（材料加工工程專業(yè)論文）鑄態(tài)zk60鎂合金鍛造及壓縮變形規(guī)律的研究.pdf

鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金塑性加工性能的研究 摘要 目前對于z k 6 0 鎂合金的研究主要集中在擠壓態(tài)坯料的晶粒細(xì)化、超塑性、 復(fù)合材料等方面，對于鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金的變形行為研究較少。本文通過對鑄態(tài) z k 6 0 鎂合金鍛造過程中的斷裂行為和壓縮變形規(guī)律的研究，得到的如下結(jié)果： ( 1 ) 鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金固溶處理前后的塑性研究 鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金鍛造過程中，富集在晶界處的粗大共晶相易造成沿晶開裂， 使材料可加工性降低。通過3 3 0 1 6 h 的固溶處理后，晶界得到細(xì)化，材料的室 溫力學(xué)性能有較大的提高，延伸率由5 5 提高到8 2 ，極限鐓粗比從6 0 上升 到8 0 8 5 ，斷口由固溶處理前的沿晶斷裂為主變?yōu)榻饫頂嗔褳橹鳎鼐ч_裂部 位為共晶產(chǎn)物m g z n 2 相和m 9 7 z n 3 相。消除共晶相后，由于塑性變形能力的提高， 鍛后組織出現(xiàn)較多的動態(tài)再結(jié)晶晶粒，細(xì)化了鑄態(tài)z k 6 0 的組織，提高了其可加 工性能，使鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金直接進(jìn)行塑性加工成為可能。 ( 2 ) 固溶處理后的鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金單向壓縮性能的研究 通過改變變形速度、溫度、應(yīng)變量、變形道次等工藝參數(shù)進(jìn)行單向壓縮，發(fā) 現(xiàn)鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金具有典型的熱加工特點，單道次大變形時產(chǎn)生的溫升對材料 的可加工性影響較大。采用單向多道次降溫壓縮進(jìn)行大變形，可防止變形溫升過 高，同時得到細(xì)小的晶粒和良好的塑性。 ( 3 ) 固溶處理后鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金的多向壓縮實驗的研究 通過不同道次應(yīng)變量的多向恒溫壓縮、多向降溫壓縮等實驗，研究了鑄態(tài) z k 6 0 鎂合金在多向壓縮時的組織演變和應(yīng)力一應(yīng)變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)多向壓縮較單向壓 縮具有更好的晶粒細(xì)化效果，且道次壓下量越大、道次壓縮溫度越低，晶粒細(xì)化 效果越明顯。隨著壓縮道次的增加，恒溫時應(yīng)力峰值逐漸下降，道次應(yīng)變量越大， 應(yīng)力峰值下降越明顯；降溫時由于變形抗力的增加使應(yīng)力峰值升高，但可以明顯 改善材料的可加工性能，使材料在2 3 0 仍具有良好的塑性成形能力。 關(guān)鍵詞：鎂合金；z k 6 0 ；鍛造；壓縮；塑性成形 i i a b s t r a e t a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h er e s e a r c h e so nz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y sw e r ef o c u s e do n t h eg r a i nr e f i n e m e n t ，s u p e r p l a s t i c i t ya n dc o m p o s i t em a t e r i a l i tw a sl e s st os t u d yt h e c a s t i n gz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y sd e f o r m a t i o n i nt h ep r e s e n tp a p e r ，t h ee f f e c t so f a n n e a l i n gt r e a t m e n to nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fz k 6 0m ga l l o yw e r e i n v e s t i g a t e d a tt h es a m et i m e ，t h eh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r so ft h ep r e s e n ta l l o y w e r ea l s os