（材料物理与化学专业论文）连续铸轧az31b镁合金板坯的组织结构及退火行为.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文采用连续铸轧技术制备了a z 3 1 b 镁合金板坯，并利用光 学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱分析、x 射线衍 射分析、维氏硬度检测等技术对其组织结构及退火行为进行了研究， 主要结论如下： ( 1 ) 连续铸轧a z 3 1 b 合金板坯的物相主要包括o l m g 初晶、枝晶间 富溶质0 【m g 与粗大块状m g l 7 ( a 1 ，z n ) 1 2 相组成的离异共晶以及 分布于枝晶胞内或者枝晶胞之间的细小星形a 1 8 m n 5 相。 ( 2 ) 板坯在连续铸轧过程中承受了一定程度的塑性变形，且变形分 布不均匀。宏观上，铸辊对板坯表面的摩擦作用使得表层与芯 部的应力状态呈现出差异，导致了塑性变形优先在板坯表层发 生。微观上，位错在晶界处塞积造成的应力集中，激活了晶界 附近的非基面滑移，协调了该区域的塑性变形，并促使了位错 网络的形成以及动态回复、动态再结晶的进行，使得塑性变形 集中于晶界附近发生。 ( 3 ) 连续铸轧板坯具有明显的组织与性能的各向异性，这是由于板 坯在定向凝固和铸辊热轧的作用下形成了织构的缘故；板坯表 层和中心的织构并不一样，其表层织构是( o 0 0 1 ) 11 2 0 】+ ( 0 0 0 1 ) 2 1 3 0 】，而芯部织构组分可以近似地表达为( 1 0l4 ) 2 0 2 1 1 + ( 112 4 ) 1 010 】。 ( 4 ) 连续铸轧板坯在4 3 0 。c 进行均匀化退火时，迅速发生再结晶； 原始组织的不均匀变形导致了再结晶在原始晶粒的边界处优先 发生，并逐渐向中心扩展，在保温2 小时之后，再结晶基本完 成；再结晶没有形成新的织构，随着原始组织在再结晶过程中 逐渐消耗，原始织构逐渐减弱；均匀化退火消除了成分偏析和 加工硬化，减弱了基面织构，得到了细小均匀的无畸变的再结 晶组织，有利于板坯后续加工的进行。 关键词：连续铸轧，镁合金，组织结构，退火行为 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a z 31m ga l l o yp l a t eb l a n kh a sb e e nf a b r i c a t e db yt w i n r o l lc a s t i n g t e c h n o l o g y ，a n dt h e nt h em i c r o s t r u c t u r ea n da n n e a lb e h a v i o ro ft h ep l a t e b l a n kh a v eb e e na n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ， x r a yd i f f r a c t i o na n dv i c k e r sh a r d n e s st e s t i n g f i n a l l y ，t h ec o n c l u s i o n s w e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep h a s e si nt w i n - r o l lc a s t i n ga z 3 1m ga l l o yp l a t eb l a n ki n c l u d e d a - m gd e n d r i t i c ，a l o n gw i t hd i v o r c e de u t e c t i ct h a tm a d eu po f e n r i c h e d a m ga n dc o a r s em g l 7 ( a l ，z n ) 1 2p h a s ed i s t r i b u t i n gi ni n t e r d e n d r i t i c ，a s w e l la st h ef i n es t a r - s h a p e da i s m n 5p h a s ed i s p e r s i n gi nt h ed e n d r i t i c ( 2 ) t h ep l a t e b l a n kh a s u n d e r g o n e s o m ep l a s t i cd e f o r m a t i o nd u r i n g t w i n - r o l l c a s t i n gp r o c e s s ，b u t t h ed e f o r m a t i o ni s i n h o m o g e n e o u s m a c r o s c o p i c a l l y t h ed e f o r m a t i o nd i s t r i b u t e dm o r en e a r t h ep l a t e s u r f a c e ，b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o n sb e t w e e nt h es u r f a c e a n dt h ec e n t r e ，w h i c ha r el e a db yt h ef r i c t i o no fc a s tr o l l s m i c r o s c o p i c a l l y , d i s l o c a t i o n ss t a c k e dn e a rt h eg r a i nb o u n d a r i e sa n d l e a dt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o n ，t h e n t h en o n - b a s a l s l i p h a sb e e n a c t i v a t e da tt h e s ea r e a s t h i sl e a dt h ef o r m a t i o no ft h ed i s l o c a t i o nn e t s a n dm a k et h ed y n a m i cr e c o v e r ya n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nt a k e p l a c ea n dl e a dt h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nc o n c e n t r a t en e a rt h eg r a i n b o u n d r i e s ( 3 ) t h ep l a t eb l a n ks h o w e da n i s o t r o p i e so fm i c r o s t r u t u r ea n dp r o p e r t y r e m a r k a b l y , w h i c hi n d i c a t et h a tt h et e x t u r eh a sf o r m e da sar e s u l to f t h ee f f e c to fd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o na n dh o tr o l l i n go fc a s t i n gr o l l s ； t h et e x t u r en e a rt h es u r f a c ea n da tt h ec e n t r ea r ed if f e r e n t n e a rt h e s u r f a c et h et e x t u r ei s ( 0 0 01 ) 112 0 + ( 0 0 01 ) 2130 】，a n da tt h ec e n t r e t h a tc o u l db ee x p r e s s e da s ( 1 0 - 4 ) 2 0 2 1 1 + ( 11 2 4 ) 1 0 1 0 】a p p r o x i m a t e l y ( 4 ) r e c r y s t a l l i z a t i o nt a k ep l a c er a p i d l yd u r i n gu n i f o r ma n n e a la t4 3 0 。c t h e i n h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o n o fo r i g i n a ls t r u c t u r el e a dt h e r e c r y s t a l l i z a t i o ns t a r ta tt h eo r i g i n a lg r a i nb o u n d a r y ，a n dt h e ne x t e n d e d 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t ot h ec o r e r e c r y s t a l l i z a t i o nc o m p l e t e da f t e ra n n e a lf o r2h o u r s n o n e wt e x t u r eh a sb e e nf o r m e dd u r i n ga n n e a l i n g a sr e c r y s t a l l i z a t i o n g o i n go n ，o r i g i n a ls t r u c t u r ew a sc o n s u m e da n dt h eo r i g i n a lt e x t u r e s w e r ew e a k e n a f t e ru n i f o r ma n n e a l ，t h ed e n t r i t i cs e g r e g a t i o na n dt h e w o r k h a r d e n i