镁合金的塑性变形及再结晶热处理对其组织性能的影响研究课件

1、余余 琨琨中南大学中南大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院2013Outline背景知识背景知识;变形镁合金板材塑性加工原理及方法变形镁合金板材塑性加工原理及方法;镁合金塑性加工工艺及材料性能研究镁合金塑性加工工艺及材料性能研究;镁合金塑性加工工艺的数值模拟镁合金塑性加工工艺的数值模拟;镁合金板材成形性能研究镁合金板材成形性能研究;值得继续的研究方向值得继续的研究方向1、背景知识金属材料的回复和再结晶金属材料的回复和再结晶冷变形后的金属材料变得冷变形后的金属材料变得更硬和脆更硬和脆重新加热后通过回复、重新加热后通过回复、再结晶和二次再结晶，改再结晶和二次再结晶，改变冷变形金属材料的特性，变

2、冷变形金属材料的特性，称为退火称为退火(annealing)1、背景知识应变时的储能是发生再应变时的储能是发生再结晶的驱动力结晶的驱动力Structure of 85%Cold worked metalTEM of 85%Cold worked metalPolygonizationGrain BoundariesStructure of stressrelived metalTEM of stressrelived metal回复时微观结构的变化回复时微观结构的变化1、背景知识再结晶的过程及其微观结构再结晶的过程及其微观结构Nucleus of recrystallized grainMor

3、e deformed regionExpansionMigration再结晶晶粒的形核再结晶晶粒的形核+长大长大1、背景知识金属材料的塑性变形和退火是直接影响材料加工性能金属材料的塑性变形和退火是直接影响材料加工性能和使用性能的重要过程，在轻合金加工过程中起非常和使用性能的重要过程，在轻合金加工过程中起非常重要的作用；重要的作用；通过塑性变形与退火处理的组合，可以使铝合金、镁通过塑性变形与退火处理的组合，可以使铝合金、镁合金、钛合金获得不同的成形性能和服役性能；合金、钛合金获得不同的成形性能和服役性能；塑性变形塑性变形力的作用；力的作用；退火退火热的作用；热的作用；1018-Cold Roll

4、ed1018-Annealed1、背景知识动态回复：高层错能材料动态回复：高层错能材料动态再结晶：低层错能材料动态再结晶：低层错能材料金属材料的塑性变形过程中热、力共同作用的影响金属材料的塑性变形过程中热、力共同作用的影响1、背景知识镁合金被称为镁合金被称为21世纪的世纪的“绿色工程材料绿色工程材料” ；变形镁合金强度高、塑性好，性能具有多样性和可靠变形镁合金强度高、塑性好，性能具有多样性和可靠性的特点，产品成本低；性的特点，产品成本低；使用变形镁产品的潜力比用其它方式生产的镁产品更使用变形镁产品的潜力比用其它方式生产的镁产品更大，要使镁合金大量的应用于结构件上，必须发展变大，要使镁合金大量的

5、应用于结构件上，必须发展变形镁合金产品；形镁合金产品；有色金属材料制品中有色金属材料制品中70%以上是板、带材，轧制变形以上是板、带材，轧制变形镁合金板材的研究和加工技术的突破对开发变形镁合镁合金板材的研究和加工技术的突破对开发变形镁合金产品有重要促进作用。金产品有重要促进作用。2、变形镁合金塑性变形原理镁合金的塑性变形特征：镁合金的塑性变形特征：HCP晶体结构及晶体结构及c/a轴比值造成镁的轴比值造成镁的塑性变形困难。塑性变形困难。塑性变形机制：滑移、孪生、超塑性；塑性变形机制：滑移、孪生、超塑性；板材塑性加工方法：热加工、温加工、冷板材塑性加工方法：热加工、温加工、冷(常温常温)加工；加工

6、；板材塑性加工工艺：板材塑性加工工艺：（1）DC:半连续铸锭（半连续铸锭（direct chilling）+热轧热轧;（2）EX:铸锭挤压开坯（铸锭挤压开坯（Extruding）+热轧；热轧；（3）TRC:连续双辊铸轧（连续双辊铸轧（ twin roll casting ）+热轧热轧2. Typical plastic deformation methods Three typical production methods for Mg alloy sheets.1.Ingot: DC (direct chilling)+ HR (hot rolling)The first is conven

