第1章 緒論

1.1 前言
目前，面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，節(jié)能減排顯得越來越重要，輕量化是節(jié)能減排的一個(gè)重要方面。輕量化主要包括材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化。結(jié)構(gòu)輕量化主要是指“以空代實(shí)”或采用變截面等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)件重量的目的。然而由于實(shí)際應(yīng)用中結(jié)構(gòu)件往往十分復(fù)雜，，加工工藝較為繁瑣，因此結(jié)構(gòu)輕量化受到諸多限制。相比于結(jié)構(gòu)輕量化，材料輕量化是指用較輕的合金代替密度較大的材料，以達(dá)到從根源上減輕結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的目的，較為容易實(shí)現(xiàn)。 鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)合金而備受關(guān)注，具有密度小、比強(qiáng)度大、阻尼性好、導(dǎo)熱性好、收縮率小、電磁屏蔽性能好、抗電磁波干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。另外，我國具有豐富的鎂資源，鎂的總儲量居世界首位。因此，鎂及鎂合金的研究和應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。 但在室溫條件下，鎂合金具有塑性變形能力差、耐蝕性能及抗疲勞性能和蠕變性能較低等缺點(diǎn)，極大地限制了鎂合金在工業(yè)上的應(yīng)用。當(dāng)前鎂合金在鑄造過程中容易產(chǎn)生夾雜、氣孔、疏松等缺陷，同時(shí)鑄造鎂合金通常晶粒較為粗大，組織不均，嚴(yán)重影響了鎂合金的性能。 因此，塑性工藝被用于鎂合金的加工成形。鎂合金常見的塑性加工方式有:軋制、擠壓、沖壓、熱鍛等。經(jīng)塑性變形后，改變了鎂合金的微觀組織，性能也隨之得到改善�；谒苄宰冃蔚幕A(chǔ)上，學(xué)者們通過改進(jìn)提出了劇烈細(xì)化晶粒的大塑性變形工藝(SPD)。但是，由于制備材料工藝要求的復(fù)雜性及需要多道次才能完成等瓶頸限制，現(xiàn)階段大塑性變形工藝目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究或小批量試制階段，難以滿足工業(yè)上大批量的需求。 如何實(shí)現(xiàn)材料制備與后續(xù)加工工序的有機(jī)結(jié)合是鎂合金塑性加工領(lǐng)域當(dāng)前不斷探索的研究方向之一。為此，本文針對可以實(shí)現(xiàn)集材料制備和成形一體化的塑性工藝-連續(xù)變通道直接擠壓法(CVCDE)進(jìn)行研究，對經(jīng)連續(xù)變通道直接擠壓成形后的 AZ31 鎂合金微觀組織和織構(gòu)進(jìn)行深入分析，通過研究變形機(jī)理對力學(xué)性能提高的內(nèi)因進(jìn)行闡釋。 
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1.2 鎂合金晶粒細(xì)化方法
快速凝固是一種常見的細(xì)晶材料制備方法，最早于二十世紀(jì)五十年代應(yīng)用于鎂及鎂合金的研究上。它主要是采用極快的冷卻速度使液態(tài)鎂合金轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)鎂合金，通過快速凝固制備的鎂合金晶粒尺寸可以達(dá)到納米級。鎂合金的快速凝固技術(shù)主要有三種：一是采用霧化快速凝固；二是模冷快速凝固；三是表面重熔快速凝固[1]。 ZHANG等[2]研究了常規(guī)鑄造 ZM61 鎂合金和快速凝固 ZM61 鎂合金的室溫力學(xué)性能和抗腐蝕性能，研究發(fā)現(xiàn)，快速凝固 ZM61 鎂合金形成了細(xì)化的樹突狀顯微組織和分布在基體中的強(qiáng)化相 Mg Zn2，力學(xué)性能和腐蝕性能得到顯著提高，極限抗拉強(qiáng)度從 335  MPa 增加到 460  MPa。圖 1-1 所示為鑄造和快速凝固 ZM61 合金的微觀組織對比。CZERWINSKI[3]研究了快速凝固技術(shù)制備的用于觸變注射成型的鎂合金顆粒，研究發(fā)現(xiàn)：其微觀組織由樹突狀的 a-Mg 和 Mg17Al12 組成，與鑄造組織相比，Mg17Al12 的含量降低。圖 1-2 為快速凝固制備顆粒的顯微結(jié)構(gòu)和 Mg17Al12的顯微結(jié)構(gòu)。WATANABE等[6]通過粉末冶金制備等軸狀的晶粒尺寸為500  nm的ZK61鎂合金,并研究了其在低溫高應(yīng)變速率下的超塑性，研究發(fā)現(xiàn)納米級的晶粒尺寸導(dǎo)致ZK61鎂合金在低溫高應(yīng)變速率下的超塑性。圖1-4為粉末冶金的ZK61鎂合金的TEM微觀結(jié)構(gòu)。 
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第2章   實(shí)驗(yàn)材料及分析方法 

