o y , z k 6 0a l l o y , y t t r i u m ，i - p h a s e ，d r x ，c o n t i n u o u s d r x m e c h a n i s m s ，c l i m b ，t w i n , b a s a ls l i p v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 眭咀 日期：l 6 年4 月l 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：；长娅指导教师签名： f 肛 日期：的诨年月i 日 日期：一6 年够月i 日 上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 镁及其镁合金是密度最小的金属结构材料【1 1 。在元素周期表中，镁的原子序 数为1 2 ，属i i a 族碱土金属。纯镁的密度为1 7 3 6 1 0 3 k g m 3 ，普通镁合金的密 度为( 1 3 ，1 9 ) 1 0 3k g m 31 2 3 1 ，最轻的镁合金( m g 、l i 合金) 的密度仅为0 9 5 1 0 3 k g m 3 ，可漂浮于水上p 一。常规镁合金比铝合金轻3 0 5 0 ，比钢铁轻7 0 以上，应用在工程中可大大减轻结构件质量。中国有着丰富的镁资源，菱镁矿储 量达2 7 亿吨，目前的我国的原镁产量占世界第一位。 镁合金有很多的优点，比如，高比强度和比刚度，尺寸稳定性好，导热性好， 有良好的电磁防护特性和抗震能力，而且容易回收1 5 , 6 1 。和复合材料相比，镁合 金还有突出的优点：它的机械加工性能好，抗老化，而且原料丰富( 海水中富有 镁元素容易提取) 。在目前铁矿资源紧张的情况下，开发和利用镁作为替代材料 也成为必要。正是在这一背景之下，镁的很多优点受到人们的重视。因此它被广 泛的应用于航空、航天、电子、通讯、汽车工业【7 - 1 0 1 。 然而在这些领域中，镁合金构件大部分以铸件的形式存在，变形产品较少。 虽然铸件的尺寸、表面质量和机械性能能够满足一般场合下的要求，但由于镁铸 件通常存在缩松、缩孔和夹杂等铸造缺陷，使得镁零件的力学性能难以满足更高 要求。变形镁合金材料可以提供尺寸多样的板、棒、型材及锻件产品，并且可以 通过材料组织结构控制，热处理工艺改进，获得更高的强度，更好的延展性及更 多样化的力学性能，可以满足多样化结构件的要求，其应用领域可进一步扩大 【1 ”。因此，发展变形镁合金及其变形加工技术具有重要的意义，也是目前镁研究 的热点之一1 1 2 1 。与铸造工艺相比，镁合金的热变形不仅不会污染环境，而且镁 合金热变形后合金的组织得到细化，消除了铸造缺陷，产品的机械性能大大提高。 1 2 变形镁合金的开发与应用 根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类 上海交通大学博士学位论文 1 3 1 。前者主要通过铸造获得镁合金产品。变形镁合金一般是指经挤压、轧制、 锻造所获得的产品。从2 0 世纪4 0 年代开始，镁合金被广泛的应用于汽车、航空、 航天等领域，进入9 0 年代后期，变形镁合金产品也开始应用在自行车、电子产 品以及其它民用产品领域。 1 2 1 镁合金及变形镁合金的应用领域 在汽车工业的应用一直是镁合金发展的主要推动力量，8 0 年代中后期镁合 金复兴的直接原因就是汽车行业的需求。镁合金在汽车上的应用已经有许多年的 历史。本世纪二十年代镁合金开始用于赛车上，但其大量应用始于大众 ( v o l k s w a g e n ) 汽车公司于1 9 3 6 年推出的b e e t l e 汽车，其发动机和传动系统上 使用了超过l s k g 的镁合金。到八十年代初，大众公司共生产了1 9 0 0 万辆b e e t l e 车，用掉约3 8 万吨镁合金【1 4 l 。 镁合金在汽车上的应用主要是发动机和传动系统的壳体类零件，以及包括座 椅零件、仪表盘、踏板托架和转向盘等在内的车内零件“5 1 。镁合金在汽车上很 具有潜力的应用是较大的整体部件，如发动机罩，后备行李箱盖，车顶板，车 体加强板，内侧车门框架和后部车厢隔板，甚至是发动机缸体【1 6 】。 变形镁合金在汽车工业的应用有以下几个方面。用热冲压成型方法制作的板 材来做车身零件。用热锻、热冲压成型工艺生产汽车底盘等承载件。变形镁合金 在汽车上主要用来制作壳零件、支撑类结构部伊m 。 