（材料加工工程专业论文）zk60镁合金热挤压变形组织及力学性能的研究.pdf

摘要 与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，目前镁合金的产量只有 铝合金的1 。镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工成板、带、 棒、型材等，因此镁合金主要采用铸件作为结构材料使用。随着航空、汽车、 国防、电子工业的开发和进展，现有镁合金已难以满足某些特殊的要求，迫切 需要开发各种新型的高性能镁合金。因此，积极探索改善镁合金的力学性能和 成形性能的途径，对于推动镁合金材料的应用并发挥其性能优势具有重要意义。 为了推动我国的镁工业，必须大力开发变形镁合金及其生产工艺。 本研究以镁合金z k 6 0 为研究对象，z k 6 0 镁合金作为目前商用变形镁合金 中强度最高者，提高塑性对扩大其应用至关重要。选择热挤压做为处理z k 6 0 镁合金的技术方法。设计出适用的热正挤压模具，根据模具准备好z k 6 0 镁合 金毛坯。选择不同的挤压温度和不同的挤压比对z k 6 0 镁合金进行热挤压，研 究热挤压出的z k 6 0 镁合金在挤压温度和挤压比两个条件的同时作用下显微组 织和力学性能上的变化，并分析显微组织和力学性能之间的关系。研究有以下 结论： ( 1 ) 在3 0 0 。c 一，4 0 0 温度之间进行热挤压，z k 6 0 镁合金主要发生的是 动态再结晶，动态再结晶形成机制以连续动态再结晶为主，变形机制以位错运 动、晶界滑移和扩散蠕变为主。 ( 2 ) 选取3 1 0 、3 4 0 、3 6 0 下进行挤压，晶粒相对于铸态下有效细 化，晶粒尺寸最小约在1 0 p r o 左右；3 4 0 c 是理想的热挤压温度，组织均匀细小， 综合性能优良。选取6 2 5 、4 、2 2 5 三种挤压比，随挤压比的增大，晶粒细化效 果逐渐增强。 ( 3 ) 对热挤压出的z k 6 0 镁合金做力学实验，包括拉伸实验和硬度测试， 测试机械性能。可以看出，晶粒细化、组织均匀越明显，力学性能上效果越好， 在3 4 0 * ( 2 、6 2 5 挤压比下，硬度、抗拉强度和延伸率分别为7 5 5 h b 、3 7 8 m p a 和2 4 0 7 。 关键字：z k 6 0 镁合金；热挤压；晶粒细化；变形性能 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h ea l u m i n i u ma l l o y , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f m a g n e s i u ma l l o yi sn o ts u f f i c i e n t ，n o w a d a y s ，t h ep r o d u c t i o no fm a g n e s i u ma l l o yi s o n l y1 o ft h ea l u m i n i u ma l l o y s m a g n e s i u mb e l o n g st ot h em e t a lo fc l o s e p a c k e d h e x a g o n a ls t r u c t u r e ，i t sc a p a c i t yo fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni ss ol o w , t h a ti tc a nb e d i f f i c u l tt op r o c e s s e di n t ob o a r d ，b e l t ，r o d s ，p r o f i l e sa n ds oo n ，t h e r e f o r em a g n e s i u m a l l o yi sm a i n l yu s e di t sc a s t i n g sa ss t r u c t u r a lm a t e r i a l s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e ，d e f e n s ea n de l e c t r o n i c si n d u s t r y , t h ee x i s t i n gm a g n e s i u m a l l o yc a n n o tm e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oe x p l o r e a c t i v ea p p r o a c ho fi m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d f o r m a b i l i t y , t h u st op u s h t h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o ya n dd e v e l o pi t sp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e