ZK60-RE半固态球晶组织生成及高固相率下触变行为研究

摘要

高强稀土ZK60-RE镁合金除了密度小、比刚度、比强度高，机加工性能好等优点以外，还具有自身强度高，流动性能、耐蚀性、铸造性能好等优点，能够满足交通工具轻量化的要求。
　　经过三十多年的发展，半固态成形技术已经广泛被人们所认知，低的成形力和高的材料流动性能使该技术有着强劲的竞争优势。当传统的压铸技术与锻造技术在生产形状复杂且高力学性能要求零件遇阻时，半固态成形技术作为金属加工一种补充开始突显出其潜在的应用前景，究其本质源于半固态温度下固-液两相共存、球晶组织及触变行为。
　　本文依据半固态合金的选用原则将高强稀土ZK60-RE镁合金应用于半固态成形技术。采用铸造法、等径道角挤压法（ECAE法）、液相线模锻法分别制备了半固态ZK60-RE镁合金坯料，通过Matlab软件对ZK60-RE镁合金不同半固态温度下金相图像进行计算及分析，得到其固相率随温度变化曲线，并对三种制坯工艺得到的ZK60-RE镁合金进行半固态二次重熔球化处理实验，得到晶粒平均尺寸依次是铸造法、液相线模锻法、ECAE法，其最小晶粒平均尺寸分别为：44μm、30μm、18μm；晶粒平均形状因子从大到小（晶粒球化程度）分别为1.21、1.07、1.02；之后对三种坯料球晶化进程中的组织演变和能量条件进行比较，获得ECAE法在球化速度和球晶度方面比之前两种方法具有明显优势，其缘由在于ECAE方法具有更高的储存能所致。
　　通过热模拟试验研究了半固态ZK60-RE镁合金等温压缩变形下的触变行为，依据不同条件下真应力-真应变曲线及其对应的微观组织变化分析，得到了静置时间、半固态温度、应变速率和保温时间等外变量及晶粒尺寸、晶粒形状因子和对组织均匀性等内变量对半固态触变行为的影响，提出了触变强度是触变点所对应的流动应力，即真应力-真应变曲线的峰值应力的概念，以此表征半固态下触变行为的力学特征。同时得到触变强度随半固态温度（固相率）的升高而降低；随应变速率的增加而增加；随晶粒尺寸的增加而减小；随晶粒形状因子的减小而减小；随组织均匀性的增加而减小。得到应变速率对半固态ZK60-RE镁合金触变行为的影响规律：应变速率为0.01s-1和0.1s-1时，压缩过程真应力-真应变曲线只有一个峰值应力，即触变强度，并且曲线下降阶段缓慢；而应变速率为1s-1和10s-1时，真应力-真应变曲线除了触变强度外，在随后应变处出现多个峰值应力，曲线骤增骤减。同时还得到半固态ZK60-RE镁合金触变行为的微观机制主要是晶界变形和液相流动路径形成相结合的变形机制，其中晶界处液相存在，是保证晶界变形的必要条件。
　　在研究半固态ZK60-RE镁合金触变行为的力学本质基础上，采用数学分析方法，研究铸造法、ECAE法和液相线模锻法等三种制坯方法得到的ZK60-RE镁合金坯料在压缩变形过程流变学参数变化规律，通过对数曲线拟合，得到半固态ZK60-RE镁合金的幂率方程中幂指数的变化范围是为-1.140～-1.395。根据试验得到数据，利用“时温叠加法”描述未知的曲线，得到描述表观粘度与剪切速率的关系方程为：η1=k·10exp(lgη1-lgη)·γn-1。上述研究结果为ZK60-RE镁合金在半固态成形技术中的应用奠定了理论基础。

目录

ZK60-RE 半固态球晶组织生成及高固相率下触变行为研究博士研究生：单巍巍导师：罗守靖教授申请学位：工学博士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2008 年3 月授予学位单位：哈尔滨工业大学