2.1 引言 
連續(xù)變通道直接擠壓作為一種新型的高性能輕合金擠壓成形技術(shù)，它通過型腔結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)使流經(jīng)材料受到連續(xù)“鐓-拔-鐓”的加載作用效果，同時(shí)集材料的制備與成形等工序于一體，真正實(shí)現(xiàn)了形/性的協(xié)同控制，但其機(jī)理方面的研究則鮮有報(bào)道。本章主要針對擬圍繞展開研究所需的實(shí)驗(yàn)材料、工藝方法及測試手段等進(jìn)行介紹。 
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2.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法
本文采用的實(shí)驗(yàn)材料為擠壓態(tài)商用 AZ31 鎂合金，化學(xué)成分如表 2-1 所示。坯料尺寸為 Ф40  mm×40  mm，總擠壓比為 44.4，擠壓速度為 1  mm/s，擠壓溫度為 300 oC。水基石墨被采用作為潤滑劑，擠壓后試樣在空氣中冷卻。連續(xù)變通道直接擠壓即在坯料和芯模之間增設(shè)一定數(shù)量及結(jié)構(gòu)的過渡模，形成連續(xù)變通道的型腔結(jié)構(gòu)，工藝原理如圖 2-1 所示。模腔整體結(jié)構(gòu)主要是由擠壓筒、芯模和若干數(shù)量的過渡模所組成，無過渡模情況即為常規(guī)擠壓，該工藝的過渡模及芯模定徑帶處直徑呈逐漸減小趨勢變化。當(dāng)改變 d1、d2、d3、d4、α1、α2、α3、β1 和  β2 等參數(shù)時(shí)會形成不同的模腔結(jié)構(gòu)，造成不同局部應(yīng)變量。成形初期，材料受壓變形后向下一個(gè)型腔充填流動，先后發(fā)生了鐓粗和擠壓兩種變形模式。其中，鐓粗部分沿徑向逐漸充滿相應(yīng)階段的模腔，擠出部分則從�？诹鞒鲞M(jìn)入下一個(gè)型腔或最終被擠出成形。 與傳統(tǒng)擠壓相比，該方法成形時(shí)材料在流經(jīng)過程中可受到持續(xù)變化的剪切應(yīng)力作用，促使晶粒進(jìn)一步細(xì)化，對擠出制品綜合性能有著重要影響。過渡模的數(shù)量和結(jié)構(gòu)直接影響到材料流出的難易程度和變形量的大小。 
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第 3 章  擠壓態(tài) AZ31 鎂合金的微觀組織和性能研究 ...... 18 
3.1  引言 ..... 18 
3.2  晶粒分布特征分析 ........ 18 
3.3  力學(xué)性能及斷口形貌 .... 21 
3.3.1  力學(xué)性能 ........ 21 
3.3.2  斷口形貌 ........ 22 
3.4  織構(gòu)演變及機(jī)理分析 .... 23
3.5  本章小結(jié) ...... 26 
第 4 章  二階連續(xù)變通道擠壓 AZ31 鎂合金的微觀組織和性能研究 ......... 28 
4.1  引言 ..... 28 
4.2  研究方案 ...... 28 
4.3  晶粒分布特征分析 ........ 29 
4.3.1  晶粒形貌 ........ 29 
4.3.2  再結(jié)晶行為 .... 31 
4.4  力學(xué)性能及斷口形貌 .... 34
4.5  織構(gòu)演變及機(jī)理分析 .... 36
4.6  本章小結(jié) ...... 40 
第 5 章  三階連續(xù)變通道擠壓 AZ31 鎂合金的微觀組織和性能研究 ......... 41 
5.1  引言 ..... 41 
5.2  研究方案 ...... 41 
5.3  晶粒分布特征分析 ........ 42 
5.3.1  晶粒形貌 ........ 42 
5.3.2  再結(jié)晶行為 .... 43 
5.4  力學(xué)性能及斷口形貌 .... 45 
5.5  織構(gòu)演變及機(jī)理分析 .... 46 
5.6  本章小結(jié) ...... 51 