s i no r d e r t op r o m o t et h em a g n e s i u mi n d u s t r yi nc h i n a , w em u s tm a k eg r e a te f f o r t st od e v e l o p t h em a g n e s i u ma n di t sp r o d u c t i o np r o c e s s i nt h i ss t u d y , w eu s ez k 6 0m a g n e s i u m a l l o ya st h er e s e a r c ho b j e c t z k 6 0a st h e c o m m e r c i a lm a g n e s i u ma l l o yw h i c hh a st h eh i 曲e s ts t r e n g t h ，i m p r o v i n gp l a s t i ci s v e r yi m p o r t a n tf o re x p a n d i n gi t sa p p l i c a t i o n w ec h o o s eh o te x t r u s i o na st e c h n i q u e t op r o c e s sz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y a n dw ed e s i g nt h er i g h th o te x t r u s i o nm o u l d ， a c c o r d i n gt ot h em o u l dw ep r e p a r et h er i g h tz k 6 0m a g n e s i u ma l l o yb l a n k w e e x t r u d et h ez k 6 0m a g n e s i u ma l l o yu n d e rt h ed i f f e r e n te x t r u s i o nt e m p e r a t u r ea n d d i f f e r e n te x t r u s i o nr a t i o ，r e s e a r c ho nt h ec h a n g eo fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h eh o te x t r u d e dz k 6 0m a g n e s i u ma l l o yw h e n i ta f f e c t e db ye x t r u s i o n t e m p e r a t u r ea n de x t r u s i o nr a t i oa tt h es a m et i m e ，a n dw ea l s oa n a l y z et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h er e s e a r c hh a s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) h o te x t r u s i o ni n3 0 0 c - - 4 0 0 c ，w h a tm a j o rh a p p e n e di nz k 6 0m a g n e s i u m a l l o yi sd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n sf o r m a t i o nm e c h a n i s m m a j o ri s c o n t i n u o u sd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；a n dt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m m a j o ri n c l u d e sd i s l o c a t i o nm o t i o n 、g r a i nb o u n d a r ys l i d i n ga n dd i f f u s i o nc r e e p ( 2 ) s e l e c t i n g3 1 0 c 、3 4 0 。