ECAP对Mg_Mn_Zn_Ce合金显微组织及拉伸性能的影响_图文

1、收稿日期:2006-12-18.基金项目:辽宁省教育厅基金资助项目(2004D012.作者简介:吴伟(1962-,男,辽宁沈阳人,副教授,主要从事新型镁合金开发及加工工艺等方面的研究.文章编号:1000-1646(200803-0304-04ECAP 对Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金显微组织及拉伸性能的影响吴伟,党振乾,吴崴,陈立佳(沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110178摘要:为了确定挤压路径和挤压道次对Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金的显微组织及拉伸性能的影响,采用不同挤压路径对Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金进行了不同道次的等通道转角挤压(ECAP .显微组织观察结果表明

2、,经一道次等通道转角挤压后,合金的平均晶粒尺寸约为20m ,而经二道次挤压后,平均晶粒尺寸约为2m ;不同挤压路径所产生的晶粒细化效果大致相同,但在不同挤压方向上,晶粒呈现不同的形状.拉伸试验结果表明,合金的抗拉强度和屈服强度均随着挤压道次的增加而提高,合金的伸长率在一道次挤压后略有提高,而在二道次挤压后明显下降.关键词:镁合金;等通道转角挤压;挤压路径;显微组织;拉伸性能中图分类号:TG 14612文献标志码:AInfluence of equal channel angle pressing on microstructures and tensile properties of Mg 2

3、Mn 2Zn 2Ce alloyWU Wei ,DAN G Zhen 2qian ,WU Wei ,CHEN Li 2jia(School of Material Science and Engineering ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110178,China Abstract :In order to determine the influence of both pressing route and pass on the microstructures and tensile properties of the Mg 2M

4、n 2Zn 2Ce alloy ,equal channel angle pressing (ECAP was conducted under different pressing routes for different passes.The observation of microstructures reveals that the average grain size is about 20m after one pass of ECAP ,and about 2m after two passes of ECAP.The influence of the pressing route

5、 on the grain refinement is almost the same ,but in different pressing direction ,the grains show different morphology.The results of the tensile experiments indicate that the yield and ultimate tensile strengths of the ECAPed Mg 2Mn 2Zn 2Ce alloy get remarkably enhanced with increasing the pressing

6、 pass.The elongation of the Mg 2Mn 2Zn 2Ce alloy increases a little after one pass of ECAP while decreases significantly after two passes of ECAP.K ey w ords :magnesium alloy ;equal channel angle pressing ;pressing route ;microstructure ;tensile property等通道转角挤压(ECAP 是使材料通过两个尺寸相同并具有一定相交角度的通道,在不改变材料横截

7、面积的情况下,使材料发生剧烈塑性变形的工艺方法.与传统压力加工工艺相比,等通道转角挤压具有如下优点:不改变材料的横截面积,只需克服试样与模具之间的摩擦力,故只需要较小的工作压力1.以镁合金为例,挤压直径为814mm 的棒材仅需要13t 的压力;由于横截面积不变,因此等通道转角挤压可以对同一试样进行重复挤压以引入更高的塑性应变,实现材料的反复定向、均匀剪切变形;由于可以实现反复挤压,且每次挤压都引入剧烈塑性变形,因此等通道转角挤压具有将多晶体材料的晶粒细化至微米、亚微米乃至纳米尺度的巨大潜力.例如,经过第30卷第3期2008年6月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang Unive

8、rsity of T echnologyVol 130No 13Jun 12008两道次的挤压,AZ91镁合金的晶粒可细化至112m 2;经过12道次的挤压,AZ31镁合金的晶粒可细化至1m 3;而经过四道次的挤压,AZ61镁合金的晶粒可细化至015m 4.由于等通道转角挤压可显著细化晶粒,因此,可有效地提高合金的强度及低温韧性,甚至可实现超塑性变形.常规热挤压的商业化AZ61合金棒材在175300经过4道次ECAP 挤压后,其强度可达到350MPa 5;而AZ91合金经过ECAP 处理后,其伸长率可达到570%6;ZK40合金经过四道次的挤压后,其伸长率达到了660%7.本文主要针对Mg 2

9、Mn 2Zn 2Ce 合金的等通道转角挤压工艺进行研究,探讨挤压路径和挤压道次对合金的显微组织和力学性能的影响规律,以期为有效地提高Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金的性能提供可靠的理论依据.1试验材料及方法试验所用材料为Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金,其化学成分为w (Mn =1%、w (Zn =1%、w (Ce =1%、w (Mg =97%.首先对合金进行常规热挤压,挤压比为351,挤压温度为230,然后将经过常规热挤压的合金棒机加工成尺寸为14mm 80mm 的样品以进行等通道转角挤压.等通道转角挤压模具中两个通道之间的角度为90,挤压道次为一道次和二道次,挤压路径为A 、Bc 、C