t u d i e db yu n i a x i a la n dm u l t i - d i r e c t i o n a lc o m p r e s s i o nt e s t s ( 1 ) t h ec a s t i n gz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y sp l a s t i cp r o p e r t ys t u d yf o r ea n da f t e r s o l u t i o nt r e a t m e n t ， d u r i n gt h ef o r g i n g ，t h ec a s t i n gz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y sw e r ee a s yt o m a k e i n t e r g r a n u l a rc r a c k t h r o u g ht h ea n n e a l i n ga t 3 3 0 cf o r1 6 h ，t h eg r a i nb o u n d a r y w a sf i n e da n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yw a si m p r o v e d t h ee l o n g a t i o np e r c e n t a g ea n d u p s e tl i m i tw e r ec h a n g e df r o m5 5 a n d6 0 t o8 2 a n d8 5 f r a c t o g r a p h y d e m o n s t r a t e st h a tt h ea s c a s t a l l o y s t e n s i l ef r a c t u r e c o n s i s to fq u a s i c l e a v a g e f r a c t u r em i x e dal i t t l es h e a rf r a c t u r ea n dt h ea l l o y s t e n s i l ef r a c t u r em o d ea f t e r h o m o g e n i z i n gi sc h a n g e df r o mi n t e r g r a n u l a rf r a c t u r et ot r a n s g r a n u l a rf r a c t u r e i nt h e u p s e t t i n gt e s t s ，m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p y ( o m ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) w e r e u s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n i t i a t i o no ft h em i c r o c r a c k si na s - c a s ta l l o y sa n d t h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dm g z n 2o rm 9 7 z n 3i st h es o u r c eo fm i c r o e r a c k sa n d w o u l dr e d u c et h ef o r m a b i l i t yo fa l l o yd u r i n gi t sp l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s s a f t e r s o l u t i o nt r e a t m e n t ，b e c a u s ei m p r o v e dz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y sp l a s t i cd e f o r m a t i o n d e g r e e ，i tc a ng e tm o r ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n a l lo ft h i sm a d et h ec a s t i n gz k 6 0 m a g n e s i u ma l l o y sc a nd e f o r md i r e c t l y ( 2 ) u n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so fa s - a n n e a l e dz k 6 0m ga l l o y t h r o u g hc h a n g i n gt h ed e f o r ms p e e d ，t e m p e r a t u r e ，s t r