c 、3 6 0 ca sh o te x t r u s i o nt e m p e r a t u r e ，g r a i nr e l a t i v e i i a s c a s t se f f e c t i v er e f i n e m e n t ，t h el e a s tg r a i ns i z ei sa b o u t10 a n ，3 4 0 ci st h ei d e a l h o te x t r u s i o nt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y , z k 6 0m a g n e s i u ma l l o y s o r g a n i z a t i o ni s e q u a l i t ya n dt i n y ；i t sc o m b i n a t i o np r o p e r t yi se x c e l l e n t w ec h o o s e6 2 5 ，4 ，2 2 5t h r e e e x t r u s i o nr a t i o ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n ge x t r u s i o nr a t i o ，t h eg r a i nr e f i n e m e n te f f e c t i n c r e a s e d ( 3 ) u s i n gt h ee x t r u d e dz k 6 0m a g n e s i u ma l l o yt od om e c h a n i c se x p e r i m e n t s ， i n c l u d i n gm a g n e s i u mt e n s i l et e s t i n ga n dh a r d n e s st e s t i n g ，t e s t i n gi t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w bc a ns e et h a t ，t h eb e r e rt h eg r a i nr e f i n e m e n ta n dt h eo r g a n i z a t i o n e q u a l i t y , t h eb e t t e re f f e c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e x t r u d eu n d e rt h ec o n d i t i o n o f3 4 0 ，a n dt h ee x t r u s i o nr a t i oi s 6 2 5 ，t h eh a r d n e s s ，t e n s i l es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o no ft h ez k 6 0m a g n e s i u ma l l o yi s7 5 5h b ，3 7 8 m p aa n d2 4 0 7 k e yw o r d s ：z k 6 0m a g n e s i u ma l l o y ；h o te x t r u s i o n ；g r a i nr e f i n i n g ；d e f o r m a t i o n c a p a b i l i t y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：登铷导师 ( 注：此页内容装订在论文扉页) b9 f 。f 6 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 镁及镁合金概述 第1 章绪论 从1 9 世纪末，随着工业文明的快速发展，地球矿产资源，尤其是金属矿产 资源日益减少，一些金属甚至面临枯竭。资源和环境日益成为全世界普遍关心 的热点，是2 1 世纪可持续发展的首要问题【l 】。 世界镁矿资源极其丰富，其在地壳中的储量丰富，约占地壳总蕴藏量的 2 7 7 。在大多数国家中都能发现镁矿石，已知含镁矿多达6 0 余种，其中有工业 价值的有菱镁矿( m g c 0 3 ) 、白云石( m g c 0 3 c a c 0 3 ) 和光卤石 ( m g c l 2 k c l 6 h 2 0 ) 等。此外，占地球表面积7 0 的海洋也是一个天然的镁资 源宝库，可谓取之不尽，用之不竭【2 】。 镁作为一种轻质工程材料具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性 好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于回收等优点，尤其可以 满足2 1 世纪航天、航空、现代交通工具对减重、节能和环保的要求，并可替代 某些工程塑料以满足3 c 产品的重量轻、薄壁小型化和高集成的要求，已日益成 为现代交通工具尤其是汽车以及3 c 产业的最佳选材之一，被称为“2 1 世纪的绿色 工程材料”例。 工业用镁的纯度可以达到9 9 9 ，但是纯镁不能用做结构材料。若在纯镁中 加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度，可以作 为结构材料广泛应用。 镁合金弹性模量低。当受外力作用时，依据弹性变形功与弹性模量成反比 原理，零件发生较大的弹性变形，吸收较大的形变功。意味着零件承受震动时 能吸收较多的能量。例如一种含锆的镁合金k i a 在2 0 时的减震能力不仅远高于 铝合金，而且比灰口铸铁高倍。镁合金的这一特性可以减少受震设备机壳的噪 音传递、有效预防零件凹陷性损坏。