第 1 章 緒  論

引言
鎂合金具有比強度高，密度低，良好的電磁屏蔽性能，導熱性能好，易加工，易回收等物理和化學性質，因而被廣泛應用于航空航天，汽車制造業(yè)，通訊電子產品，便攜式移動設備，體育健身，醫(yī)療設備以及其它一些需要減輕重量的零部件等廣泛的領域[1]。我國有大量的鎂資源儲量，其中的絕大部分是以低附加值的原材料進行出口，目前在鑄造方面有一些應用，具有優(yōu)良性能的變形鎂合金卻比較稀缺，鎂工業(yè)的整體基礎較弱，深加工性能差，很大程度上限制了我國鎂工業(yè)競爭力的提高，由于鎂合金自身結構為密排六方結構，與其它的晶體構造相比較，獨立的滑移系統(tǒng)較少，尤其是在室溫條件下，滑移變形時僅僅存在于基面{0001}上，宏觀表現(xiàn)為塑性變形能力差，變形加工難度大，容易產生孿生，導致裂紋萌生，甚至開裂[2]。在高溫條件下，鎂合金的滑移系統(tǒng)，其中包括錐面滑移系統(tǒng)和棱柱面的滑移系統(tǒng)的啟動，在宏觀上塑性起到了很大的改善，，容易加工，特別是商用 AZ31 板得到規(guī)模應用。大量文獻研究了 AZ31 鎂合金的熱壓縮和軋制變形的變形機制，為 AZ31 鎂合金板材的規(guī)模化生產給出了理論基礎。但是，關于規(guī)模化生產的 AZ31 鎂合金板的深沖變形工藝及熱加工圖的研究卻鮮有文獻報道，所以有必要對 AZ31 鎂合金板材的拉伸變形及熱加工圖進行研究與討論[3]。
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1.1 鎂合金的特點與應用現(xiàn)狀
純鎂具備許多優(yōu)異性能，然而其抵抗各種外加載荷的能力較差，極大的限制了其使用范圍。在純鎂中增添適量的合金化元素，鎂的物理、化學以及力學性能能夠得到很大的改良，鎂合金可以按照三個方面進行分類：按照合金化學成分的構成、加工成型工藝以及按熱處理強化效果進行分類[4]。 按化學成分，鎂合金可以總結為三類，分別為：二元鎂合金、三元鎂合金與多元鎂合金，鎂合金劃分的依據是鎂和除鎂之外占合金元素含量最高的一個元素進行不同系的建立，可以表達成 Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Ag、Mg-Th、Mg-Li 系等[5]。  鑄造和鍛造鎂合金的不同成型工藝是主要的兩大類，對組織的組成和性能是這兩種類型的一個很大的區(qū)別。鑄造鎂合金由于其成型特點，因而生產效率比較高，鑄件的尺寸精度較好，可以鑄造形狀復雜的工件。對于變形鎂合金板材來說，其在加工體系中難度較大并且附加值較高，和鑄造鎂合金相比：強度更高、塑性佳，同時規(guī)格總類多。因此，發(fā)展研究變形鎂合金對不同領域來說，使用價值更高，擁有廣闊的應用前景[6]。 按熱處理效果可以分類為：鎂合金可熱強化和非熱強化合金，鎂合金的熱處理的目的是改善機械性能，與此同時也有些熱處理的目的是為了降低鑄造內應力或淬火應力，能夠控制在高溫工作期間應力的生長傾向，使鑄件保持穩(wěn)定的尺寸[7]。基于在固體溶液中的溶解度和溫度各成分的關系，以確定熱處理是否加強。鎂合金在作為移動設備外殼上使用時，在保護設備的同時也具備良好的熱傳導性能，大大改善了設備散熱的問題。鎂合金在軍工方面上使用也較多，其中在雷達衛(wèi)星使用上是根據鎂合金是非磁性金屬，能夠抗電磁波干擾，電磁屏蔽性能優(yōu)良。 同時，和其他合金材料相比下，鎂合金材料在使用上也有一部分的局限性，鎂合金的抗鹽水腐蝕能力較低，在與鋼鐵材料接觸時容易產生電化學腐蝕。
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第 2 章 實驗材料、設備及方法