第5章 三階連續(xù)變通道擠壓 AZ31 鎂合金的微觀組織和性能研究 

5.1 引言 

為了進(jìn)一步研究連續(xù)變通道直接擠壓法在細(xì)化晶粒、改變微觀組織結(jié)構(gòu)和織構(gòu)類型等方面的作用效果。本章在原有基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)過渡模，初步設(shè)計(jì)了三階連續(xù)變通道直接擠壓模結(jié)構(gòu)，并對三階連續(xù)變通道直接擠壓后鎂合金的力學(xué)性能進(jìn)行測試，用 EBSD、SEM 和 TEM 對其微觀組織進(jìn)行表征，分析其對力學(xué)性能改變的內(nèi)因所在。由圖 5-2 可以看出，經(jīng)過三階連續(xù)變通道直接擠壓后晶粒被明顯的細(xì)化，同時(shí)晶粒變得等軸化。在圖 5-2a)的中間部分形成了明顯的小晶粒帶，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，平均晶粒尺寸為 6.67  μm。由圖 5-2b)可以看出再結(jié)晶的小晶粒多出現(xiàn)在晶界交叉處且晶界成鋸齒狀。從圖 5-2c)晶粒尺寸分布可知，晶粒尺寸較小且分布較為均勻，不存在原始狀態(tài)那樣的粗大晶粒，在 5000 倍下一些尺寸較小的晶粒被表征出來。 圖 5-3 所示為三階連續(xù)變通道直接擠壓得到的 AZ31 鎂合金晶粒短長軸比(GSAR)分布和再結(jié)晶晶粒(GSAP>0.5)分布圖。由圖 5-3a)可以看出，與第三章中擠壓態(tài) AZ31 鎂合金相比，GSAP>0.5 晶粒比例明顯增多，說明等軸晶粒的比例增加，經(jīng)三階連續(xù)變通道直接擠壓后再結(jié)晶晶粒明顯增多，再結(jié)晶晶粒分布如圖 5-3b)所示，除了黑色 GSAP<0.5 變形晶粒，大部分晶粒為再結(jié)晶晶粒。 

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結(jié)論 

本文主要圍繞AZ31鎂合金連續(xù)變通道直接擠壓工藝實(shí)驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)及性能表征進(jìn)行了深入研究，并揭示了其變形機(jī)理，主要得到如下結(jié)論： 
1.  與傳統(tǒng)擠壓工藝相比，連續(xù)變通道直接擠壓法能有效細(xì)化AZ31鎂合金晶粒，易形成等軸細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，提高了微觀組織均勻性及明顯改善了力學(xué)性能； 
2.  連續(xù)變通道直接擠壓技術(shù)能改變AZ31鎂合金晶粒的位向，有利于非基面滑移系的激活。隨著過渡模數(shù)量的增加，基面織構(gòu)強(qiáng)度和類型發(fā)生改變，有利于減弱擠出制品的各向異性，使延伸率和抗拉強(qiáng)度都得到提高； 
3.  不同局部應(yīng)變量的二階連續(xù)變通道直接擠壓 AZ31 鎂合金的晶的取向和孿晶變化以及位向角之間均存在差異，變形機(jī)理也明顯不同，其中方案一、二中以滑移和孿生變形為主，方案三中主要為滑移； 
4.  不同局部應(yīng)變量促使二階連續(xù)變通道直接擠壓 AZ31 鎂合金的織構(gòu)類型也完全不同。三種方案分別對應(yīng)形成了、//ND、三種絲織構(gòu)，織構(gòu)類型改變和強(qiáng)度弱化對 AZ31 鎂合金力學(xué)性能有較大影響； 
5.  經(jīng)過三階連續(xù)變通道直接擠壓后，AZ31 鎂合金晶粒方向發(fā)生了改變，形成了新的絲織構(gòu)，晶粒的基面與擠壓軸之間形成一定的夾角，有利于基面滑移的進(jìn)行，基面滑移和弱化的基面織構(gòu)導(dǎo)致了沿軸向拉伸時(shí)屈服強(qiáng)度的降低；
6.  通過對比研究結(jié)果表明，三階連續(xù)變通道直接擠壓 AZ31 鎂合金的TEM 顯微結(jié)構(gòu)與擠壓態(tài)明顯不同，{10-12}拉伸孿晶較為狹長細(xì)小，同時(shí)再結(jié)晶晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度較低。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：117654