10、 ,挤压温度为250,挤压速度为2mm/s ,采用7025高温润滑脂作为润滑剂.利用Neophot 21型金相显微镜观察等通道转角挤压样品的x 、y 、z 截面(如图1所示的显微组织,其中x 、y 、z 截面分别代表垂直于金属流出方向的横向截面、平行于模具出口侧面的流动截面和平行于模具出口顶面的纵向截面.在CSS 255100型高低温电子拉伸试验机上进行室温拉伸试验, 拉伸试样标距部分的图1显微组织观察截面示意图Fig 11S chem atic sectioning for microstructu ral observ ation尺寸为4mm 20mm ,应变速率为0101s -1.2试验

11、结果分析及讨论211ECAP 对显微组织的影响经过常规热挤压的Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金的显微组织如图2所示.由图2可以看出,在与热挤压方向垂直的横截面和与热挤压方向平行的纵剖面上,Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金的显微组织主要由大小不等的2Mg 晶粒构成,且2Mg 晶粒基本上为等轴状,其平均尺寸约为20m.此外,第二相粒子 .图2未经ECAP 处理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的显微组织Fig 12Microstru ctu res o f M g 2M n 2Z n 2C e alloy w ithout E CAPa 1横向b 1纵向Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金

12、经过一道次等通道转角挤压后的显微组织如图3所示.挤压后,在x 截面方向,晶粒的大小与未挤压相比没有太大的变化;但在y 截面上,晶粒明显被拉长,并且细化明显;在z 截面上,晶粒细化明显,晶粒形状没有变化.ECAP 二道次挤压后,合金的显微组织如图46所示,挤压路径依次是A 、Bc 、C.从图中可以看出,材料经过二道次的挤压后,晶粒的平均尺寸为13m.晶粒均在x 截面上细化明显,在y 截面方向晶粒被拉长,在z 截面上得到细化.通过比较图4、5、6可以看出,路径Bc 得到的等轴晶组织分布的比较均匀,并且晶粒的平均尺寸相对于路径A 、C 较小.503第3期吴伟,等:ECAP 对Mg 2Mn 2Zn 2

13、Ce 合金显微组织及拉伸性能的影响 图3经一道次ECAP 处理Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的显微组织Fig 13Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after one pass of ECAPa 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面图4经路径A 、二道次ECAP 处理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的显微组织Fig 14Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after tw o passes of ECAP with route Aa 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面图5经路

14、径B c 、二道次ECAP 处理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的显微组织Fig 15Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after tw o passes of ECAP with route B ca 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面图6经路径C 、二道次ECAP 处理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的显微组织Fig 16Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after tw o passes of ECAP with route Ca 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面

15、603沈阳工业大学学报第30卷根据等通道转角挤压过程中合金的应变和应力状态可知,每经过一个道次的挤压,合金均可获得很大的塑性应变,所以可以有效地细化晶粒8.等通道转角挤压过程中,晶粒细化是由动态连续再结晶所引起的,再结晶还可以导致等轴晶组织的均匀分布.此外,合金的初始组织结构对等通道转角挤压后的微观组织结构会产生一定的影响.经过热挤压的Mg2Mn2Zn2Ce合金其晶粒尺寸已经得到一定程度的细化,其中存在大量的亚晶带.经过一道次的等通道转角挤压后,不稳定的亚晶带转化成稳定的等轴晶组织,在这一过程中,同时伴随着由小角度晶界向大角度晶界转变的过程.随着挤压道次的增加,合金再次经过剧烈的塑性变形过程,

16、晶体中大角度晶界随之增加,从而得到被大角度晶界分割的超细晶组织.对于路径Bc,经过二道次的挤压后,单元形貌恢复原状,变形均匀;对于路径C,虽然经过两道次的挤压后单元形貌恢复了原状,但方向相反的剪切作用导致剪切应变的减弱效应,一些位错会相互反应而消失,位错密度降低,不利于晶粒的细化;对于路径A,在挤压的过程中,垂直于挤压出口方向平面上的材料形状经过重复挤压会发生极大的扭曲,抑制了微观结构的发展.212ECAP对拉伸性能的影响图7为常规热挤压以及经过不同道次和路径等通道转角挤压的Mg2Mn2Zn2Ce合金在室温下的抗拉强度、屈服强度和伸长率.通过比较可以看出,随着挤压道次的增加,材料的抗拉强度和屈

17、服强度都明显增加,其中一道次挤压后,材料的抗拉强度和屈服强度提高非常明显;二道次挤压后,路径A对强度的提高影响显著,抗拉强度和屈服强度都明显提高;与一道次相比,路径Bc对强度的影响不是非常明显,合金的抗拉强度和屈服强度仅略有提高;而路径C使抗拉强度提高明显,但对屈服强度影响不是非常明显,屈服强度仅略有提高.一道次挤压后,材料的伸长率明显提高,而进行二道次的挤压后,材料的伸长率下降明显,其中以路径A下降的最为明显,其次为路径Bc,再次为路径C.与经过常规热挤压的合金相比,经过一道次等通道转角挤压的Mg2Mn2Zn2Ce合金,抗拉强度提高了4%,屈服强度提高了31%.经过二道次挤压后,路径A对强度