7、tional Hot Rolling of DC ingots and has been used by many factories. it need many rolling steps and reheating to obtain a thin sheet.The working efficiency is low and the price of the sheet is very high.2. Typical plastic deformation methods Three typical production methods for Mg alloy sheets.2. In

8、got: EX (Extruding)+HR (hot rolling)ExtrudeRollThe second method, we can extrude and roll the ingot to obtain the sheet. This method is very helpful to obtain thin Mg sheets but it hard to get wide size sheet due to the size limit of the extrusion die. 2. Typical plastic deformation methods Three ty

9、pical production methods for Mg alloy sheets.3. TRC: (twin roll casting)+HR (hot rolling)CSIROCSUThe new developed method is twin roll casting and can obtain large size Mg sheets . It is a hopeful technology to increase the application of Mg sheets.3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金

10、板材塑性加工工艺及材料性能0.01 s-1 0.1 s-11 s-1 5s-1 10s-12118033.52121055.58033.51121055.5ln02278201ZZ.3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能abcd100m100m100m100mDRX grains50ma50mb50md50mc铸锭开始第一道轧制铸锭开始第一道轧制后续道次轧制后续道次轧制3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能开始第一道

11、轧制开始第一道轧制后续道次轧制后续道次轧制3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能b50mab50mc50m3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能 5s-1 0.01s-1 0.1s-1 1s-13、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟镁合金板材塑性加工工艺数值模拟012345678400420440460480500520T / t / s 从从165mm轧制到轧

12、制到18mm厚度的数值模拟厚度的数值模拟轧件温度变化情况轧件温度变化情况(b)(a)3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工温度场数值模拟镁合金板材塑性加工温度场数值模拟第一道次热轧变形区内温度分布第一道次热轧变形区内温度分布第一道次热轧过程中温度变化曲线第一道次热轧过程中温度变化曲线a-表面节点表面节点b-中部节点中部节点c-心部节点心部节点(b)(c)(d)(a)不同道次变形中温度变化曲线不同道次变形中温度变化曲线(a) 第1道次 (b) 第3道次 (c) 第6道次 (d) 第9道次3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2 DC-AZ31B镁

13、合金板材塑性加工工艺数值模拟镁合金板材塑性加工工艺数值模拟(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)11道次轧制变形后温度沿板材厚度方向分布图道次轧制变形后温度沿板材厚度方向分布图 3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟镁合金板材塑性加工工艺数值模拟11道次轧制变形后等效应力沿板材厚度方向分布图道次轧制变形后等效应力沿板材厚度方向分布图 (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟镁合金板材塑

14、性加工工艺数值模拟11道次轧制变形后等效应变沿板材厚度方向分布图道次轧制变形后等效应变沿板材厚度方向分布图 (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能Typical plastic deformation methods Microstructure of EX-AZ31B alloy sheetDynamic recrystallized (DRX) grainsCoarse elongated grains along the extrudin

15、g direction. Both the coarse elongated grains and the DRX grains exist in the EX-sheet3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能EDTDND图图 挤压板材三维光学显微照片挤压板材三维光学显微照片 (ND,法向法向;TD,横向横向;ED,挤压方向挤压方向)由图中可见，板材晶粒由较细小的等轴动态再结晶晶粒组成，由图中可见，板材晶粒由较细小的等轴动态再结晶晶粒组成，但晶粒大小分布不是很均匀，平均晶粒尺寸约为但晶粒大小分布不是很均匀

16、，平均晶粒尺寸约为37um.37um.3. Typical plastic deformation methods 3.3 EX-AZ31B: tensile properties on different directions 0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20050100150200250300350 Stress/MPaStrainEDTD45oEDTD45EDTDorientationb/ MPa0.2/ MPa/ %ED280.0200.413.2 45258.0125.219.0TD276.0107.416.2The mecha

17、nical properties on different directions of extruded AZ31B alloy are different obviously.Finding an appropriate subsequent rolling parameters is important for getting a thin sheet3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(b)挤压薄板在不同退火工艺条件下的金相照片挤压薄板在不同退火工艺条件下的金相照片(a)300度退火度退火0