所以用镁合金材料作汽车的结构件可减轻 汽车在运动中的噪音和震动。 镁及其合金的熔点低( 如纯m g 为6 4 9 。c ) ，由于熔点低，可以容易地获得较 高的过热温度，所以大多数镁合金的流动性比较好，充型能力优于常用的其他 金属。镁的这一优点可用于压铸薄壁件而不会出现热裂和欠铸等缺陷，制品壁 武汉理工大学硕士学位论文 厚可小于0 6 m m ，而铝合金制品的最小厚度只能在1 2 - - - , 1 5 m m 范围。 镁合金的比热值低。与铝合金相比，镁合金的单位热含量低，故可在模具 内能更快速地凝固，从而有效地缩短了压铸件在型内的停留时间。所以镁合金 的压铸生产率高，比铝合金高4 0 - - - 5 0 ，最高可达铝合金压铸生产率的2 倍。 镁合金具有高的散热性。其导热能力是a b s 树脂的3 5 0 - - - 4 0 0 倍，特别适合于 制作元件密集的电子产品。镁合金具有优于铝合金的电磁屏蔽性能以及阻隔电 磁波功能，所以适合于制作发出电磁干扰的电子产品，也可以用作计算机、手 机等产品的外壳，以降低电磁波对人体辐射危害。 但与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，目前非铸态镁合金的 产量只有铝合金的1 。镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工 成板、带、棒、型材，因此镁合金主要采用铸件作为结构材料使用。限制镁合 金广泛应用的主要问题还有：镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，镁 合金的生产难度很大；镁合金生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成型技 术就更有待进一步的发展；镁合金的耐蚀性较差。纯镁具有较好的耐蚀性，但 如果形成合金或者在纯镁中含有f e 、c u 、n i 杂质元素，会明显降低耐蚀性。其 中n i 的危害最大，不能超过5 p p m ，而c u 的则影响小一些，其含量可允许达到 1 3 0 0 p p m 。镁合金在潮气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀，但镁 合金在干燥的大气、碳酸盐、氟化物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、 汽油、煤油及润滑油( 不含水和酸) 中却很稳定。镁与氧的化学亲和力很强，但表 面生成的氧化膜不致密，液态下该表面更为疏松，故氧化剧烈且容易燃烧。由 于镁合金易氧化的性能，它在焊接时需采用氢弧保护。现有工业镁合金的高温 强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温( 1 5 0 - - - 4 0 0 ) 场合的应用；镁合 金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高；镁合金的合金系列 相对较少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能充分适应不同场合的要求等 4 - 7 o 镁合金的发展潜力和应用优势，引起了许多国家政府、企业和研究机构对 镁合金及其成形技术的高度重视，投入了大量的人力、财力进行开发研究，随 着对镁及其合金的制备、加工技术及相关基础问题的研究，上述问题可望得到 很好的解决。 2 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 镁合金的种类 一般来说镁合金的分类依据有三种：合金化学成分、成形工艺和是否含锆。 按化学成分，镁合金主要分m g a 1 、m g - z n 、m g m n 、m g r e 、m g z r 、m g t h 、 m g a g 和m g l i 等二元系，以及m g - a 1 一z n 、m g - a 1 - m n 、m g - m n c e 、m g r e z r 、 m g z n z r 等三元系及其它多组元系镁合金【8 9 】。 按成形工艺，镁合金可以分为铸造镁合金和变形镁合金。两者在成份、组 织性能上存在很大差异。铸造镁合金多用压铸工艺生产，主要应用于汽车零件、 机件套壳和电气构件等，其主要工艺特点为生产效率高、精度高、表面质量好、 铸态组织优良、可生产薄壁及复杂形状构件等。为了使镁合金能够大量用作结 构材料，开展变形镁合金的研制非常必要。由于密排六方的镁变形能力有限， 易开裂，因此早期的变形镁合金要求其兼有良好的塑性变形能力和尽可能高的 强度，对组织的设计，大多不含金属间化合物，其强度的提高主要依赖合金元 素对镁合金的固溶强化和塑性变形引起的加工硬化【1 0 1 1 】。目前，变形镁合金中 主要含有a 1 、m n 、r e 、y 、z r 、z n 等合金元素。这些元素一方面能提高镁合金 的强度，另一方面能提高热变形性，以利于锻造和挤压成形。a z 3 1 b 和a z 3 1 c 是最重要的工业用变形镁合金，具有良好的强度和延展性。a z 系列合金随a l 含量提高轧制开裂倾向增加，因此a z 6 1 合金很少以板材形式出售。