a i nc a p a c i t ya n dd e f o r m p a s s ，i tw a sf i n dt h a t t h ea n n e a l e dz k 6 0e x p r e s s e do b v i o u sh o tw o r k a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c ，b u tt h et e m p e r a t u r er i s ew a sh i g h u n i a x i a lc o m p r e s s i o nw i t hm o r e s t e p sw a sc a r r i e do u tu pt ol a r g ec u m u l a t i v es t r a i n sa n dg e tf i n eg r a i n e ds t r u c t u r e ( 3 ) u n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so fa s a n n e a l e dz k 6 0m ga l l o y t h r o u g ht h ed i f f e r e n tr e d u c t i o ni np a s sd u r i n gc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dw a r m c o m p r e s s i n g ，i tw a sf i n dt h a t m u l t i d i r e c t i o n a l f o r g i n gi s f a v o r a b l ef o rg r a i n r e f i n e m e n to fz k 6 0a l l o ya n di n t e g r a t e df l o wc u r v ee x h i b i t sa s i g n i f i c a n tw o r k s o f t e n i n ga tm o d e r a t es t r a i n s ，f o l l o w e db ys t e a d y - s t a t el i k ef l o wa tl a r g es t r a i n s w i t hi n c r e a s i n gi np a s ss t r a i n ，f l o ws t r e s sd e c r e a s e sm o r er a p i d l ya n da p p r o a c h e s f a s t e ral o w e rs t e a d y s t a t ef l o ws t r e s s m u l t i d i r e c t i o n a l f o r g i n gw i t hd e c r e a s i n g i i i 鑄態(tài)z k 6 0 鎂合金塑性加工性能的研究 t e m p e r a t u r ec a na c c e l e r a t i v eg e n e r a t i o no fm u c h f i n e rg r a i n s k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；z k 6 0 ；f o r g i n g ；c o m p r e s s i o n ；p l a s t i cf o r m i n g 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其 他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個 人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果 由本人承擔(dān)。 作者簽名：影磋 日期：協(xié)f 年f 月2 7 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位 論文。 本學(xué)位論文屬于 l 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密團(tuán)。 ( 請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名：多貉 導(dǎo)師簽名。毒趴哞 第1 章緒論 1 1 前言 鎂合金是實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，與其它金屬結(jié)構(gòu)材料相比，鎂及 鎂舍金具有比強(qiáng)度、比剛度高，減震性、電磁屏蔽性和抗輻射能力強(qiáng)，易切削加 工、易回收等一系列優(yōu)點，在汽車、電子、電器、交通、航天、航空和國防軍事 工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景l(fā) l 叫。 