n gh a v e b e e ne l i m i n a t e d ，t h eb a s a lt e x t u r eh a sb e e n w e a k e na n dt h eh o m o g e n e o u so r t h o s c o p i cr e c r y s t a l l i z e ds t r u c t u r ew a s g a i n e d ，a l lo f t h e s ew o u l dd og o o dt os u b s e q u e n td e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：t w i n r o l lc a s t i n g ，m ga l l o y , m i c r o s t r u c t u r e ，a n n e a l b e h a v i o u r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的成果。尽我所知，除论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 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献己在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者虢垒! 童 嗍迎上月土日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：鲢翩娩 日期：型韭年j 羔月上日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 镁在工程金属中最显著的特点是密度小。其密度为1 7 5 1 8 5 c m 3 ，大约是 铝的2 3 ，钛的2 5 ，铁的1 4 ，钢的2 9 ，是目前最轻的金属材料之一。m g l i 合金 密度小于水的密度，是迄今最轻的金属材料。而且，镁也是地球上含量最丰富的 元素之一，约占地壳质量的2 ，海水质量的0 1 4 ，每1 m 3 海水可提取l 蚝以上的 镁，盐湖中的镁含量也非常高，加之镁材易于回收利用，因此镁可谓是“取之不 尽，用之不竭的金属i l 捌。 镁合金除了具有较高的比强度、比弹性模量之外，它还具有高阻尼减震性、 高导热性、高静电屏蔽性、高电磁屏蔽性、高尺寸稳定性、易切削性和易回收性 等良好的综合性能，因而受到汽车制造、航空航天、通信、光学仪器、家用电器、 纺织和印刷设备以及电子计算机制造业等工业部门的青睐，特别适合于制作大 型、薄壁、近冲形的箱体，框架、壁板、和汽车零部件等1 3 7 1 。 在能源、资源同益严峻和环保问题日趋突出的今天，资源丰富而且具有良好 综合性能的轻质镁合金材料成为全球关注的热点，镁合金材料被誉为“世纪的绿 色工程结构材料【8 】。 1 2 镁合金的分类 镁合金的分类有两种方式：化学成分和成形工艺。根据化学成分，镁合金的 基本合金系有m g - m n ，m g - a i - m n ，m g - a i - z n - m n ，m g - z r ，m g z n - z r ，m g r e z r ， m g a 2 r e z r ，m g y - r e z r 等。视锆是否作为合金晶粒细化剂，又可将镁镁合 金划分不含锆镁合金和含锆镁合金。前者主要以m g a 1 系合金为代表，这是因 为锆在镁合余中容易和a l 形成高熔点固态化合物a 1 3 z r 而下沉，会造在锆和铝 的损失。根据加工工艺划分，镁合金又可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。 1 2 1 铸造镁合金 铸造镁合金目前相对用量较多，国际上工业应用的铸造镁合金主要有四个系 列1 9 , 1 0 ，即a z 系列( m g a i z n m n ) 、a m 系列( m g a 1 m n ) 、a s 系歹0 ( m g a i s i ) 和 a e 系3 i j ( m g a i r e ) 。铸造镁合金的成形工艺主要包括压铸、砂型铸造、金属型 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 铸造、熔模铸造等。表1 1 为主要铸造镁合金的化学成分。 表1 1 主要铸造镁合金的化学成分i 1 0 1 m g - a i - r e a e 4 1d41 a e 4 2 d4 2 d ：压铸：p ：金属型铸造：s ：砂型铸造：最小含量 1 2 2 变形镁合金 由于铸造镁合金的组织性能不够理想，产品形状尺寸也存在局限性，从而 严重限制了镁合会的使用性能和应用范围。通过塑性成形方法 j - r 而成的镁合 金，称为变形镁合金。这种镁合金经过挤压、轧制、锻造和冲压等塑性加工之后， 可以生产出尺寸、规格多样的棒、管、型材、线材、板材及锻造产品，并且可以 通过调整塑性变形和热处理工艺来控制材料的组织和性能。 变形镁合金与铸造镁合金相比，组织得到了改良，具有更高的强度、更好 的塑性，而且其多样化的规格也能满足不同场合对镁合金结构件使用要求。