目前开发成 功的z k 6 0 镁合金也是一种很有前途的新型变形镁合金【5 】。 铝、锆为镁合金中的主要合金元素。根据是否含有铝，镁合金可以划分为 含铝镁合金和无铝镁合金两类。由于大多数镁合金不含铝而含锆，从而市售镁 合金系也可以按照是否含锆划分为无锆镁合金和含锆镁合金两大类。锆对镁合 金具有强烈的晶粒细化作用，但是z r 和a 1 、m n 会形成稳定的金属间化合物并 沉入坩埚，从而无法开发含铝的a k 系镁合金【l2 1 。 1 3 镁合金中的合金组织 1 3 1m g a 1 一z n 系合金组织 根据m g - a l 二元相图( 见图1 1 ) ，m g a 1 系铸造合金组织在平衡状态下是由0 【 相和b ( m 9 1 7 a 1 1 2 ) 组成的。m g i 7 a 1 1 2 相为体心立方( b e e ) 晶体结构，其点阵常 3 武汉理工大学硕士学位论文 蚓j a = 1 0 5 4 3 8 n m 。b 相的数量随铝含量的增加而增岁1 3 1 。 k m e ，瓯 _ l i 9 3 3 3，k _ - - - ， 、 、 7 2 3 k ( a 1 ) 1 4y j 。 ( a朋 ， i a i a t i 9 2 2 k 、 7 1 0 k ( m 酌 m 3 1 ， ， ，【m l；卜y j lf 。 g1 2 1 6 图1 1m g a l z 元相图 灿是镁合金中常用的特征元素。根据m g a 1 - - 元相图，平衡结晶时，4 3 7 发生共晶反应：l - - - * o t ( m g ) + 1 3 ( m 9 1 7 a 1 1 2 ) ，共晶点含3 2 3 a 1 ，共晶温度时，a l 在 m g 中溶解度为1 2 7 。随温度下降溶解度降低，至1 0 0 时降为2 。当舢含量 小于1 0 时，随着舢含量增加，m g 合金的液相线及固相线温度均降低，m g 合金 的抗拉强度提高，伸长率则随着a l 含量增加先是提高然后下降。当a l 含量大于4 时，m g a 1 合金的耐腐蚀性能迅速提高【l 钔。 z n 也是镁合金常用的特征元素。根据m g z n 一- - 元相图，平衡结晶时，3 4 0 发生共晶反应：l - 0 【m g + m 9 7 z n 3 。m 9 7 z n 3 属于亚稳定相，随后冷却过程中分解 为q m g + m g z n 。共晶点含5 1 2 z n ，共晶温度时，z n 在m g 中的溶解度为6 2 。 随温度降低，其固溶度随温度的降低而显著减少，至1 0 0 时降为2 以下。当 z n 含量较小时( w 1 时) ，z n 在m g 的作用一方面表现为自身的固溶强化，另 一方面，少量的z n 还可以增加a 1 在m g 中的溶解度，提高灿的固溶强化作用。z n 含量大于2 5 时则对合金的防腐性能有负面的影响【1 5 1 6 】。 在m g - a 1 一z n 合金中，铝锌比是值得重视的一个参数。通过改变a l 、z n 含量 比例，对m g a 1 z n 合金进行力学性能测试后得出，当灿质量分数较低( 8 ) 时，随着 4 武汉理工大学硕士学位论文 z n 含量增加，抗拉强度降低，伸长率提耐1 7 】。为了获得具有良好综合力学性能 的合金，a 1 、z n 含量应有合适的比例。如图1 2 示。 q z l l 矾) 图1 2z n 含量对镁合金铸件性能的影响 图中对应的3 个区域为可铸造区、热裂区和脆性区。当含z n 质量分数很小( 1 ) 时，m g a 1 z n 合金处于可铸造区，随着z n 含量增加，进入热裂区，该热裂区 随a 1 含量不同而变化；当z n 含量进一步增加时，进入可铸造区和脆性斟1 8 】。因 此，要保证m g - a 1 z n 合金具有良好的铸造性能，灿、z n 含量应有一个合适的比 例。 1 3 2m g z n 系合金组织 m g a 1 合金具有较好的室温强度，但是其温度稳定性差。由于通过添加合金 元素而进一步提高m g - a 1 合金高温性能的作用有限，人们将注意力转而投向 m g z n 合金系。m g z n 合金系的研究集中在通过加入第三组元元素来降低m g z n 二元合金的脆性、热收缩性以及细化晶粒方面。这类合金的主要合金相已基本 确定【19 1 。 在m g - 9 z n - 元合金中由共晶反应生成的离异共晶沉淀物主要为m 9 5 1 z n 2 0 ， 其晶体结构为十二面体配位多面体结构，晶体空间点阵为正交系，空间群为 i m m m ，点阵常数为a = 1 4 0 8 3 n m ，b = 1 4 4 8 6 n m ，e = 1 4 0 2 5 n m 。根据m g z n - - 元相 图，共晶反应的结果产生了大量的共晶沉淀物m g s l z n z o 和与之相对应的m g t z n 3 。 在共晶区域有三种不同的组织相貌，除了m 9 5 l z n 2 0 沉淀粒子外，还有另外两种， 一种是片状沉淀m g z n 相，它是在凝固冷却过程中m 9 5 1 z n 2 0 部分分解产生；另外 5 武汉理工大学硕士学位论文 一种是由在共晶体粒子外层的m g s l z n 2 0 分解为片状的0 【( m g ) 和m g z n 相，及在 此共晶体粒子里层的m g s l z n 2 0 分解为a ( m g ) + m g z n 2 相构成的。