但與鋁合金相比，鎂合金的研究和發(fā)展還很不充分，目前鎂合金的產(chǎn)量只有 鋁合金的1 ，鎂屬于密排六方結(jié)構(gòu)金屬，塑性變形能力差，很難加工成板、帶、 棒、型材，因此鎂合金主要采用鑄件作為結(jié)構(gòu)材料使用【3 】。限制鎂合金廣泛應(yīng) 用的主要問題還有：鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒，鎂合金的生產(chǎn) 難度很大；鎂合金生產(chǎn)技術(shù)還不成熟和完善，特別是鎂合金成型技術(shù)就更有待進(jìn) 一步的發(fā)展：鎂合金的耐蝕性較差，現(xiàn)有工業(yè)鎂合金的高溫強(qiáng)度、蠕變性能較低， 限制了鎂合金在高溫( 1 5 0 3 5 0 c ) 場合的應(yīng)用；鎂合金的常溫力學(xué)性能，特 別是強(qiáng)度和塑韌性有待進(jìn)一步提高；鎂合金的合金系列相對較少，變形鎂合金的 研究開發(fā)嚴(yán)重滯后，不能充分適應(yīng)不同場合的要求等【4 1 。 鎂合金的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢，引起了許多國家政府、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對鎂 合金及其成形技術(shù)的高度重視，投入了大量的人力、財力進(jìn)行開發(fā)研究，隨著對 鎂及其合金的制備、加工技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)問題的研究，上述問題可望得到很好的 解決。 1 2 鎂合金的分類 一般來說鎂合金的分類依據(jù)有三種：合金化學(xué)成分、成形工藝和是否含鋯【9 】。 按化學(xué)成分，鎂合金主要分m g - a i 、m g - z n 、m g - m n 、m g - r e 、m g z r 、m g t h 、 m g - a g 和m g - l i 等二元系，以及m g - a 1 - z n 、m g - a i m n 、m g - m n - c e 、m g - r e - z r 、m g z n - z r 等三元系及其它多組元系鎂合金。鎂合金種類不如鋁合金、鋅合金豐富。最近有人研究 通過微合金化重新設(shè)計現(xiàn)有鎂合金，即加入微量表面活性元素如鈣、鍶、鋇或銻、錫、 鉛和鉍。此外，釷已經(jīng)成為某些合金系如m g - t h z r 、m g - t h - z n - z r 、m g - a g t h z r 等的 組元，這些含釷鎂合金可以應(yīng)用于導(dǎo)彈和宇宙飛船上，然而由于釷存在放射性并危害環(huán) 境，這些合金基本上被限制使用。英國將含釷量超過2 m a s s 的合金列為放射性材料， 要求進(jìn)行特殊處理，這就增加了加工成本和難度。目前人們正在研制和生產(chǎn)替代含釷鎂 合金部件的鑄件。稀土元素能夠改善鎂合金的高溫性能，從而開發(fā)應(yīng)用于高溫環(huán)境的新 型稀土鎂合金是當(dāng)代鎂合金研究領(lǐng)域的一個熱點。 按成形工藝，鎂合金可以分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。兩者在成份、組織性能上 存在很大差異。鑄造鎂合金多用壓鑄工藝生產(chǎn)，主要應(yīng)用于汽車零件、機(jī)件套殼和電氣 構(gòu)件等，其主要工藝特點為生產(chǎn)效率高、精度高、表面質(zhì)量好、鑄態(tài)組織優(yōu)良、可生產(chǎn) 薄壁及復(fù)雜形狀構(gòu)件等。合金元素鋁可以使鎂合金強(qiáng)化并具有優(yōu)良的鑄造性能。為了易 于壓鑄，鎂合金中的含鋁量需要大于3 。鋅雖然可以強(qiáng)化鎂合金，但其含量超過2 后 具有熱裂傾向。錳生成a 1 m n f e 化合物，此化合物沉入熔體渣中后具有降鐵作用，并能 夠細(xì)化晶粒。稀土元素能夠改善鎂合金的鑄造性能。n i 、f e 、c u 對鎂合金耐蝕性有害， 因此嚴(yán)格控制f e m n 比將明顯改善鎂合金的耐蝕性。為了使鎂合金能夠大量用作結(jié)構(gòu)材 料，開展變形鎂合金的研制非常必要。由于密排六方的鎂變形能力有限，易開裂，因此 早期的變形鎂合金要求其兼有良好的塑性變形能力和盡可能高的強(qiáng)度，對組織的設(shè)計， 大多不含金屬間化合物，其強(qiáng)度的提高主要依賴合金元素對鎂合金的固溶強(qiáng)化和塑性變 形引起的加工硬化。例如，最初采用m g - 1 5 m a s s m n 合金，加入t h 以明顯改善鎂合 金強(qiáng)度、塑性和高溫性能。目前，變形鎂合金中主要含有a l 、m n 、r e 、y 、z r 、z n 等 合金元素。這些元素一方面能提高鎂合金的強(qiáng)度，另一方面能提高熱變形性，以利于鍛 造和擠壓成型。a z 3 1 b 和a z 3 1 c 是最重要的工業(yè)用變形鎂合金，具有良好的強(qiáng)度和延 展性。兩者區(qū)別在于所允許的雜質(zhì)含量。