由于 变形镁合余具有更良好的使用性能，因此潜在应用更为广泛【1 。 变形镁合金主要有以下几大合金体系：m g a i z n 、m g m n 、m g z n z r 、 m g z n r e 、m g - a i l i 等。常见变形镁合金的合会体系及化学成分如表1 2 所示。 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 a z 3 l b2 5 3 50 2 0 r a i n0 7 1 3 a z 3l c2 5 3 50 2 0 r a i n0 6 - 1 4 a z 6 l a5 s 7 ，20 1 5 m i t t0 4 一1 5 a z 8 0 a7 ，8 9 2 o 15r a i n0 2 - 0 8 m 1 a1 2 0 r a i n 0 3 5 0 8 0 1 2 1 0 - 1 5 1 ，3 0 7 3 0 0 7 4 8 - 6 20 4 5 r a i n 0 0 4m a x0 3m a x0 0 5m a x0 0 0 5m a x0 0 0 5m a x0 3m a x 0 0 4m a x0 0 3m a x0 1m a x0 0 3m a x0 3m a x o 3m a x0 。0 5m a x 0 0 0 5m找0，3m a x 0 3m a x0 0 5m a x0 0 0 5m a x0 3m a x 0 0 8 0 1 40 3m a x0 0 5m a x0 0 3m a x0 3m a x 1 5 - 2 5 o 3m a x 2 5 - 3 5 0 3m a x 0 3 m a x m g - a i z n 系变形镁合金是发展最早、研究较充分的合金系，也是应用最广 泛的合金系列之一。它属于中等强度、塑性较高的镁合金材料，其主要合金化元 素铝在镁中的含量从0 8 ，锌的含量较低，一般不超过2 。当合金中a l 含量大于2 时，随着冷却速率不同，铸造组织中可能出现b 相( m g l 7 a i l 2 ) 的 质点；当a l 含量超过8 后，1 3 相以共晶形式沿晶界分布。此外，a i 能提高合金 耐蚀性，减小凝固时的收缩，改善合金的铸造性能。z n 在合金中主要以固溶态 存在，对合金的影响与a l 相似。但是当z n 含量超过2 时，凝固时有热裂倾 向，应此要严格控制其含量。随着温度的升高，铝和锌在镁中的溶解度逐渐增大。 在共晶温度4 3 7 时，铝在镁中的溶解度为1 2 6 。温度降低时，铝和锌在镁中 溶解度为2 ，这说明可以用热处理方法来改善该系合金的力学性能。 a z 3 1 b 和a z 3 1 c 两种合金是应用最广泛的商用m g a i z n 系变形镁合金， 两者的区别在于容许的杂质含量不同，a z 3lb 合金对f e 、c u 、n i 杂质含量有严 格的控制。a z 3 l 合会具有较高的强度和良好的延展性，镁中加铝及锌导致固溶 强化并使晶粒细化。但由于a z 3 1 合金元素含量较少，时效强化效果差，一般不 进行热处理强化，主要是在加工念和退火状态下使用。通过控制轧制、挤压或锻 造温度以及退火或伴生退火效应保留部分加工硬化。因为这种合金的塑性高，所 以可以用于制造不同厚度的镁合金板材及形状复杂的锻件、模锻件或挤压件。 m g a i z n 系另外两种重要的合金是a z 6 1 a 和a z 9 0 a 合金。与a z 3 l 合金 相比，这两种合会含锰量和含锌量与a z 3 1 合余都差不多，其主要区别在于含铝 认 执 认 m 一 一 础 砌 一 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 量都比a z 3 1 合金高。m g a i z n 合金中含铝量越高，形成的硬脆化合物m g l t a l l 2 相就越多，合金的强度或变形抗力就越高，而塑性则越低。a z 6 1 合金属于中强 高塑镁合金，其具有很好的挤压和锻造性能。但它的含铝量高于a z 3 1 合金因而 有较严重的轧制开裂现象，故很少以板材形式提供。此外a z 6 1 合金热处理强化 效果也比较差，一般也不进行热处理强化。a z 8 0 合金的特点是强度高，属于高 强度镁合金，由于该合金含铝量较高，已具有热处理强化可能性，所以可用淬火、 时效等方法来提高其强度。 1 3 镁合金的加工塑性特点 镁合金多为密排六方( h o p ) 结构，较之面心立方( f c c ) 的铝，其塑性较差。 与铝合金相比，变形镁合金的生产流程往往较长，工艺难度也较大，因此，生产 成本也较高，这一因素严重制约了镁合金市场的拓展。研究镁合金的塑性变形行 为，提高其变形能力和生产效率，并改善镁合金的综合性能，对推广镁合金的应 用具有重要意义。 1 3 1 镁合金的晶体结构 滑移、孪生等金属材料的变形行为与其晶体结构密切相关。纯镁以及大多数 镁合金都为h c p 结构，理想h o p 结构也属于密堆结构，只是它的堆垛方式与面心 立方不一样。面心立方是密排面( 1 1 1 ) 面按“a b c a b c ”的顺序堆垛而成， 而理想的密排六方是密排面( 0 0 0 1 ) 面按照“a b a b a b ”的方式堆垛而成。