18、.5h; (b) 450度退火度退火3h 挤压态薄板在退火过程中晶粒长大不明显，图挤压态薄板在退火过程中晶粒长大不明显，图1a平均平均晶粒尺寸为晶粒尺寸为38um，图，图1b平均晶粒尺寸约平均晶粒尺寸约42um，板材退火，板材退火之后的室温力学性能相比挤压态略有下降。之后的室温力学性能相比挤压态略有下降。3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(b)(c)(d)压下量压下量15%压下量压下量30%压下量压下量45%压下量压下量55%3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金

19、板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(b)(c)(d)400度度,30%压下量压下量 热轧后的热轧后的TEM照片照片(a), (b)胞状亚结构及亚晶胞状亚结构及亚晶; (c), (d) 孪晶孪晶3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(c)(b)(d) 400度度,30%压下量热轧后不同退火工艺的金相照片压下量热轧后不同退火工艺的金相照片 (a)2

20、00度退火度退火1h, (b)350度退火度退火1h, (c)300度退火度退火0.5h, (d)400度退火度退火5min3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能400度度,30%压下量压下量 热轧后退火的热轧后退火的TEM照片照片abcd3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能400度不同压下量热轧后经不同退火工艺的平均晶粒尺寸（截线法）度不同压下量热轧后经不同退火工艺的平均晶粒尺寸（截线法） 压下量退火工艺15%3

21、0%45%55%200度退火1h8.9um6.9um5.8um4.9um400度退火5min12.1um8.2um7.5um7.1um350度退火1h12.5um9.2um7.8um7.0um10203040506002468101214 annealing1h at 2000c annealing1h at 3500cAverage gtain size(microns)%reduction热轧后经不同退火工艺的平均晶粒尺寸热轧后经不同退火工艺的平均晶粒尺寸 轧制前的平均晶粒尺寸约轧制前的平均晶粒尺寸约40um，15%压下量轧制并退火后平均晶粒压下量轧制并退火后平均晶粒尺寸约尺寸约10-12

22、um；当压下量超过当压下量超过30%以后，晶粒细化效果减弱以后，晶粒细化效果减弱。3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20050100150200250300350 Stress(MPa)Strainhot rollingas-extrudedannealing 1h at 2000C薄板不同状态的拉伸应力应变曲线对比薄板不同状态的拉伸应力应变曲线对比(均均沿挤压沿挤压/轧制方向轧制方向)状态b(MPa)0.2(MPa)

23、(%)挤压态280.0200.413.2400度热轧态301.0231.72.6热轧后200度退火1h278.9181.618.33、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能1234FactorsTempDegrTimeDirecrackb/MPa0.2/MPa/%E/GPaRun 025915615.635Run 1350(205)20%30 minVN34728211.842Run 2350(240)30%60 minP1/23052535.841Run 3350(252)40%90 minP1231625

24、54.240Run 4400(294)20%60 minVN3462858.644Run 5400(295)30%90 minV1/235228711.443Run 6400(287)40%30 minP13332705.643Run 7450(330)20%90 minPN3062497.044Run 8450(320)30%30 minVN34428315.843Run 9450(311)40%60 minV2035529512.944A L9(34) orthogonal array with 9 runs, 4 factors, 3 levels are designed for th

25、e orthogonal analysis.3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能1234/%Run 845030%30 minR(V)15.8The sheet heat at 450 for 30min, then they should be rolled with a reduction of 30% on the direction vertical to the extruded direction. This process is the run 8 of the test.3、镁合金板材塑

26、性加工工艺及材料性能研究3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能镁合金板材塑性加工工艺及材料性能Introduction of TRC Mg stripHot-rolling slabs by direct chill (DC) casting; conventional ingot with thicknesses of 200300 mm; require frequent intervening reheating during hot rolling; high price;TRC strip; strip with a thickness less than 10 m

27、m ; eliminates several of the steps in the manufacture of the final sheet products; low price;Introduction of TRC Mg stripTRC Mg alloy; Mg alloy with narrow freezing ranges (AZ31,T=66); increase the solid solubility of alloying elements in Mg matrix; improve the strength and corrosion resistance of

28、Mg alloys; coarse columnar grains;coarse deleterious intermetallic phases;surface/edge cracks Materials & methodsMg-3% Al-1% Zn-0.8% Ce-0.3% Mn alloy;A lab-scale version of a TRC machine with a pair of opposed steel rollers (400*500mm);The rollers featured an inner water-cooled system and had an adjustable rotation speed and roller gap;The width of the TRC experimental