a z 系列合金隨a l 含量提高軋制開裂傾向增加， 因此a z 6 1 合金很少以板材形式出售。目前開發(fā)成功的z k 6 0 鎂合金也是一種很有前途 的新型變形鎂合金。 鋁、鋯為鎂合金中的主要合金元素。根據(jù)是否含有鋁，鎂合金可以劃分為含鋁鎂合 金和無鋁鎂合金兩類。由于大多數(shù)鎂合金不含鋁而含鋯，從而市售鎂合金系也可以按照 是否含鋯劃分為無鋯鎂合金和含鋯鎂合金兩大類。鋯對鎂合金具有強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化作 用，但是z r 和a i 、m n 會形成穩(wěn)定的金屬間化合物并沉入坩堝，從而無法開發(fā)含鋁的 a k 系鎂合金。 1 3 鎂合金系中的合金相 1 3 1m g a i z n 系 a z 系鎂合金是最重要的工業(yè)用變形鎂合金，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和延展性。a z 系中典 型的鎂合金為a z 3 1 鎂合金。 a z 3 1 鎂合金鑄錠組織基體為a 固溶體，少量的第二相m g1 7 a 1 1 2 呈骨骼狀分布于枝 晶間和晶界處。由于偏析和在晶界以及枝晶間存在m g1 7 a 1 1 2 第二相，使鎂合金的熱塑性 降低，加工性能變壞。因此，為保證后續(xù)熱軋開坯工藝的實施和提高合金的組織成分的 均勻性，需要對合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理。均勻化處理過程中，通過原子擴(kuò)散，可在很 大程度上消除晶內(nèi)偏析和內(nèi)應(yīng)力，改善鑄錠化學(xué)成分與組織的不均勻性，提高其工藝塑 性。經(jīng)均勻化處理后的組織，在基體上的枝晶數(shù)量大大減少，在枝晶之間以及基體上還 存在著少量的m g1 7 a l l 2 第二相【l 。 m g1 7 a 1 1 2 是a z 3 1 鎂合金中唯一的化合物相，為體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a = 1 0 5 4 3 8 n m 。m g1 7 a l l 2 相的形成機(jī)制、存在狀態(tài)、數(shù)量、大小、分布以及晶體學(xué)位向關(guān) 系無疑對會金的性能有不可忽視的影響。研究表明，m g1 7 a l l 2 相可以以連續(xù)和不連續(xù)沉 淀兩種方式從m g 基體中析出，當(dāng)時效溫度高于2 0 5 c ，m g1 7 a 1 1 2 相以連續(xù)方式析出；當(dāng) 溫度較低時，通常以不連續(xù)沉淀方式析出。羅承萍等人i ：1 1 1 2 對m g ”a i i 2 相與基體之間的 位向關(guān)系進(jìn)行了細(xì)致的研究。他以a z 9 1 鎂合金為基礎(chǔ)合金，發(fā)現(xiàn)了經(jīng)固溶時效處理的 a z 9 1 合金中具有4 種形態(tài)和位向關(guān)系的析出相，有板條狀( 記為t m g1 7 a 1 1 2 占9 0 以 上) 、六棱柱狀、短棒狀及少量的等軸狀，透射電鏡研究表明其中板條狀、六棱柱狀、 短棒狀析出相分別與鎂基體保持b u r g e r s 、c r a w l e y 和p o t e r 位n 關(guān)系，同種析出相顆粒之 間或異種析出相顆粒之間能形成不具孿晶結(jié)構(gòu)的 1 1 2 偽孿晶關(guān)系。促進(jìn)與基面垂直方 向析出物的析出將有效提高合金的強(qiáng)度。 目前，研究者在改善a z ( m g a 1 z 1 1 ) 系鎂合金組織、提高性能方面做了大量工作。 由于a z 3 1 鎂合金合金元素含量較低，固溶強(qiáng)化和時效強(qiáng)化效果不明顯，因此研究工作 主要通過微量元素合金化和復(fù)合合金化的手段來達(dá)到改善組織的目的。微量元素主要通 過改善合金相的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、形成新的高熔點、高熱穩(wěn)定性的第二相或細(xì)化組織晶粒 來進(jìn)一步提高m g a 1 z n 合金的常溫和高溫性能。大量研究表明，c a 、s r 、s n 、b e 、s b 、 y 、n d 、c e 等微量元素一種或幾種加入可以有效地改善a z 系鎂合金的組織。有研究表 明，當(dāng)稀土c e 含量小于l 時，a z 3 l 鎂合金隨著c e 含量的增加，在鎂基體晶界上的共 晶相也不斷增加，當(dāng)含量達(dá)到l 時，共晶相在鎂基體晶界上逐漸連成網(wǎng)狀阻止了晶粒 長大，使晶粒細(xì)化，抗拉強(qiáng)度和塑性都明顯提耐b 】。熏慶大學(xué)汪凌云等【1 4 】對a z 3 1 鎂合 金中加入c a 、s r ，獲得了4 0 5 0 1 岬的鑄態(tài)晶粒組織，明顯改善了合金的后續(xù)加工性能 和力學(xué)性能。 a l 是鎂合金中常用的特征元素。根據(jù)m g - a 1 二元相圖，平衡結(jié)晶時，4 3 7 發(fā)生共 晶反應(yīng)：l n ( m g ) + 9 ( m g1 7 a 1 1 2 ) ，共晶點含3 2 3 a 1 ，共晶溫度時，a l 在m g 中溶解 度為1 2 7 。