2.1 實驗材料
實驗材料使用營口銀河鎂鋁合金有限公司成產的大變形大壓下量經過兩道粗軋七道精軋的多道次軋制 AZ31 鎂合金板材，厚度分別為 1.2mm 和 7.0mm。 
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2.2 實驗設備及試樣的制備 
將軋制板材沿軋制方向（呈0°方向，即RD，roll  direction)經行取樣，試樣的尺寸規(guī)格如圖2.1所示。實驗用的試樣是從軋制AZ31鎂合金板材上通過線切割機切得。 材料試驗機可以在材料進行拉伸變形時測量材料在受到拉伸變形載荷時金屬材料的力學性能指標，并且通過計算機對實時拉伸應力進行記錄，對于力學性能上來說，其中包括屈服強度0.2? 、抗拉強度b? 、斷后延伸率。本實驗采用美國進口 MTS810 疲勞試驗機及三段式電阻絲加熱爐加熱，溫度誤差范圍在±1℃。拉伸最大量程為 2KN。MTS810 疲勞試驗機采用自我調控和適應的封閉式操控形式，以及各類補償方式進行實驗，讓試樣的指令信息以及回饋信息能夠相互吻合，實現(xiàn)實驗的參量控制方式。拉伸機上配有 GX-1200A 型溫度控制箱從室溫加熱到需要溫度后保溫 15min 后再開始拉伸，為的是保證實驗材料達到所需溫度，并且實驗材料各處受熱均勻。具體高溫拉伸試驗如下： 1）將兩種板厚的 AZ31 鎂合金板材在沿軋制方向獲取各 18 個拉伸試樣，分別在溫度為 200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃每個溫度下分別以拉伸速度 2 mm/min、20mm/min、 200mm/min（所對應的應變速率分別為 0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1）進行拉伸變形直至斷裂，采用實驗所采集的數(shù)據經過轉換公式轉換后應用 Origin8.0 程序建立出材料熱拉伸變形的真應力-真應變曲線。 2）對材料要進行進行預先熱處理，使組織均勻化，晶粒尺寸比較均勻的情況。故試驗前將線切割好的大變形大壓下量的 AZ31 鎂合金試驗試樣在 380℃時進行熱處理過程，熱處理 2 小時。在進行高溫拉伸前同時要注意材料的表面清潔度，若有雜質等異物，使用 5 號砂紙對材料表面經行細微打磨，尤其需要注意在試樣件在拉伸過程中的有效部位的細微打磨，同時，在進行拉伸之前，為保證試驗的準確性，使材料在三軸方向的溫度一致，也需要將將試樣提前加熱到制定的試驗溫度參數(shù)后進行保溫，保溫時間為 5 分鐘持，材料發(fā)生斷裂失效后應快速進行常溫冷卻，保證材料的斷裂處或者斷裂處附近及材料的組織沒有發(fā)生變化，以便下一步的金相組織分析。 
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第 3 章 高速軋制 AZ31 鎂合金板的熱拉伸行為及其本構方程..... 16 
3.1 AZ31 薄板熱拉伸的真應力真應變曲線 ...... 16 
3.2 AZ31 鎂合金 1.2mm 薄板流變應力模型的建立 ...... 19 
3.2.1 應變速率對流變應力的影響 .... 20 
3.2.2 溫度對流變應力的影響 ........ 21 
3.2.3 本構方程的建立 ........ 23 
3.3 AZ31 鎂合金 7.0mm 厚板拉伸真應力-真應變曲線分析 ..... 25 
3.4 AZ31 鎂合金 7.0mm 厚板流變應力模型的建立 ...... 27 
3.4 本章小結 ....... 32 
第 4 章 AZ31 鎂合金板材的熱拉伸性能 ..... 33 
4.1 引言 ..... 33 
4.2 AZ31 板材熱加工圖的構建與分析 .... 33 
4.3 金相組織分析 ......... 36
4.4 本章小結 ....... 42 
第 5 章 結論.... 43 

第 4 章 AZ31 鎂合金板材的熱拉伸性能 

4.1 引言 

金屬材料如果能在塑型加工過程中能發(fā)生動態(tài)再結晶通常我們是這樣認為是非常良好的變形機制，在再結晶過程中材料可以通過重建材料內部組織結構，消除晶體內部缺陷及殘余應力，而動態(tài)回復在這些方面可以忽略。但是超塑性行為則不能建立其顯微組織結構，并且如果變速率比較大的時候還會在晶界交匯處形成裂紋和空洞[35]。有些材料組織變形機制的產生則對材料塑性加工的進行十分有害，例如動態(tài)產生裂紋、實效、絕熱剪切帶的形成種種現(xiàn)象。為了更好地加強 AZ31 鎂合金的加工性能以及深入了解其內部塑性變形機制，根據材料的動態(tài)模型(DMM) [36]，建立 AZ31 鎂合金（1.2mm 和 7mm）軋制板材在熱拉伸過程的熱加工圖。

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結論

本課題采用了金相顯微鏡，熱處理爐與帶有保溫裝置的 MTS810 材料試驗機，分別研究了厚度分別為 1.2mm 和 7mm 的大變形大壓下量的 AZ31 鎂合金軋制板材的高溫拉伸變形行為，以及在拉伸變形過程當中的顯微組織變化，并且構建本構方程與熱加工圖，討論了熱加工圖中不同區(qū)域組織變化規(guī)律，給出了適宜可熱加工的參數(shù)，主要結論如下： 
1）AZ31 鎂合金的高溫流變真應力-真應變曲線呈現(xiàn)典型的動態(tài)再結晶組織軟化特性，流變應力隨拉伸變形溫度的降低和應變速率的增加而增大。 
2）經計算得到 AZ31 鎂合金的變形激活能在 108~194KJ/mol 之間，1.2mm 厚的 AZ31鎂合金板的熱激活能 Q=143KJ/mol, 7.0mm 厚的 AZ31 鎂合金板熱激活能 Q=156KJ/mol。 
3）AZ31 鎂合金 1.2mm 薄板的熱加工圖分為 6 個區(qū)域，4 個非失穩(wěn)區(qū)和兩個失穩(wěn)區(qū)，區(qū)域 I 為低溫低應變速率區(qū)域，能量耗散效率較低在 25%以下，不動態(tài)再結晶機制不能完全的啟動，不適合進行塑性變形；區(qū)域 III 和區(qū)域 IV 中由于變形溫度較高且應變速率范圍較窄并且不易控制，從成本角度和可控制性考慮不適合進行熱加工。在區(qū)域 II 中溫度高應變速率，溫度和應變速率變化范圍較大，根據耗散效率值與金相可看出發(fā)生動態(tài)回復和再結晶，能夠得到良好的組織，是熱拉伸變形工藝易控制的理想加工區(qū)域。當變形溫度為 280~325℃，應變速率為 0.01~0.1s-1時材料的功率耗散效率達到最高 35%，表明處于低能量耗散狀態(tài)，此時材料的可加工性最好，能夠獲得無缺陷的組織和優(yōu)異的力學性能。 
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參考文獻(略)

本文編號：43103