在航空航天领域，镁合金由于密度小、刚性好、强韧性好且能够有效减轻重 量，很早就应用于航空航天工业，特别是m g - l i 合金，具有很高的强度、韧性和 塑性，是航空航天领域最有前途的材料。如座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、 副蒙皮、直升机上机匣等用m g l i 合金制作【m 。 在自行车领域，由于镁合金重量轻，比强度高，耐冲击，阻尼性好，制造的 自行车轻便，舒服，速度快。用镁合金制作自行车车架仅重1 4 k g ，整车重4 k g 。 目前已开发出符合a s t m b l 0 7 规范要求的镁合金管件和棒材，成车有镁合金登山 车，折叠车，零件有曲柄，竖管，做管，夹器，车圈和车架附件 1 8 l 。 镁合金在电子工业中的应用f ； 景较好。镁合金主要用来生产笔记本电脑、移 2 上海交通大学博士学位论文 动电话以及数码视听产品的壳体1 9 1 。有着轻便，美观，传热好和防电磁屏蔽的 能力强等优点。笔记本电脑、可携带式音乐播放器等家用产品的轻量化、可回收 性和环保的要求使得镁合金材料部分代替传统的塑料材料。 1 2 2 各国研究状况 由于镁的快速发展，各国都在不断拓展镁的应用领域。其中美国的变形镁合 金材料体系较为完备，合金系列有m g 一越、m g - z n 、m g - r e 、m g l i 、m 哥t h 等，可 以加工成板、棒、型材和锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶 态镁合金及镁基复合材料等1 3 , 1 2 1 3 】。日本在1 9 9 9 年由教育部、科技部、体育部和 文化部共同组织实施了“p l a f f o r n ls c i e n c e 锄dt e c h n 0 1 0 9 yf 醯a d v a l l c e d m a 弘e s m ma l l o y 计划【1 1 川，着重研究镁的新合金、新工艺，开发超高强变形镁 合金材料和可冷压加工的镁合金板材。 英国开发出m g a i b 挤压镁合金用于 m a 盟o x 核反应堆燃料罐【2 l 】。以色列最近也研制出用在航天飞行器上、兼具优良 力学性能和耐蚀性能的变形镁合金【2 2 】。 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、 棒和型材，对于新型变形镁合金的开发与研究不足。国防军工航天航空用高性能 镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行大力开发，因此，研究和开发性能优 良、规格多样的变形镁合金材料显得十分重要。 1 3 镁的特点及镁合金的基本变形特性 1 3 1 镁的特点 镁是第1 i 族金属元素，银白色，2 5 下的比重为t 7 4 酚m 3 ，是一种轻有色 金属。镁具有密排六方结构，2 5 时，a = o 3 2 0 2 m ，c = 0 5 1 9 9 啪，c a = 1 6 2 3 5 ， 配位数等于1 2 时，原子半径为o 1 6 2 m 。镁的主要物理性能如下表： 上海交通大学博士学位论文 表1 - 1 镁的主要物理性能 t a b l ei - 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so f m a g n e s i u m 比重熔点膨胀系数导热系数比热 弹性模量 丝里： 旦! 壁! !型! 璺：兰! 塑堡：竺墅1 1 7 46 5 l2 6 11 4 51 0 1 7 4 4 6 与其它金属相比，镁的比热和膨胀系数较大，弹性模量较低。纯镁的屈服强 度较低( 铸态和变形态分别为2 5 m p a 、9 0 m p a ) ，力学性能差，不能直接用 作结构材料，只有通过合金化才能提高镁的性能。 1 3 2 镁及镁合金的塑性变形机制 1 3 2 1 滑移 密排六方( h c p ) 晶体中的滑移系有b u r g e r 矢量为a 3 1 1 o ，的基顽1 0 0 0 l j 主 滑移系、棱柱面 l o i 0 滑移系和一级锥面 1 0 i l ) 滑移系；b u r g e r 矢量为1 3 ( c + a ) 的一级锥面( 1 i 硒和二级锥面0 1 j 2 ) 滑移系。另外还有锥面滑移系 1 1 0 i 2 cl l j o ， 2 3 蜘。密排六方( h c p ) 晶体常见的晶面和晶向及滑移系如图1 - 1 所 示，独立滑移机制列于表l 之。 ， o o o i ) ， ( a ) 图l lh e p 晶体的滑移系示意图 f i g 1 - ls l i ps y s t e mo f h c ps t r u c l u r e ( a ) 主滑移系 0 0 0 1 ) 和棱柱面滑移系 1 0 硒) ； ( b ) b u r g e r 矢量为a 3 的一级锥面f l o i l ) 和 l o i 2 ) 滑移系： ( c ) b u r g e r 欠鼍为1 1 3 ( c + a ) 的一级锥面j l 和- 二级锥面 j 1 2 2 ) 滑移系。 4 上海交通大学博士学位论文 纯镁的晶体结构为密排六方( h c p ) a = 0 3 2 0 9 r m l ，c = 0 5 2 1 1 r i m ，c a = 1 6 2 3 6 ，与理 想值1 6 3 3 十分接近。一般来说，密排六方晶体的轴比c a 影响棱面滑移的出现， c a 较大的金属( c d 和z n ) 以及接近理想c a 比的金属( m g 、c o 等) 优先在基 面滑移f 2 8 , z g l 。优先在棱面上滑移的金属( z r 、t i 、h f 和r u 等) 的c ，a 比都比理 想值低3 左右。镁的滑移系优先在基面启动，温度升高后，棱面滑移系变得活 泼。 镁多晶体在温度低于2 2 5 时塑性变形限于基面 o o o l ；1 1 5 0 ，滑移和锥面 t o i 2 c l o i l ，挛晶。棱面滑移系在常温下不话泼，难以启动。在熔炼铸造中加入 l i 和i l l 可激活棱柱面滑移系，可使合金在较低温度下更具有延展性i l “。在温度较 高，变形量较大的情况下，可开动c + a 柏氏矢量的锥面滑移体系。锥面滑移体系 提供五个独立的滑移方式。只有锥面滑移体系启动，才满足变形所需的五个独立 滑移系的要求。但是锥面滑移体系的c + a 柏氏矢量大，晶面间距小，因而位错芯 较窄，滑移不易发生。在实验中发现，通常锥面滑移为辅助滑移方式f 3 0 l 。在温 度较高时，交滑移参与变形。镁合金的棱面滑移机制与交滑移机制有关。f f i e d e l 提出在应力作用下，基面上分解的a 位错可以在一个足够长的范围内重新结合以 便能够在棱面上滑移，即交滑移。具有刃型分量的位错通过交滑移在棱面上滑移， 直至穿过整个晶面，与正负相反的位错结合或遇到阻滞。这种阻滞如果在螺型位 错附近发生，则螺型位错自动分解为基面上的分量以降低能量。进一步的滑移需 要基面上的刃型分量的不断重新组合以便在棱面上形成螺型位错 3 h 。 表l 2h o p 晶体塑性变形的独立滑移机制 t a b l e1 - 2s l i ps y s t e mo f h o ps t r u c t u r ei np l a s t i cf o r m i n g 1 3 2 2 滑移挛晶 上海交通大学博士学位论文 在较高的应变速率和较低的温度下，孪晶容易发生。对于镁舍金来说，孪晶 是一种重要的变形机制。镁中常出现的孪晶是( 1 0 i 2 ) ti o - 1 ，。另外孪晶还可发生在 1 0 i l 、 l o i 3 ) 、 l o 西、 l i 萄l 等晶面上p 2 - 3 4 。在镁合金中，在 i o i 2 l 和 l l - l 面上孪生 为拉伸孪晶，而在 f o i l 面上孪生为压缩孪晶。 孪晶不仅是变形的一种方式，而且由于孪晶的形成改变了晶体的位向，使其 中某些原处于不利的滑移系转变到有利于滑移的位置，激发进一步的滑移和变 形。在低温的情况下，一般只有基面滑移系参与滑移，即三个几何滑移系统。它 们的临界分切应力比其他类型滑移系统低得多。但是只有三个滑移系统不可能协 调有c 轴方向拉伸和压缩应变产生的任何变形。实验观察表明，这些变形通过机 械孪生来协调。诱发孪生所需的应力小于激活其他滑移系所需的应力。并且在晶 体中观察到的c 轴压缩变形与拉伸变形所引发的机械孪生属于两种孪生系统，其 分别诱发压缩孪晶和拉伸孪晶阅。孪晶本身对塑性变形的贡献并不大，但它可 以使不利于滑移和孪生方向的晶粒重排，从而便晶粒取得有利的位置，以便进一 步滑移和孪生。当孪晶达到一定比例时，初生孪晶内部的二次滑移和孪晶可以产 生较大的应变，使得滑移- 孪晶和挛晶孪晶的交互作用从能量上变得可行。 在变形过程中，孪晶容易诱发断裂。李晶和断裂都是弹性应变( 或应力) 释 放的必要过程，对其中一个有利的条件必然满足另一个发展所需的条件。