隨溫度下降溶解度降低，至1 0 0 時降為2 。當(dāng)a l 含量小于1 0 時，隨 著舢含量增加，m g 合金的液相線及固相線溫度均降低，m g 合金的抗拉強(qiáng)度提高；伸長 率則隨著a l 含量增加先是提高然后下降。當(dāng)舢含量大于4 時，m g a 1 合金的耐腐蝕性 能迅速提高；另外，合金有最高的應(yīng)力腐蝕敏感性，且敏感性隨著舢含量的增加而增加， m g 合金中a l 含量在門檻值( 0 1 5 2 5 ) 之上將導(dǎo)致s c c ，在6 a 1 時影響達(dá)到最大。 z n 也是鎂合金中常用的特征元素。根據(jù)m g z n 一- - 元相圖，平衡結(jié)晶時，3 4 0 c 發(fā)生 共晶反應(yīng)：l 一一m g + m 9 7z n 3 。m 9 7z n3 屬于亞穩(wěn)定相，隨后冷卻過程中分解為a - m g + m 9 7 m 。共晶點含5 1 2 z n ，共晶溫度時，z n 在m g 中的溶解度為6 2 。隨溫度降低， 其固溶度隨溫度的降低而顯著減少，至1 0 0 1 2 時降為2 以下。當(dāng)z l l 含量較小時f w l 時) ，z n 在m g 中的作用一方面表現(xiàn)為自身的固溶強(qiáng)化，另一方面，少量的z n 還可以增加 a l 在m g 中的溶解度，提高a i 的固溶強(qiáng)化作用。z n 含量大于2 5 時則對合金的防腐性能 有負(fù)面的影響。 在m g a 1 z n 合金中，鋁鋅比是值得重視的一個參數(shù)。通過改變a l 、z n 含量比例， 對m g - a 1 z n 合金進(jìn)行力學(xué)性能測試后得出，當(dāng)a l 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低( 8 ) 時，隨著z n 含量增加，抗拉強(qiáng) 度降低，伸長率提高。為了獲得具有良好綜合力學(xué)性能的合金，a 1 、z n 含量應(yīng)有合適的 比例。有人研究了不同z n 、a l 含量對m g a i z n 合金鑄造性能的影響，如圖1 l 示。 冰 瓷 乏 y ( 商礬) 圍1 1z n 含量對鎂臺金鑄件性能的影響i ”i 圖中對應(yīng)的3 個區(qū)域為可鑄造區(qū)、熱裂區(qū)和脆性區(qū)。當(dāng)含z n 質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小( 1 ) 時， m g a 1 z n 合金處于可鑄造區(qū)，隨著z n 含量增加，進(jìn)入熱裂區(qū)，該熱裂區(qū)隨a l 含量不同 而變化；當(dāng)z n 含量進(jìn)一步增加時，進(jìn)入可鑄造區(qū)和脆性區(qū)。因此，要保h q ! m g - a 1 z n 合 金具有良好的鑄造性能，a 1 、z n 含量應(yīng)有一個合適的比例。 1 3 2m g z n 系 m g a i 合金具有較好的室溫強(qiáng)度，但是其溫度穩(wěn)定性差。由于通過添加合金元素而 進(jìn)一步提高m g a 1 合金高溫性能的作用有限，人們將注意力轉(zhuǎn)而投向m g - z n 合金系。 m g - z n 合金系的研究集中在通過加入第三組元元素來降低m g z n - - 元合金的脆性、熱收 縮性以及細(xì)化晶粒方面。這類合金的主要合金相已基本確定。 鋅在共晶溫度3 4 0 時在鎂中的溶解度為6 2 ，溶解度隨溫度降低而減小，1 0 0 時降n 2 以下。工業(yè)用鎂合金中鋅含量一般不超過7 。鋅起固溶強(qiáng)化和時效硬化的作 用，提高合金強(qiáng)度和高溫蠕變抗力。鋅還可以消除鎂合金中鐵、鎳等雜質(zhì)元素對腐蝕抗 力的不利影響1 1 6 , 1 7 , 1 8 i 。 鑄態(tài)：m g z n 合金中的共晶化合物為m 9 7 z n 3 ( 或m 9 5 1 z n 2 0 ：體一c , q e 交點陣，空間群為 i m m m ，點陣常數(shù)a = 1 4 0 8 3 n m ，b = 1 4 4 8 6 n m ，c = 1 0 2 5 n m 1 9 1 ) ，另外還存在著合金凝固冷 卻過程中由該共晶相分解而來的m g z n 相和m g z n 2 相【1 9 】。m g z n 共晶化合物以離異共晶形 式分布在晶界和枝晶間。 固溶時效態(tài)：固溶處理過程中共晶相將繼續(xù)發(fā)生分解。m g 一9 z n 一- - 元合金經(jīng)3 1 5 。c 、 4 h 固溶處理后，共晶化合物完全分解形成m g z n 2 l a v e s 相與n ( m g ) 固溶體相互交織的混合 產(chǎn)物1 1 9 。