18、的提高影响显著,抗拉强度和屈服强度都明显提高,抗拉强度提高了1318%,屈服强度提高了5115%;路径Bc对强度的影响不是非常明显, 合金的抗拉强度和屈服强图7等通道转角挤压Mg2Mn2Z n2C e合金的拉伸性能Fig17T ensile properties of ECAPed Mg2Mn2Z n2C e alloy a1抗拉强度b1屈服强度c1伸长率度仅略有提高;而路径C使抗拉强度提高了11%,而对屈服强度影响不是非常明显,屈服强度仅略有提高.经过一道次的挤压后,合金的伸长率提高到1915%;以路径A进行二道次的挤压后,合金的伸长率为313%;以路径Bc进行二道次的挤压后,合金的伸长率为

19、918%;以路径C进行二道次的挤压后,合金的伸长率为1012%.镁合金的力学性能同时受晶粒尺寸和织构的影响.在一道次挤压后,由于合金在等通道转角挤压过程中产生了剧烈塑性变形,因而使晶粒尺寸变小,根据Hall2Petch公式,可以得出材料的强度将得到提高.在拉伸过程中存在的动态回复现象,导致了材料的应力软化,包括位错滑移和位错攀(下转第332页703第3期吴伟,等:ECAP对Mg2Mn2Zn2Ce合金显微组织及拉伸性能的影响算法与图形系统研究J.机械设计与制造,2002(1:14-16.(WAN G Fei,ZHAN G Wei,L IN Heng.Algorithm and graphics

20、system study on Interactive virtual design and simultaneous manufacturingJ.Machinery Design& Manufacture,2002(1:14-16.8张杰,梁志明.基于JAVA3D技术的参数化三维图形设计方法J.汕头大学学报:自然科学版,2003,8(3:44-47.(ZHAN G Jie,L IAN G Zhi2ming.A parameterized3D graphics design based on JAVA technologyJ.Journalof Shantou University:Natu

21、ral Science Edition,2003,8(3:44-47.9黄有群,张富勇,邱雪梅.JAVA3D中视点功能的应用浅析J.沈阳工业大学学报,2007,29(4:432-434.(HUAN G Y ou2qun,ZHAN G Fu2yong,Q IU Xue2mei.An analysis of application of JAVA3D viewpoint func2 tionsJ.Journal of Shenyang University of Technolo2 gy,2007,29(4:432-434.(责任编辑:吉海涛英文审校:王溪波(上接第307页移导致的再结晶和位错湮灭

22、过程的大量发生,也使得材料的塑性得到提高.有研究表明,挤压温度为250时,在进行一道次的等通道转角挤压过程中,合金内部形成基面平行于挤压方向的织构,所以当沿挤压方向拉伸时,其基面滑移系的Schimid因子近似为零而不能启动,而棱柱面的Schimid因子较大,材料的塑性变形主要依靠棱柱面滑移和锥面孪生,因此在材料的强度得到提高的同时,材料的伸长率也略有提高;而二道次挤压后,合金的晶粒进一步细化,合金内部依然存在基面平行于挤压方向的织构,而此时基面滑移系的Schimid因子与棱柱面的Schimid因子相等,所以当沿挤压方向拉伸时,基面滑移为主要影响因素,由于在基面上没有剪切应力,因此难以发生基面滑

23、移,表现在合金强度的提高和伸长率的下降9.3结论等通道转角挤压对Mg2Mn2Zn21C e合金的晶粒有明显的细化作用.一道次挤压后,晶粒平均尺寸为11m,而二道次挤压后,平均晶粒尺寸为2m.等通道转角挤压可改善Mg2Mn2Zn2Ce合金的室温拉伸性能.随着挤压道次的增加,合金的抗拉强度和屈服强度均得到明显的提高;一道次挤压可使合金的伸长率略有增加,而二道次挤压则使合金的伸长率下降.参考文献(R eferences:1赵美荣,许树勤,边丽萍.等通道转角挤压工艺有限元分析J.热加工工艺,2005(1:31-33.(ZHAO Mei2rong,XU Shu2qin,BIAN Li2ping.Fini

24、te element ana2lysis of equal channel angular pressingJ.Hot Working Technology,2005(1:31-33.2Mathis K,Gubicza J,Nam N H.Microstructure and me2chanical behavior of AZ91Mg alloy processed by equal channel angular pressingJ.Journal of Alloys and Compounds,2005,394:194-199.3刘英,陈为平,张卫文,等.等通道转角挤压后AZ31镁合金的

25、微观结构与性能J.华南理工大学学报, 2004,32(9:50-53.(L IU Y ing,CHEN Wei2ping,ZHAN G Wei2wen,et al.Microstructure and properties of AZ31magnesium alloy with ECAPJ.Journal of S outh China University of Technology,2004,32(9:50-53.4Y oshida Y,Arai K,Itoh S,et al.Realization of high strengthand high ductility for AZ61magnesium alloy by severe warm w orkingJ.S cience and T echnology of Advanced Materials, 2005,6(2:185-194.5K im W J,An C W,K im Y S,et al.Mechanical proper2ties and microstructures of an AZ61Mg alloy produced by equal channe