当一个 正在形成的挛晶与晶界反应，高的应力集中可能会在相邻晶粒的附近区域发生， 从而产生孪晶形核或裂纹。另一方面，当一个前进裂纹遇见一个孪晶，其前进 方向可能会转向孪晶内部的贯习面或者改为沿孪晶基体界面。金属的表面能和 孪晶界面能在决定是孪晶或断裂时起着主要作用【3 0 1 。 i 3 3 镁合金的应力应变特征及变形机理 1 3 3 1 镁合金的应力应变特征f 3 6 3 7 】 镁及其合金层错能较低，其滑移面上不全位错之间的层错带( 扩展位错) 较 宽。这种相距较远的不全位错很难聚成全位错，因而滑移和攀移均很困难，动态 回复速度慢因而难以完成。随着变形量的增加，由于动态回复难以发生，不能缓 解位错缠结，产生足够高的局部位错密度差，促使再结晶的发生。因此，镁合金 6 上海交通大学博士学位论文 即使在较低的温度下变形，其流动应力应变曲线也呈现动态再结晶的特征，出 现明显的应力峰值。应力峰值是由位错累积产生的硬化和和动态再结晶产生的软 化叠加的结果。动态再结晶在应力峰值稍前一点开始。图1 - 2 给出了纯镁和z k 6 0 镁合金的流动应力应变曲线娜】。在4 2 3 5 2 3k 低温区，纯镁的流动应力增加很大， 呈现明显的加工硬化趋势，动态再结晶后加工软化较为明显。而z k 6 0 合金在4 2 3 k 时与之类似；在中湓区( m g 在5 7 3 - 6 2 3k ，z k 6 0 合金在4 7 3 5 2 3k ) ，随着温度的 升高，应变硬化很快减弱；在高温区( m g 在6 7 3 7 7 3kz k 6 0 合金在5 7 3 - 7 2 3k ) ， 经过小的应变后即可实现稳定的流动状态。 f 专 啦舅f ，h h ，k 州锈台垒 图l - 2 不同温度时流变应力应变曲线( 应变速率s = 2 8 x1 0 3 s 1 ) f i g i - 2f l o wc u r v e sa tv a r i o u st e m p e r a t u r e s ( 占2 ，8 1 0 4 一) 1 3 3 2 镁合金塑性变形机理 镁合金的塑性变形机理还不十分清楚，至今还没有能完整地解释所有温度 区间和应变速率下镁变形行为的理论，很多学者解释变形行为的理论模型也不 同。 文【3 9 1 通过压缩变形研究了z k 6 0 在不同温度下的变形机制。从位错结构的发 展和流动应力行为的不同可分出，在三种温度范围内有三种变形机制。( 1 ) 低温 区( 4 7 3 k 以下) ( 2 ) 中温区( 4 7 3 k - 5 2 3 k ) ( 3 ) 高温区( 5 2 3 k 以上) 。 在低温时，变形机制主要以基滑移和机械孪晶为主，基滑移面上所需的临界 剪切分力较小，并且孪晶较其他滑移系容易启动。这是镁合金典型的低温变形机 7 _山可亡三r荔 上海交通大学博士学位论文 制。从图( 1 - 3 a ) 可看出4 2 3 k 时，基滑移是主要的变形机制。但是这两种变形 机制不足以协调晶界变形。由此而引起较高的协调应力实际上超过一些非基滑移 面( 特别是n 1j 2 ) ) 上的l 临界剪切应力，从而启动了这些非基滑移系。 图( 1 - 3 b ) 显示出在基滑移线周围有很多倾斜5 5 度短且细的滑移线。这些非基 滑移线与样品表面( 1 lj 2 ) 的迹线相吻合。而且在n lj 2 ) 面上的滑移的位错 为a 托刃型位错。a + c 滑移系的启动促使大角度晶界产生。动态回复的发生和材 料断裂前的延伸率较大也证实了非基滑移系的启动。一般来说，动态回复需要形 成三维的位错结构，所以非基滑移系必须参与。 图l - 3z k 6 0 的变形表面s e m 图( e = 1 2 ，j ；2 8 x1 0 。s 1 ) ( a ) t = 4 2 3 k 基滑 移产生的长且直的滑移线( b ) t = 4 2 3 k ( 1 1j 2 ) 滑移产生的短且细的滑移线 ( c ) t = 5 2 3 k 原始晶粒内的基滑移线和非基滑移线( d ) t = 5 2 3 ka 位错交滑移产生的波 浪状短线( e ) ( f ) t = 6 2 3 k 大量的多滑移 f i g 1 - 3s e mm i c r o g r a p h so f d e f o r m e dz k 6 0s u r f a c e 在中温时，位错滑移系统与交滑移有关。在5 2 3 k ，图( 1 - 3 c ) 显示出在原 上海交通大学博士学位论文 始晶粒内的基滑移和非基滑移特征明显。在图( 1 - 3 d ) 中，发现在临近原始晶界 处有短的波浪状的滑移线，此种滑