经过3 1 5 。c 、4 h 固溶处理，然后水淬的组织则为m 9 5 1 z n 2 0 粒子完全分解后形成的中间相与c t ( m g ) 交织在一起的紧密混合物【2 0 1 。 m g z n 系合金最主要的缺点是晶粒粗大，易形成显微孔洞，j j h z r 可以细化晶 粒，改善其性能。z r 细化晶粒的主要原因是其在液态m g 中的溶解度很小，在液 态m g 结晶时，z r 首先以0 c z r 质点析出，而0 t z r 与m g 均为密排六方晶格，且晶格 常数非常接近，因此a z r 可以作为异质晶核促进m g z n 合金的晶粒细化。 1 4 镁合金的塑性变形 1 4 1 镁合金的塑性变形机制 塑性是金属材料的重要力学性能指标之一，它决定材料、零件和构件的塑 性成形性能和使用性能。镁合金在室温下塑性很低，伸长率只有4 n 5 ，挤压 加工是理想的成形方法，轧制加工则比较困难。挤压工艺较适用于低塑性材料 的成形加工。 纯镁及大部分镁合金均具有密排六方晶体结构，对称性低，其轴l g c a = 1 6 2 3 7 ，接近于理想的密排值1 6 3 3 。由于晶体发生塑性变形时滑移面总是原子 排列的最密面，而滑移方向总是原子排列的最密方向，因此多晶密排六方结构 的镁，其塑性变形在低于2 2 5 。c 时，仅限于通过基面 0 0 0 1 方向滑移和锥 面 1 0 1 2 方向孪生来实现，如图1 3 所示。与其它常用金属相比，镁的滑 移系少是造成其塑性变形能力差的主要原因【2 1 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 cl o l l b - f l l 疆l 图1 3 镁的滑移面和滑移方向 高于2 2 5 时，镁合金的附加角锥滑移面 1 0 1 1 1 1 2 1 ) 启动，这时镁呈现明 显的延性转变，塑性大大提高，有利于加工变形；同时由于发生回复、在结晶 而造成的软化也会使镁及镁合金具有较高的塑性，所以镁合金的压力加工如锻 造、轧制、拉拔和挤压等都在高温下进行【2 2 1 。 1 4 2 镁合金的塑性成形特点 1 4 2 1 镁合金的塑性变形温度 镁合金有良好的导热性，任何尺寸的毛坯或铸锭均可不经预热而直接放入 炉膛内加热。但镁合金中的原子扩散速度慢，强化相的溶解需要较长时间，故 实际采用的加热时间还是较长的。镁合金属于低塑性合金，加热温度和保温时 间不仅影响合金的塑性，而且还影响加工后的组织和机械性能。多数镁合金是 不能通过热处理强化的，如果加热温度过高、保温时间过长或者加热次数过多， 则晶粒尺寸增大，使镁合金的抗拉强度和屈服强度降低，产生软化现象2 3 七4 1 。 这种现象不能靠随后的热处理来补救，所以必须严格控制加工工艺。 大多数情况下镁合金塑性加工件的力学性能取决于加工中的应变硬化，故 应特别重视加热所产生的软化和变形强化的综合效果，尤其最终加工工序的加 热温度应取下限才能保证产品性能，但若温度过低将形成塑性加工裂纹。 镁合金塑性成形加工的一个重要目标是细化晶粒，对于在加工温度下晶粒 迅速长大的合金，实际中可采用降低1 5 2 0 的温度进行h n i t 2 5 】。对于具有很 小变形温度区间的工件，常在最低允许温度下加工，以得到应变硬化。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 2 镁合金的塑性成形特点 镁合金常温下容易脆裂，难以进行塑性成形加工。镁合金的变形温度范围 较窄，2 2 5 以上时塑性提高很大，而4 0 0 以上很容易产生腐蚀氧化，不宜塑 性加工，所以镁合金塑性加工温度控制在2 2 5 - - - , 4 0 0 c 之间【2 6 。2 9 】。而且镁合金与 冷模接触时极易产生裂纹，所以事先必须对模具预热。由于坯料与模具的接触 面积较大，变形时间较长，所以模具的加热温度要低于坯料加热温度。一般模 具的加热范围为2 0 0 - 3 0 0 。 挤压镁合金时为了减轻坯料与挤压筒之间的摩擦，通常采用润滑剂，同时 润滑剂还可以起到隔热作用，提高模具寿命。一般采用石墨、动物油等。 由于镁合金对变形速度极为敏感，所以变形速度不能太大。l a p o v o k t 刈对 a z 3 1 镁合金的研究表明，当挤压速度较低时( 4 m m s ) ，挤压板材表面质量良好， 随着挤压速度的增加，表面质量降低，当挤压速度过高时( 1 5 m m s ) ，表面容易 出现裂纹。因此将镁合金的挤压速度( 挤出速度) 定为5 1 5 m m s l ：l 较合适，所以液 压机是镁合金压力力n - v _ 的最常用设备。 1 4 3 镁合金塑性加工的研究进展 镁合金从2 0 世纪4 0 年代开始，被应用于汽车、航空、航天等领域，进入 9 0 年代后期，开始用于自行车、电子产品以及其它民用产品领域。当今社会， 镁合金材料的生产主要通过挤压、轧制、锻造等工艺实现。 余琨【3 l 】等人针对典型的m g a 1 z n 系a z 3 1 变形镁合金以及添加了0 8 c e 和0 8 n d 的a z 3 1 镁合金，研究了合金在轧制加工过程中组织与性能的变化 以及稀土元素对合金的影响，并探讨了合金的主要强化机制。研究结果表明 m g a 1 z n 系合金轧制加工过程中加工硬化严重，容易发生脆性断裂。