纯 镁的晶体学参数( 2 5 ) 为：a = 0 3 2 0 9 2 n m ，c = 0 5 2 1 0 5 r i m ，轴比a c = 1 6 2 3 ，与 理想密排六方的轴比值( 1 6 3 3 ) 非常接近f 1 1 。其晶体结构以及一些重要的低指数 晶面和晶向如图1 1 所示。 1 3 2 镁合金的滑移变形机制 晶体的滑移变形过程，即是位错在其滑移面上运动的过程。由于镁为h c p 结 构，其位错特征和立方系的铝、铜、铁是不一样的。在密排六方晶体中，主要存 在的全位错有：a 位错、c 位错、c + f l 位错，另外还有不全位错，其实质即为层错 的边界线。 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 a 层 b 层 a 层 ( 0 0 0 1 ) ( 1 0 1 1 ) l ( 1 0 t o ) i ll2 、0 o o 、j o lli jl l o 0 0 0 1 f 】 f o - 州迨妄舨g 粤一一 【i1 0 0 1 叫厂 【2 i1 0 】 1 0 0 0 1 】 ( ij f l ：1 0 】 1 0 i1 0 1 f 1 1 2 0 l 图1 - 1 镁的晶体结构【u a 位错的柏氏矢量为a 3 ，该柏氏矢量位于h c p 结构的密排面，其方 向即为密排方向。c 位错的柏氏矢量为c 。c + a 位错的柏氏矢量为 a 2 + c 2 。a 位错与a + c 位错是镁合余中最常见的两种位错，其可以为 纯刃型位错、纯螺型位错或者混合型位错。相对来说，a 位错的柏氏矢量小，位 于密排面的密排方向上，滑移面的晶面问距较大，因而在镁合盒中具有很强的活 动能力，能在基面、棱柱面、锥面发生滑移。而a + c 位错的运动能力则比较差， 不易发生滑移。在镁合金中，a + c 位错可通过a 位错与c 位错、a 位错与 l o t 2 或 1l 乏2 孪生以及c 位错与 11 2 1 ) 孪生之间的交互作用而形成。 h c p 结构中的滑移系主要有基面滑移系、棱柱面滑移系和锥面滑移系。其中 基面滑移系即a 位错在基面( 0 0 0 1 ) 面上的滑移，其滑移方向为 ，是镁 合金中最基本的滑移系。基面上 的等效方向有三个，所形成的滑移系也 就有三个，但是这三个滑移系中的任意一个滑移系，都等效于另外两个滑移系的 叠加作用，因此基面滑移只提供了两个独立滑移系1 1 2 i 。 若a 位错在棱柱面 11 2 0 ) 上滑移，则构成了棱柱面滑移系。与基面滑移系一 劲 o i t jm c 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 样，棱柱面滑移系也只提供了两个独立的滑移系【1 2 】。图1 2 为温度对镁单晶基面 和棱柱面滑移临界分切应力的影响规律。由图可知，室温附近的棱柱面滑移的临 界分切应力( c r i t i c a lr e s o l v e ds h e a rs t r e s s ，c r s s ) 很高，远大于基面滑移，所 以一般情况下不易启动。但是，在应力集中到一定程度后，或者温度升高导致其 临界分切应力降低时，棱柱面滑移可以被激活，并在镁合金的塑性变形过程中发 挥重要的作用。 矗、 暑 e 、_ 一 2 u 温度，k 图1 2 纯镁中不同滑移系的临界分切应力【3 l 镁合金中的锥面滑移系分为a 位错滑移和a + c 位错滑移两种。a 位错在锥面 上的滑移等效为a 位错在基面和棱柱面上滑移的综合作用，并没有提供独立的滑 移系，所以锥面滑移最重要的是a + c 位错的滑移。a + c 位错的常见滑移面有 11 2 1 、 1 0 1 1 ) 、 l1 2 2 ) 等，其滑移方向则均为 。和棱柱面滑移系一 样，锥面滑移在室温附近的临界分切应力也很高，也需要应力或者温度达到一定 条件之后才能启动( 图1 2 ) 。虽然锥面滑移的激活条件比较高，但是其对镁合金 的塑性变形却具有重要的意义。 表1 3 中列出了镁合金中的独立滑移系。基面滑移系和棱柱面滑移系一共提 供了四个独立滑移系，没能满足v o n m i s e s 要求五个独立滑移系的协调变形准则。 而且基面滑移系和柱面滑移系均为a 位错滑移，所提供的变形均是平行于基面的 变形，而不能协调c 轴方向的应变。因此只有锥面滑移系启动，才满足均匀变形 的五个独立滑移系的准则。实验观察表明，通常锥面滑移为辅助滑移方式【1 4 , 1 5 】。 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 表1 3 镁合金中的独立滑移系1 2 】 滑移系 滑移面滑移方向独立懑移系数量 基面滑移 ( 0 0 0 1 )1 1 2 0 )2 l o t o 梭柱面滑穆 ( 1 1 2 0 )2 f l i 劲 1 0 l l ( 1 1 2 0 ) 4 锥面滑移 1 1 2 1 ( 1 1 2 3 ) 5 1 1 2 2 1 3 3 镁合金的孪生变形机制 孪生是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面( 称为孪生面) 和一定的晶向( 称为孪生方向) 发生均匀切变的过程。孪生变形后，晶体的变形 部分与未变形部分构成了镜面对称关系，镜面两侧晶体的相对位相发生了改变。 