镁合金的两步等通道角挤压方法

摘要

一种材料加工技术领域的镁合金的两步等通道角挤压方法。具体为：(1)设计等通道挤压模具，包括通道转角及转角弧度的设定；(2)根据材料的初始性能，调整变形速率和变形温度，找到无裂纹变形1道次的最低温度；(3)在上述无裂纹变形最低温度下对合金实施多道次等通道角挤压变形，变形道次间根据等通道挤压路线中的一种旋转试样；(4)合金经等通道角挤压变形2－4道次后，降低等通道角挤压变形温度，继续采用等通道挤压路线中的一种对该镁合金进行等通道角挤压变形4－8道次。本发明克服了等通道角挤压变形后虽然延伸率提高，但屈服强度明显下降的特点，为提高镁合金的强韧性提供了有效的方案。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种材料加工技术领域的方法，具体的说，涉及一种镁合金的两步等通道角挤压方法。

背景技术

镁合金是很有吸引力的最轻的一类金属结构材料，它们在汽车、机车和航空工业上的应用具有广阔的前景。这些工业中的结构件往往是在承受正应力和/或切应力下失效，要求材料不但有高的比强度，还应具有足够的塑性，即要求有高的强韧性。由于镁及镁合金在凝固温度以下至室温没有相变发生，合金元素的固溶度低，又缺乏有效的强化相，所以通常合金设计中采用的相变强化、固溶强化及第二相强化方法对镁合金都不能取得成效，限制了镁合金比强度的大幅度提高。而且镁是密排六方结构，在室温时只有一组基面滑移系可以开动，因而只有有限的塑性。基于以上原因，细化晶粒成为优先考虑用来提高镁合金强度和塑性的一种有效手段。目前的很多研究表明，深度塑性变形有利于晶粒细化，而等通道角挤压工艺(ECAE)由于不改变试样的尺寸，容易实现深度塑性变形，从而获得超细晶粒。

经对现有技术的文献检索发现，(W.J.Kim)等在《Acta Materialia》(材料学报)(第51期第3239-3307页)上发表的(“Texture development and itseffect on mechanicai properties of an AZ61Mg alloy fabricated by equalchannel angular pressing”)(等通道角挤压变形AZ61镁合金的织构演变及对合金力学性能的影响)，该文中提出常规等通道角挤压方法，具体为：在275℃下采用不同挤压路线对AZ61合金等通道角挤压变形，细化合金晶粒。其不足在于：合金晶粒虽然明显细化，合金的延伸率明显提高，但合金的强度却明显降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种改进的镁合金的两步等通道角挤压方法，使其在等通道挤压过程中降低变形温度，综合提高镁合金的强韧性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体步骤如下：

(1)设计等通道挤压模具，实际生产中根据材料的变形难易程度通道转角φ在90-120°之间。转角弧度ψ取0-45°，根据公式：

$$ >>ϵ>=>>(>1>/>>3>>)>>·>[>2>cot>>(>\phi >/>2>+>\psi >/>2>)>>+>\psi >cos>ec>>(>\phi >/>2>+>\psi >/>2>)>>]>$$

可以计算每道次挤压变形提供的变形程度。

(2)对于给定的镁及各种镁合金材料，进行等通道挤压变形，在变形速率(0.28mm/s)下调整等通道角挤压变形温度(225-350℃)，找到可以实现无裂纹变形1道次最低变形温度。

(3)在上述无裂纹变形最低温度下对合金实施多道次等通道角挤压变形，并且变形道次间可以根据现有的几种等通道挤压路线中的一种旋转试样，分别是：A：每道次间试样不旋转，B：每道次间试样沿挤压轴顺时针旋转90°；C：每道次间试样沿挤压轴旋转180°，D：前一道次间试样沿挤压轴顺时针旋转90°，后一道次间试样沿挤压轴逆时针旋转90°。

(4)合金经等通道角挤压变形2-4道次后，合金的流动性变好，变形抗力降低，在这一基础上降低等通道角挤压变形温度至180-330℃，继续采用不同的挤压路线(A、B、C、D)中的一种对该镁合金进行等通道角挤压变形4-8道次，即为两步等通道角挤压工艺，变形后获得细晶粒镁合金并且合金中含有较多的亚晶界和小角度晶界，综合提高镁合金的室温强韧性。

本发明通过研究镁合金等通道角挤压变形过程中变形温度对镁合金晶粒大小和力学性能的影响，可得出这一规律，变形温度越低，细化效果越明显，变形后合金的强度较高。从而在这一基础上提出了两步等通道角挤压变形工艺，通过在等通道角挤压变形过程中进一步降低变形温度，获得了强韧性综合性能较高的镁合金材料。本发明克服了等通道角挤压变形后虽然延伸率提高，但屈服强度明显下降的特点，为提高镁合金的强韧性提供了有效的方案。

