压缩变形对AZ61镁合金组织的影响

摘要

由于镁合金的晶格特点，镁合金的热成形能力比较差，从而导致变形镁合金产品成本远高于镁合金铸造产品，严重影响了变形镁合金的推广应用。通过优化工艺来提高变形镁合金的热成形性能是国内外关注的焦点之一。但至今为止，国内外对变形镁合金成形过程的组织变化规律都研究较少，大量的工作集中在通过成分优化或合金再设计来提高变形镁合金的成形性能方面，因此通过加工工艺优化来提高成形性缺乏理论基础。压缩变形是镁合金产品生产过程中最重要的变形方法之一，也是了解镁合金的力学响应和微观演化过程的重要手段，对变形镁合金压缩变形过程中组织变化规律进行系统研究对变形镁合金成形性能的改善和加工工艺的优化有重要的理论意义和应用价值。
　　 AZ61镁合金是常用Mg-Al系变形镁合金中Al含量较高的合金之一，其合金的强度比AZ31高，热成性性能比AZ31差。出现这种差异的原因是AZ61基体中存在大量的第二相。第二相的特性(类型、大小、分布、数量、形态等)是影响成形性能和使用性能的核心因素之一。已有的研究结果表明，第二相与镁合金再结晶行为也存在紧密的联系，而再结晶过程直接决定了镁合金的使用性能。因此，在压缩变形过程中，铸态中第二相的特性以及第二相的碎化和溶解行为的控制是整个工艺过程的关键。至今为止，关于AZ61镁合金中关于这方面的研究很少，很难在现有数据和理论上为优化已有的加工工艺和开发新的加工工艺提供支持。所以系统的研究铸态合金中第二相的特性、深入了解第二相在压缩变形过程中的碎化和溶解行为并建立相关理论模型是优化现有的AZ61镁合金的加工工艺、提高合金的成形性能和推广AZ61变形镁合金商业化应用所必不可少的工作。并且所得的数据和建立的理论模型对于其他种类变形镁合金具有普适性，对推动变形镁合金的整体发展具有重要的指导意义。
　　 本文采用金相显微镜、扫描电镜及能谱分析仪、X射线衍射分析仪、图像分析处理软件Image Pro和Thermo-Cacl软件等方法，系统的分析了AZ61中非平衡共晶Mg17Al12相和Al-Mn相在半连续浇铸的AZ61中的大小、数量、分布、形貌等特性。在此基础上，观察在室温下铸态压缩变形后的显微组织，分析第二相在基体中的碎化行为和第二相与孪晶之间的相互作用机制。然后对比分析了室温下预变形处理后的铸态试样与固溶态试样经高温变形后的组织形貌差异以及不同温度下经过预变形处理的试样和铸态试样经高温热变形后的组织差异，并对共晶Mg17Al12的高温溶解行为进行仔细的观察。研究结果表明在室温下预变形能够提高再结晶在基体中的形核均匀性，削弱了基体在高温变形中的失稳趋势。还发现包含有粗大共晶Mg17Al12相的铸态试样经过高温热变形后其再结晶晶粒尺寸比固溶态的尺寸细小。以上现象说明粗大的Mg17Al12相能够提高晶粒内部的孪晶含量，为热变形过程中再结晶提供更多的形核核心，避免了热变形过程中由于再结晶不均匀而造成的变形失稳，相比固溶态变形能够获得更为细小的再结晶组织，从而提高了合金的强度和塑性。而且预变形在共晶Mg17Al12相引入的裂纹，在经过几分钟的保温后，能够使共晶Mg17Al12相在高温变形中碎化的程度更高，分布更为弥散，增加了基体的变形协调性。同时通过研究Mg17Al12相高温溶解行为发现，室温下所产生的孪晶等缺陷和外力对基体做功能够加速Mg17Al12相的溶解，从而使避免粗大第二相对变形后组织产生负面影响成为了可能。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 AZ61镁合金的研究现状

1.2.1 AZ61组织性能的研究现状

1.2.2 AZ61合金中第二相的研究现状

1.3 变形对第二相影响的研究现状

1.3.1 第二相碎化

1.3.2 第二相的溶解扩散

1.4 第二相对合金组织性能的影响

1.4.1 第二相与位错的相互作用

1.4.2 孪晶与第二相的相互作用

1.4.3 第二相对合金性能的影响

1.5 本课题研究目的和内容

1.5.1 研究目的和意义

1.5.2 研究内容

1.6 主要成果及创新点

2 半连续浇铸AZ61合金铸态组织研究

2.1 引言

2.2 实验材料和方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验方法

2.3 铸态AZ61合金枝晶形貌

2.4 铸态AZ61合金中枝晶生长的择优取向性

2.5 铸态AZ61合金中相的构成

2.6 铸态AZ61中边部和心部Al元素的分布与显微硬度

2.7 本章小结

3 铸态AZ61合金中Mg17Al12相的特性

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3 铸态AZ61合金中Mg17Al12的形貌及分布状态

3.4 铸态AZ61合金中Mg17Al12的尺寸、数量特征

3.5 影响Mg17Al12相特性的因素

3.5.1 Al元素偏聚对Mg17Al12相特征的影响

3.5.2 枝晶形貌对Mg17Al12相分布特征的影响

3.5.3 固相反扩散对Mg17Al12相特征的影响

3.6 本章小结

4 铸态AZ61合金中Al-Mn相的特性

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

43 Al-Mn相的形貌及分布特性

4.4 Al-Mn相经固溶处理后分布特性

4.5 Al-Mn相尺寸及数量特征

4.6 影响Al-Mn相分布特性的因素

4.7 本章小结

5 铸态AZ61直接高温压缩变形后组织与性能研究

5.1 引言

5.2 实验材料和方法

5.3 温度对AZ61高温变形后组织的影响

5.4 应变速率对AZ61高温变形后组织的影响

5.5 铸锭边部和心部变形后组织形貌

5.6 应力-应变曲线

5.7 塑性不稳定性

5.8 本章小结

6 AZ61合金室温压缩预变形后高温压缩组织和性能研究

6.1 引言

6.2 实验材料与方法

6.3 不同变形量下室温预变形后的AZ61铸态组织

6.4 不同温度对室温预变形后AZ61铸态组织的影响

6.5 本章小结

7 铸态AZ61中第二相在变形过程中的动力学和热力学行为

7.1 引言

7.2 第二相在变形过程中的碎化行为

7.2.1 AZ61镁合金铸锭边部Mg17Al12共晶相在变形过程中的碎化行为

7.2.2 AZ61镁合金铸锭心部Mg17Al12共晶相在变形过程中的碎化行为

7.2.3 Al-Mn相在变形过程中的碎化行为

7.3 第二相碎化的动力学行为

7.3.1 屈服准则

7.3.2 相与应力之间夹角对第二相碎化的影响

7.3.3 第二相碎化密度

7.3.4 破碎第二相上平均应力分布

7.3.5 能量耗散

7.4 第二相与孪晶之间的相互作用

7.4.1 Mg17Al12共晶相与孪晶之间的相互作用

7.4.2 Al-Mn相与孪晶之间的相互作用

7.5 第二相与孪晶之间的相互作用机理

7.6 第二相高温溶解热力学行为

7.7 第二相高温溶解回溶与温度对基体层错能的影响

7.8 本章小结

8 本文结论

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录：