为了方便地描述晶体孪生变形情况及孪晶特点，可引入四个孪生参数：第一 不畸变面( 孪生面) k l 第二不畸变面k 2 、孪生方向( 切变方向) t 1 l 、切面与第 二不畸变面交线方向t 1 2 ，如图1 3 所示。 1 1 ) 图1 3 孚生的基本要素 和滑移一样，孪生也是晶体一种重要的塑性变形机制，尤其在对称性较低、 滑移系较少的h c p 晶体中，其作用更为突出。表1 - 4 列出了h o p 结构的盒属中常 见的孪生模式及其孪生要素。 表1 4h c 险属中常见孪生模式及其孪生要素( t - - c a ) k l k2 聊啦 n n 。f n 叮 产一3 1 0 l z 1 1 0 l2 ( 1 0 l1 )( 1 0 1 l 、83 44 7 矗 4 ，一9 1 0 l l 1 0 l3 )( 1 0 l2 )3 0 3 2 )3 27 8 8 4 7 万 1 2 2 1 1 24 ) 毒( i i 乏j ，毒( 2 2 i 3 ) 1 22 36 2 ( 户一2 ) j 3 y 1 1 2 】 0 0 0 2 占( i 1 2 6 占( 】1 乏o )8l 22 l jj7 n 。一发，i 切变的原f 数量；n 一每个事晶单庀l t 的娘f 敬：, 7 - 一事d i l i 乜禽的惯j j 晰f ( 的数敏； s 挛牛卿切磺 十南 学硬学位论文第一章文献综述 由于轴比( c a ) 不一样，不同h c p 金属在特定的应力状态下所优先发生的 孪生模式也不一样。镁合金中主要的孪生模式有 l o t 2 孪生和 1 0 t 1 ) 孪生，根 据激活孪生所需c 轴方向的应力状态，分别称为拉伸孪生和压缩孪生。 1 1 0 i 目 。+ 1 1 0 1 2 1 3 ， ( a ) 孪生要素示意图 ；。 。 。o k 1 2 1 1 ) l 岫) 拿生便戢、p 嘶阳 i c ) 事生聒 胞形状 图1 - 4 镁夸金 1 0 t 2 孪生原干连动晴况 幽1 4 以f 1 0 l2 孪生为例，蜕明了镁台会中挛生原子运动情况，瞄面上1 1 | 1 0 的匣子沿m 方向作平行于k 、面的切变运动，平行十k 、面的晶面在切变过程中 问距保持不变，形成层错。孪生变形自h 后的晶胞的形状如图所示，发生切变的原 于沿 l o t 2 挛晶面与未发生切变的原子成镜像对称。李生使品格转动而与基体 成一个特定的角度，表1 s 列出了四种常见孪生模式的孪生前后品粒的转动角度。 李牛是h c p 令属中一种很常见的塑性变形机制，吕直振i8 i 其体研究了 m g _ a 】一z n 系合令塑性变形行为，总结了孪生在塑性变形中所起到作用有： ( ”孪生改变了晶粒耿向，使不利于滑移或孪生的晶体学取向变得有利： ( 2 ) 使晶界可以较好的满足 h 邻品粒之州的弹性应变乖相容性； 2 吼 d_ 删 。 0 7 ：_ i ， 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 ( 3 ) 孪晶之间的反应生成二次孪晶，提高合金的整体塑性； ( 4 ) 释放局部应力，减小裂纹形核，并且钝化裂纹尖端，阻碍裂纹的扩张。 表1 5 四种常见孪生模式的晶粒转动角度1 7 】 孪品类型转动角度旋转轴 1 01286。(1 2 1 0 1 01 l 5 6 。 1 12 2 ) 6 3 。 一一 由此可见，孪生的主要贡献并不在于直接产生很大程度的塑性变形，而在于 使应力集中得到释放，并且调整晶体取向，激发进一步的滑移。这样孪生与滑移 的交替进行，可以使镁合金获得较大的变形量。 1 3 4 镁合金的动态再结晶 一般来说，随着温度的升高，金属变形抗力减小而延展性提高，因而在材料 的制备过程广泛采用热加工来提高加工效率。不同的金属材料在热加工过程中会 伴随有动态回复( d y n a m i cr e c o v e r y ，d r v ) 或者动态再结晶，是材料在加工硬 化的同时得到软化，从而保持较高的延伸率。镁合金在热力n - r _ 过程的主要的软化 机制是动态再结晶( d 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 ) ，研究镁合金d r x 机制， 可以完善镁合会塑性变形理论体系，并进一步改进和开发成形技术，从而达到实 现成形工艺并控制其组织和性能的目的。 但是镁合金的d r x 非常复杂，国内外学者对不同合金体系和不同变形条件 下的d r x 机制进行了广泛的研究，所提出的d r x 机制主要有以下几种： ( 1 ) 孪生动态再结晶( t w i nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t d r x ) 1 1 9 - 2 2 ：常温 下塑性变形时，会伴随着大量孪晶的生成。层片孪晶在变形时发生了长大，在层 片孪晶内有微晶形成。有两种过程导致了这微晶的形成：一是初次孪晶的相互作 用：二是在粗大的初次孪晶层内发生了二次孪晶，初次孪晶与二次孪晶相互交割， 形成微晶核心，在孪生区域演变为再结晶晶粒链。进一步的变形使孪晶界大规模 地迁移，造成再结晶晶粒尺寸和体积分数的增大。 ( 2 ) 连续动态再结晶( 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 ，c d r x ) 【伸 2 0 】： 纯镁在5 7 3 k 的条件下变形，即使应变很小也会在原始晶界附近发生位错堆积， 这将导致亚晶结构在晶粒周边高密度位错区域形成。随着应变的增加，再结晶晶 粒链沿着原始晶界形成，形成了典型的“项链结构”。在较低应变的情况下，t d r x 与c d r x 可能同时发生，但是在更高应变时，则只有c d r x 发生。 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 t a n 等1 2 3 】对轧制态的a z 3 l 镁合金在5 2 3 k 、应变速率为1 x 1 0 4 s d 条件下进 行拉伸变形，并利用透射电镜观察确认了此时发生的d r x 现象属于c d r x ：当 位错密度超过晶界对位错的吸收能力或者晶格位错的合并正处孕育期时，剩余位 错将堆积，在晶界产生局部应力，导致锯齿状晶界的形成；为了进一步降低局部 应力，晶界附近的堆积位错将发生重组形成小角度晶界和位错胞结构，这些结构 进一步增大取向差而发展成亚晶。 p e r e z p r a d o 等【2 4 1 在6 4 8 k 时对a m 6 0 镁合金进行大应变热轧，发现该合金 在高温下发生了c d r x 。p e r e z p r a d o 等认为，合金相邻晶粒的应变不一致，导 致晶界附近产生了局部应力，从而使位错活动性加强，位错易重组和合并形成亚 晶，于是沿晶界附近形成新的再结晶晶粒。 ( 3 ) 不连续动态再结晶( d i 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 ，d d r x ) 1 9 , 2 0 1 ：纯镁在7 2 3 k 的条件下变形，当 0 7 时，在粗大孪生晶粒内发生了大角 度晶界的局部迁移，产生了凸起部分，随应变的增大，凸起部分被小角度晶界从 晶粒基体切分掉。这些小角度晶界不断转变为大角度晶界，最后形成新的再结晶 晶粒。 g a l i y e v 等【2 5 1 发现z k 6 0 镁合金在6 2 3 k 变形时晶粒内部出现了大量的多滑 移。结合表面观察和t e m 柏氏矢量分析可以确认这些滑移线与基滑移、a 位错 非基面交滑移和( a + c ) 非基面滑移有关。多滑移带发生原始晶界的局部迁移， 形成凸起，凸起被其壁架之间新形成的小角度晶界切分，从而产生新晶粒。d d r x 是高温下位错滑移的局部化致使原始晶界发生局部迁移的结果。 ( 4 ) 旋转动态再结晶( r o t a t i o nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，r r x ) 1 1 3 1 ：材料 在应力作用下发生孪生变形，重新取向使得基面垂直于压缩轴，这种取向不利于 基滑移。同时在邻近晶界处的扭曲区域形成新晶粒，在这些周边或表层区域，非 基面滑移系容易启动，使晶粒表层发生旋转，从而容纳外部变形。随着应变的增 大，周边区域发生动态回复引起亚晶形成，并通过亚晶界迁移和合并最终形成大 角度晶界。随温度的升高，某些周边区域变厚。新晶粒一旦形成，就会发生聚集， 形成大的变形带或延性剪切带，此变形带的取向有利于基滑移，因而紧接着的变 形都集中于这些区域。 v a l l e 等1 2 6 , 2 7 】在观察a z 6 1 镁合金大应变多道次热轧时的织构演变时发现该 合金发生了动态再结晶，而且其微观组织变化也可以用i o n 等【j 3 l 的提出的r r x 模型来解释。 综上所述，在镁合金d r x 的研究方面，还有很多问题有待研究解决，例如 各种d i o ( i 机制随条件变化的规律，还有各种d i 模型之阳j 的关系等等，对这 些问题的深入研究将大大促进变形镁合金的发展和应用。 l o 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 5 镁合金的织构 多晶材料的性能并不是单个晶粒性能的简单叠加，而是与晶粒的排列规律密 切相关。当材料内部的晶粒取向集中在某一个或者某些个方向附近时，称为择优 取向，而这种具有择优取向的多晶体组织称为织构。织构形成之后，材料的性能 将具有明显各向异性，这会对材料的加工性能以及使用性能产生重要影响。因此， 织构的形成及演变规律的研究，对材料的加工成形和合理使用具有重要的意义。 金属材料的制备、加工过程中，通常会形成各种类型的织构。例如铸造过程 中由于晶核的选择生长会形成凝固织构，塑性变形过程的晶粒取向的转动会形成 变形织构，而变形之后的材料在再结晶退火过程中由于定向形核或者选择生长的 作用会形成退火织构或者再结晶织构【2 湖】。 镁合金的变形织构主要有挤压、拉拔等塑性变形所产生的纤维织构，和轧制 过程中所产生的板织构。研究 3 1 - 3 4 1 表明，镁合金的纤维织构呈现出明显的基面取 向的特征，即挤压或者拉拔时， o o o l ，基面及其上面的 晶向平行于挤压 或者拉拔方向；而镁合金的板织构的主要组分则是 0 0 0 1 ) 基面织构 3 5 - 3 8 ，即 o 0 0 1 ) 面及其上面的 晶向平行于轧制方向。这样的变形织构是 主要是由于 o 0 0 1 ) 基面滑移以及 l o t 2 锥面孪生所导致的晶粒转动而形成的。 