与现有技术相比，本发明在探明变形温度及变形程度对镁合金微观组织及力学性能的基础上，利用等通道挤压实现深度塑性变形，根据材料的初始性能，调节等通道挤压的变形温度，有效细化了镁合金晶粒和优化镁合金的组织结构，提高了镁合金的室温强韧性。

附图说明

图1为等通道角挤压模具示意图

图2为原始态合金与常规等通道角挤压合金的应力应变曲线

图3为原始态合金与两步等通道角挤压合金的应力应变曲线

图4为两步等通道角挤压变形后合金的TEM形貌

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的内容提供本发明在AZ31、AZ61及Mg-Zn-Y镁合金应用的实施例，具体过程如下：

实施例一：

1.根据图1设计并制造模具，选取模具的通道转角φ为90°，转角弧度ψ为0°，每道次变形的应变量为1.15。

2.给定的镁合金材料为常规挤压态AZ31镁合金，平均晶粒尺寸为16μm，合金的力学性能分别为：延伸率为21％、屈服强度为152MPa、抗拉强度为256MPa。对该合金实施ECAE变形，试样尺寸为：10×10×90cm，进行ECAE变形，变形速率设定为：0.28mm/s，变形第一道次调整变形温度的范围是200-300℃，结果表明能够实现无裂纹的最低变形温度为225℃。

3.在225℃下对合金实施多道次变形，变形路线采用B，即每道次间试样沿挤压轴顺时针旋转90°。

4.经4道次变形后，合金的晶粒细化为2μm，合金的力学性能分别为：延伸率26％，屈服强度136MPa，抗拉强度271MPa(见图2)。经5道次变形后，合金晶粒尺寸变为1.9μm，力学性能分别为：延伸率29％，屈服强度为105MPa，抗拉强度为255MPa(见图3)。说明经225℃等通道挤压变形后合金的延伸率虽然明显提高了，但是屈服强度却明显降低。而对在225℃下经4道次变形后的合金，由于变形抗力降低和金属的流动性好，变形温度可以降低至180℃，在180℃继续ECAE变形1道次后，合金晶粒细化到0.5μm，并且合金中含有明显的亚结构(见图4)，力学性能分别为延伸率29％，屈服强度：231MPa，抗拉强度303MPa(见图3)。说明经两步等通道角挤压后，相对于原始挤压态合金，合金的强度和延伸率都同时得到明显的提高。

实施例二：

1.根据图1设计并制造模具，选取模具的通道转角φ为120°，转角弧度ψ为45°。

2.给定的镁合金材料为常规挤压态AZ61镁合金，平均晶粒尺寸为20μm，合金的初始力学性能为：延伸率为19％、屈服强度为202MPa、抗拉强度为302MPa。对该合金实施ECAE变形，试样尺寸为：10×10×90cm，进行ECAE变形，变形速率设定为：0.28mm/s，变形第一道次调整变形温度的范围是200-300℃，结果表明能够实现无裂纹的最低变形温度为250℃。

3.在250℃下对合金实施多道次变形，变形路线采用D，即前一道次间试样沿挤压轴顺时针旋转90°，后一道次间试样沿挤压轴逆时针旋转90°。

4.经4道次变形后，合金的晶粒细化为2μm，合金的力学性能分别为：延伸率20％，屈服强度174MPa，抗拉强度310MPa。而对在250℃下经4道次变形后的合金，由于变形抗力降低和金属的流动性好，变形温度可以降低至190℃，在190℃继续ECAE变形4道次后，合金晶粒细化到0.3μm，力学性能分别为延伸率26％，屈服强度：274MPa，抗拉强度370MPa。

实施例三：

1.根据图1设计并制造模具，选取模具的通道转角φ为110°，转角弧度ψ为30°。

2.给定的镁合金材料为常规挤压态Mg97Zn2Y1镁合金，初始力学性能为：延伸率2.3％，屈服强度352MPa，抗拉强度413MPa。对该合金实施ECAE变形，试样尺寸为：10×10×90cm，进行ECAE变形，变形第一道次调整变形温度的范围是300～400℃，结果表明能够实现无裂纹的最低变形温度为350℃。

3.在350℃下对合金实施多道次变形，变形路线采用C，即每道次间试样沿挤压轴旋转180°。

4.经4道次变形后，合金的力学性能分别为：延伸率8％，屈服强度376MPa，抗拉强度413MPa。而对在350℃下经4道次变形后的合金，由于变形抗力降低和金属的流动性好，变形温度可以降低至330℃，在330℃继续ECAE变形2道次后，合金晶粒细化到0.2μm，力学性能分别为延伸率10％，屈服强度：400MPa，抗拉强度449MPa。