湖南大学 程永奇1 3 2 】等人研究了z k 6 0 镁合金板材轧制加工过程中组织与性能的变化，直 接轧制的z k 6 0 镁合金板材，其组织为部分粗大的晶粒与部分细晶共存，在一 些粗晶内存在少量粗大的孪晶，细晶的存在表明轧制过程中发生不完全动态再 结晶，但晶粒细化效果非常不明显。 锻造工艺处理镁合金技术，目前也有一定的研究。胡伟辉p 副对a z 31 镁合 金锻造变形时的组织和性能进行了研究，结果表明，不同的温度下，热锻a z 3 l 镁合金相对于铸态下机械性能有不同程度的提高。张召春【3 4 】对铸态z k 6 0 镁合 金锻造及压缩变形规律进行了研究，结果表明对铸态z k 6 0 镁合金固熔处理以 8 武汉理工大学硕士学位论文 及锻压之后，铸态z k 6 0 镁合金的塑性能力有所提高。 挤压工艺对材料的组织、性能和变形机理的影响目前已有部分研究。 t s m o m um u r a l 3 5 】研究了挤压工艺对a z 3 1 b 镁合金的组织和性能的影响。宋孚 群【3 6 j 等人通过变形方法细化晶粒提高镁合金塑性。大挤压比( 1 0 0 ：1 ) 可获得细晶 镁合金挤压薄板，其晶粒尺寸为2 5 岬l 1 2 5 i i m ；大挤压比+ 轧制可获得平均晶 粒尺寸小于5 岬的细晶镁合金薄板。通过优化再结晶退火制度使镁合金具有最 佳的组织结构和良好的力学性能。于翔【37 】等人研究了挤压变形对m b l 5 镁合金 组织性能的影响，认为挤压变形可以细化晶粒，提高m b l 5 镁合金性能。另一 方面，通过在高温下挤压镁合金，韧性得到提高。m a r g a mc h a n d r a s e k a r a n 3 8 】等 人的研究探索了不同合金在不同温度挤压之后的性能变化情况，为提高镁合金 的低温成形性提供了依据。 西方发达国家十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金材料已开始 向系列化发展，产品应用领域不断扩展。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 - a 1 、m g z n 、m g - r e 、m g l i 、m g 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。美国与世界上最大的镁生产企业挪威n o v s kh y d r o 公司 签定了长期合作关系，以保证在2 1 世纪前期镁原料和镁产品的充足稳定的供 应。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 t f o r m s c i e n c ea n d t 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 1 b 挤压镁合金用于m a g n o x 核反应堆燃料罐。以色列也研制出用在 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【3 , 3 9 】。 我国对镁合金的研究、生产历史比国外短，基础理论研究薄弱，商业化的 变形加工产品寥寥无几【3 , 1 3 】。可是，我国的镁资源却十分丰富，是镁原料的出口 大国。为解决上述矛盾，国家近年来对变形镁合金的研究、开发和产业化相当 重视，将其列为十五材料领域发展规划的重点任务。从我国的实际状况出发， 为使变形镁合金的整体研究水平在较短时期内得到有效提高，应着重在以下两 大方面开展工作：( 1 ) 研制超轻、高强、耐蚀、耐热的变形镁合金，增多品种规 格( 2 ) 对己有的变形镁合金在成形技术、加工工艺、合金设计、变形前后的组织 控制、表面处理、力学性能、成形理论、变形机制、生产成本与效率等方面存 在的问题进行研究。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5z k 6 0 镁合金 1 5 1z k 6 0 镁合金的组织 z k 6 0 镁合金是m g z n z r 系合金中最具代表性的合金，其合金主要成分为 5 肛6 0 w t z n ，0 3 0 9 w t z r ，余量为m g 。z n 在合金中的作用明显，含量少 于3 的z n 可提高镁合金强度，增加熔体流动性，有形成显微疏松倾向，是弱 的晶粒细化剂，有沉淀硬化作用，对腐蚀性能影响较小。但含量大于3 的z n 有产生疏松和高温脆性的危害。因此，m g z n 合金需要寻找第三种合金元素来 细化晶粒，减少显微疏松的产生倾向。z r 在镁合金中的极限溶解度为3 8 ，是 高熔点金属，其熔点为1 8 8 5 。z r 与m g 具有相同的晶体结构，m g z r 合金在 凝固时，能够析出a z r ，作为结晶时的非自发形核核心，细化晶粒。在镁合金 中加入0 5 - 0 8 的z r ，其细化效果最佳。z r 可减少热裂倾向，提高力学性能 和耐蚀性，降低应力腐蚀敏感性。z r 与s i 、a 1 和m n 不相容，可从熔体中清除 f e 、舢和s i 等杂质，改善室温抗拉性能【4 0 1 。 三 篡 o o 2 暑 歪 。 