但是除了这些主要特征之外，变形织构的锋锐程度以及其它特殊的特征还会受到 变形温度、变形量、变形速度、工模具参数、坯料的原始织构等因素的影响1 2 4 , 3 9 , 4 0 。 动态再结晶和静态再结晶均能形成再结晶织构，这是再结晶过程中的定向形 核及核心的选择生长所导致的。v a l l e 掣4 0 1 研究了挤压丌坯的a z 6 1 镁合金在6 4 8 k 时热轧过程中的织构的演变规律。研究表明，挤压态的a z 6 1 镁合金具有很强的 0 0 0 1 ) 基面织构，而在热轧过程中，这种基面织构有所减弱，这是由于部分基面 取向的原始晶粒被动念再结晶过程所消耗，取而代之的是动态再结晶新晶粒。而 这些再结晶的新晶粒的基面取向趋势减弱，大部分的新晶粒的基面与板材表面的 央角分布在2 0 0 到4 5 0 之间，而该夹角分布在10 0 以内的新晶粒仅有4 。 p e r e z p r a d o 等1 4 l l 研究了a z 3 1 挤压板织构在退火前后的演变规律。挤压念的中心 和表层的织构并不一致，中心主要的织构组分为 0 0 0 1 ) 和 0 0 0 1 ) ，表层织构的主要为 11 2 0 和 11 2 0 。7 9 3 k ， 1 2 h 退火后，样品发生了完全的二次再结晶，整个样品均为 11 乏0 1t o o 】取向。 由于在温度较低的情况下，镁合金基面的c r s s 要比非基面的小得多，一般 都会在塑性变形过程中最先启动。因此，镁合金织构在材料加工或者使用过程中 的应用主要是考虑调整基面取向，以改变其滑移系的s c h m i d 因子，从而实现织 构强化或者软化。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 变形镁合金板材的传统生产工艺 对变形镁合金制品而言，7 0 以上是板、带材，通过轧制获得变形镁合金的 板带材，是变形镁合金材料的重要生产方式。 退火r | j 扳 薄扳 中j 孕扳 图1 5 镁及镁合金板材生产工艺流程【i 普通的铝及铝合金具有很好的冷轧性能，一般可以达到9 8 以上的总加工率 与6 0 左右的道次加工率1 4 2 i 。但是镁合金多为密排六方结构，室温下塑性变形能 力较差，例如a z 3 l 合金的冷变形率只有1 6 ，不易冷3 h i 。因此，生产中往往 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 采用热轧工艺来提高镁合金的塑性和加工率以提高生产效率。镁合金锭坯加热 时，通常需要对其进行气体保护以避免严重的氧化甚至燃烧。镁合金热容小，导 热系数大，因此在热轧过程中，坯料冷却速度快，这样就需要进行中间加热以便 进行多道次的轧制，这样才能获得较大的总加工量，因此镁合金板材的生产流程 长。图1 5 和表i - 6 分别示出了镁及镁合金板材的生产流程和典型轧制规范。 表1 6 镁合金板的典型轧制规范1 4 2 】 台生 工序开轧溢度c二次加热h 1 总堰卜宰o 道玖疆i - 牟- i 舡z 3 1 桐轧4 2 5 4 ，o9 0 9 51 0 2 0 热中轧3 5 0 4 4 02 5 勋5 2 0 m 热铂轧( 轧盒6 4m - 1 5 0 4 4 04 0 6 0 1 0 3 0 热中轧3 5 0 4 ，o4 0 一1 0 一4 0 h 玛l 热# i 轧( 轧i64m)4805 7 热中轧4805 7 精辅 1 5 0 一! j o s 一7 1 v 1 2 1 螺日i 乳( g l 、6 4m 曲4 8 0 、瑚 热巾轧3 7 5 4 2 53 0 一3 一l o 由此可见，变形镁合盒材料传统的生产工艺流程长，难度大，变形加工生产 成本高，与铝合会相比缺乏性价比优势，从而严重制约了其应用市场的拓展，极 大地限制了变形镁合金的发展1 4 2 , 4 3 l 。因此，丌发低成本短流程变形加工技术，是 扩大镁合金应用所须解决的关键技术。而连续铸轧正是一条实现变形镁合金板带 材低成本、短流程、近终成形的有效技术途径1 4 引。 1 5 连续铸轧技术 双辊铸轧技术是冶金及材料领域内的一项前沿技术，它是以两个逆向旋转的 轧辊作为结晶器，将熔融状态的金属液体，直接铸轧成板带的新工艺( 如图1 - 6 所示) 1 8 , 4 5 。 会属熔池 图i - 6 双辊铸- i t , 意- 副8 1 紧机构 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 5 1 连续铸轧技术的起源与发展 双辊连续铸轧技术的发展至今已有1 6 0 多年的历史。早在1 8 4 6 年，英国转 炉炼钢的发明者h e n r y b e s m e e r 提出了双辊铸轧材料成型方法的设想，即从两旋 转辊上方浇注金属液，通过一对内部具有循环冷却作用的铸轧辊从辊缝下边引出 铸轧带坯。1 9 4 3 年，j u a g h a n 在德国建成第一台浇注钢液的试验性连铸机，并提 出振动的水冷结晶器，浸入式水口、结晶器上部加保护渣等技术，解决了连铸技 术长期不能用于正常生产的关键问题，连续铸轧技术也因此从试验阶段进入了工 业性生产阶段【4 6 i 。自上世纪7 0 年代后，日本、德国、法国等工业发达国家的连 续铸轧技术和连铸生产得到了快速的发展。而且，连铸所