STUDY ON GRAINS SPHEROIDIZATION ANDTHIXOTROPIC BEHAVIOR OF SEMI-SOLIDZK60-RE WITH HIGH SOLID CONTENT

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪论

1.1 概述

1.2 半固态坯料制备方法的研究现状

1.2.1 液态金属路线法

1.2.2 固态金属路线法

1.3 半固态球晶化理论研究现状

1.3.1 破碎枝晶法

1.3.2 控制凝固法

1.3.3 二次重熔过程球晶化

1.4 半固态流变学的发展现状

1.4.1 变温（连续冷却条件下）稳态流变行为

1.4.2 等温稳态流变行为

1.4.3 触变行为

1.4.4 急剧变化剪切速率下的瞬态流变行为

1.4.5 半固态等温压缩法

1.4.6 半固态流变行为数学模型的建立

1.5 半固态镁合金成形技术研究现状

1.5.1 镁合金半固态坯料的制备

1.5.2 半固态镁合金流变行为研究现状

1.6 本课题的选题意义及主要研究内容

1.6.1 选题意义

1.6.2 主要研究内容

第2章 ZK60-RE合金半固态球晶组织生成准备阶段

2.1 引言

2.2 铸造法

2.2.1 实验材料及实验过程

2.2.2 铸造法得到ZK60-RE镁合金组织观察

2.2.3 铸造法得到ZK60-RE镁合金力学性能

2.3 等径道角挤压法

2.3.1 实验参数确定

2.3.2 ECAE法得到ZK60-RE镁合金组织观察

2.3.3 ECAE法得到ZK60-RE镁合金力学性能

2.4 液相线模锻法

2.4.1 实验参数确定

2.4.2 液相线模锻法得到ZK60-RE镁合金组织观察

2.4.3 液相线模锻法得到ZK60-RE镁合金力学性能

2.5 本章小结

第3章 ZK60-RE半固态球晶组织生成及演变规律

3.1 半固态ZK60-RE镁合金固相率的确定

3.1.1 半固态ZK60-RE镁合金固相率确定方法

3.1.2 半固态ZK60-RE镁合金固相率确定结果

3.2 重熔过程ZK60-RE镁合金半固态球晶组织生成行为研究

3.2.1 半固态重熔过程实验方案

3.2.2 铸造法制得ZK60-RE镁合金半固态球晶组织生成过程研究

3.2.3 等径道角挤压ZK60-RE合金半固态球晶组织生成过程研究

3.2.4 液相线模锻ZK60-RE镁合金半固态球晶组织生成过程研究

3.2.5 三种ZK60-RE镁合金坯料半固态球晶组织生成过程比较

3.2.6 半固态温度对ZK60-RE镁合金晶粒球化演变过程影响

3.3 半固态ZK60-RE球晶组织生成过程微观机制及演变规律

3.3.1 半固态ZK60-RE合金球晶组织生成过程的微观机制

3.3.2 半固态ZK60-RE镁合金球晶组织生成过程的晶粒演变规律

3.4 本章小结

第4章 高固相率下半固态ZK60-RE压缩变形试验研究

4.1 试验设备和试验方法

4.2 试验准备工作

4.3 试验方案

4.4 压缩变形试验结果分析

4.4.1 半固态温度对压缩变形曲线的影响

4.4.2 保温时间对压缩变形曲线的影响

4.4.3 晶粒尺寸和晶粒形状因子对压缩变形曲线的影响

4.4.4 应变速率对压缩变形曲线的影响

4.5 本章小结

第5章 高固相率半固态ZK60-RE触变行为研究

5.1 试验方案

5.2 半固态触变试验结果分析

5.2.1 静置时间对半固态ZK60-RE触变行为的影响

5.2.2 温度对半固态ZK60-RE触变行为的影响

5.2.3 保温时间对半固态ZK60-RE触变行为的影响

5.2.4 应变速率对半固态ZK60-RE触变行为的影响

5.3 半固态合金触变行为的微观机制

5.4 高固相率半固态等温压缩过程固-液相变化机制

5.4.1 高固相率下球晶沿晶界滑动机制

5.4.2 高固相率下局部液相流动路径生成机制

5.4.3 变量对高固相率半固态压缩过程固-液相流动影响

5.5 触变强度

5.5.1 触变强度的定义

5.5.2 触变强度的影响因素

5.5.3 触变强度的工程意义

5.6 本章小结

第6章 高固相率半固态ZK60-RE流变行为研究

6.1 高固相率半固态材料流变行为数学模型

6.1.1 应变速率与剪切速率的数学关系

6.1.2 外力与表观粘度的数学关系

6.2 高固相率半固态ZK60-RE镁合金流变行为研究

6.2.1 稳态表观粘度随温度的变化

6.2.2 稳态表观粘度随保温时间的变化

6.2.3 稳态表观粘度随晶粒大小的变化

6.2.4 稳态表观粘度随剪切速率的变化

6.3 采用“时温叠加法”拓展试验结果

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历