厶 董 o a t o n f i cp e r c e n tz n m g z n 二元相图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 m g z r 二元相图 图1 4m g 。z n 、m g z r 二元合金相图 由于目前尚无m g z n z r 三元合金相图，所以人们对其组织的研究只能依靠 m g z n 、m g z r 二元合金相图( 如图1 4 ) 进行分析。 m g - z n 二元相图上文中已经分析，表1 1 是m g z n 二元相图中主要相转变 和对应的温度和转变类型，合金成分为原子百分数( a t ) 。 表1 1m g z n 相图中主要相转变和对应温度和转变类型 由m g - z r 二元相图我们又可知，m g z r 二元系为包晶反应，z r 在液态镁中 的溶解度很小( o 6 w t ) ，合金凝固时z r 首先以a z r 质点的形式析出，在6 5 4 。c 时发生包晶反应：l + a z r _ 仅m g ，a m g 包覆在0 【z r 质点的外部形成包晶组织。 武汉理工大学硕士学位论文 由于a z r 和a - m g 均为密排六方晶体结构，晶格常数很接近( a m g = o 3 2 0 h m ， c m g - o 5 2 0 n m ；a z r = 0 3 2 3 n m ，c z r = 0 5 1 4 n m ) ，结构尺寸匹配，因此a - z r 可成为0 【一m g 的结晶核心，从而细化晶粒。 1 5 2z k 6 0 镁合金的力学性能 z k 6 0 合金之所以受到人们的青睐，是因为它是现在所有商用镁合金中强度 最高的一种，又由于镁合金本身轻的缘故，因此z k 6 0 合金几乎是所有材料中 比强度最高的一种。z k 6 0 合金的室温力学性能以及和其它材料的比强度比较见 表1 2 ，表1 3 所示【4 舶。 表1 - 2z k 6 0 镁合金室温力学性能 z k 6 0 挤压型材( i 峪) a z 3 1 挤压型材( r s ) 7 0 1 0 a 铝合金，t 6 7 0 7 5 铝合金，t 6 钛合金，全硬 q 2 7 5 钢 1 2 m n 合金钢 4 5 c r n i m o v a 1 8 1 7 2 8 2 8 4 5 7 9 7 9 8 0 3 0 0 2 0 0 2 6 5 4 9 0 7 5 0 2 7 5 3 0 0 3 5 0 1 9 5 1 1 5 1 1 0 1 7 5 1 6 0 3 5 3 8 1 7 0 说明：r s 为热力h - r + 人工实效；t 6 为固溶后完全时效 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 3z k 6 0 镁合金的研究现状 1 8 0 8 年，h u m p h r e yd a v e y l 4 3 】首次从汞合金中分馏出汞和镁；接着在1 8 5 2 年b u n s e n 第一次使用电解法从氯化镁中电解得到镁。至此，镁及镁合金作为一 种新型材料蹬上历史舞台。在两次世界大战期间镁及镁合金得到了突飞猛进的 发展。 1 9 3 7 年，德国人s a u e r w a l d t 4 4 - 4 5 】偶尔发现z r 能强烈的细化镁合金晶粒，但 是由于z r 的熔点( 1 8 5 2 c ) 较m g 的熔点( 6 4 9 。c ) 高出许多，再加上z r 极易与镁合 金熔炼过程中出现的a 1 、m n 、s i 等形成稳定的化合物，而起不到晶粒细化的 作用，因此很难将m g 、z r 合金化。直到1 9 4 8 年，人们才找到了合适的含z r 的中间合金，成功地将z r 加入到镁合金。又由于z n 对镁合金有极强的强化作 用，因此便诞生了新型的m g z n z r 合金，z k 6 0 合金就是该合金系中性能最优 越的一种。 z k 6 0 合金在2 0 世纪4 0 年代末首次开发成功后，6 0 年代后期进入工程应 用领域，到现在为止已经研究几十年。然而z k 6 0 合金并不是无懈可击的材料， 它还存在如热裂倾向严重、塑性差等诸多缺点。为改善z k 6 0 合金的力学性能， 拓宽它的应用领域，许多材料工作者针对z k 6 0 进行了晶粒细化、超塑性、复 合材料的研究。 许多材料工作者用实验的方法证明细化晶粒可以提高静态载荷下镁合金的 延展性能。t o s h i j i 4 6 1 等人对不同晶粒大小的z k 6 0 合金的延伸率和断裂机制进 行了研究。研究获得了z k 6 0 镁合金在准静态和动态载荷下的h a l l p e t c h 关系曲 线，二者的斜率基本平行，而h a l l p e t c h 关系曲线的斜率取决于滑移系，因此 说明动态载荷下延伸率的提高与滑移系并无关系。在固溶处理的粗晶粒合金的 拉伸样品中发现了许多机械孪晶，断裂原因是孪晶界和晶界的宏观裂纹所致； 在中等晶粒的合金中也发现了机械孪晶，且密度更高；而在细化晶粒的合金中 由于没有宏观孪晶界的存在未发现宏观裂纹。细化了的z k 6 0 镁合金与同强度 的铝合金相比延伸率提高了一倍，单位重量的吸收能也是高强度铝合金的2 倍。 文献记载对超塑性的研究主要集中在超塑性变形机理、超塑性能力和超塑 性变形中的应力应变上。h i r o y u k iw a t a n a