與m g - a i 合金不同，m g z n 合金在時效過程中有共格g p 區(qū)和半共格中間沉淀 相形成，其時效析出序列為1 2 0 ： s s s s g p 蹦l e s d lm g z n 2 ) 一p 2 ( m g z n 2 ) 一m 9 2 z n 3 其中，s s s s 表示過飽和固溶體；g p 區(qū)呈圓盤狀，與基體半共格，盤平行于 0 0 0 1 m i g ；p l 呈棒狀，與基體完全共格，棒垂直于 o o o l m s ，密排六方結(jié)構(gòu)，a = o 5 2 r i m ，e = o 8 5 r i m ， 該相的析出對應(yīng)于合金的時效硬化峰值；1 3 2 呈圓盤狀，與基體完全共格，盤平行于 0 0 0 1 m g ，( 1 1 2 0 ) l 恤z i l 2 ( i o i o ) m g ，密排六方結(jié)構(gòu)，a = o 5 2 n m ，e = o 8 4 8 n m l 2 0 1 ；艮的大量 析出侵合金開始發(fā)生過時效口”。過時效生成的平衡非共格析出相m 9 2 z n 3 屬三角系， a = 1 7 2 4 n m ，b = 1 4 4 5 n m ，c = 0 5 2 n m ，y = 1 3 8 。1 2 0 1 。 m g z n 系合金最主要的缺點是晶粒粗大，易形成顯微孔洞，加z r 可以細(xì)化晶粒，改 善其性能，因此，m g z n 合金中一般都要加入一定量的z r 。z r 細(xì)化晶粒的主要原因是其 在液態(tài)m g 中的溶解度很小，在液態(tài)m g 結(jié)晶時，z r 首先以a z r 質(zhì)點析出，而d z r 與m g 均 為密排六方晶格，且晶格常數(shù)非常接近，因此n z r 作為異質(zhì)晶核促進(jìn)m g z n 合金的晶粒 細(xì)化。 1 4 鎂合金的塑性成彤工藝特點 1 4 1 鎂及鎂合金的塑性變形機(jī)制 鎂是六方晶體結(jié)構(gòu)，滑移系少，因而室溫和低溫塑性較差，容易發(fā)生脆斷。溫度提 高后可激活一些滑移面，滑移系增多從而塑性提高。單晶體的塑性變形機(jī)構(gòu)主要是滑移 和孿晶，而對于多晶，除了單晶粒內(nèi)產(chǎn)生滑移和孿晶外，還必須保證各個晶粒之間的協(xié) 調(diào)才能產(chǎn)生塑性變形瞄l 。高溫變形中還有擴(kuò)散性形變及晶間滑動和移動 ( 1 ) 滑移 鎂合金在溫度低于2 2 5 c 時塑性變形限于基面 0 0 0 1 ( 1 1 2 0 ) 滑移和錐面 1 0 1 2 ( 1 0 1 1 ) 孿晶。在提高溫度的情況下，第一級錐面 1 0 1 1 和 1 1 2 1 滑移系，第二級錐面 f 1 1 2 2 移系也可被激活，從而大大提高鎂合金的塑性。 ( 2 ) 孿生 一般情況下孿生只發(fā)生在較高的應(yīng)變速率和較低的溫度下。孿生不僅是變形的一種 方式，而且由于孿晶的形成改變了晶體的位向，使其中某些原處于不利的滑移系轉(zhuǎn)變到 有利于滑移的位置，激發(fā)進(jìn)一步的滑移和變形。對于滑移系少的h c p 金屬孿生變形尤 為重要。鎂中常出現(xiàn)的孿生是 1 0 1 2 ) ( 1 0 1 1 ) ，另外孿生還可發(fā)生在 1 0 1 3 ) 、 1 0 1 4 、 f l l 2 ll 等晶面上。 1 4 2 鎂合金塑性成形工藝特點 1 4 2 1 塑性成型坯料 鎂合金塑性加工用坯料主要有鑄錠和擠壓棒材，大多數(shù)情況下都采用擠壓棒材，僅 在加工大型模鍛件時才采用鑄錠作為坯料。鎂合金擠壓棒材的特點是塑性好，但其機(jī)械 性能的異向性比鋁合金擠壓棒材嚴(yán)重。這是由于在擠壓過程中除形成纖維組織外，密排 六方晶格的基面逐步轉(zhuǎn)向與擠壓方向重合而造成的。為了獲得機(jī)械性能均勻的加工件擠 壓棒材，應(yīng)盡可能減少機(jī)械性能異向性。擠壓前應(yīng)進(jìn)行均勻化退火，并要增加擠壓時的 變形程度。鎂合金下料可在圓盤鋸或在車床上進(jìn)行而不采用剪切下料，以防在切口處形 成裂紋。由于鎂屑易燃，切削速度應(yīng)緩慢，切削時不用潤滑劑和冷卻液，以防鎂屑燃燒 和毛坯受到腐蝕。切屑要單獨存放，工作場地要清潔，以防煙火和爆炸。 1 4 2 2 鎂合金的塑性變形溫度 鎂合金有良好的導(dǎo)熱性，任何尺寸的毛坯或鑄錠均可不經(jīng)預(yù)熱而直接放入爐膛丙加 熱。但鎂合金中的原子擴(kuò)散速度慢，強(qiáng)化相的溶解需要較長時間，故實際采用的加熱時 間還是較長的。鎂合金屬于低塑性合金，其塑性加工溫度范圍比鋁合金窄，鎂合金的加 熱溫度和保溫時間不僅影響合金的塑性，而且還影響加工后的組織和機(jī)械性能。這是因 為鎂合金沒有相變重結(jié)晶。多數(shù)鎂合金是不能通過熱處理強(qiáng)化的，如果加熱溫度過高、 保溫時間過長或者加熱次數(shù)過多，則晶粒尺寸增大，使鎂合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降 低，產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。這種晶粒長大的軟化現(xiàn)象不能靠隨后的熱處理來補(bǔ)救，所以必須嚴(yán) 格控制加工工藝。 大多數(shù)情況下鎂合金塑性加工件的力學(xué)性能取決于加工中的應(yīng)變硬化，故應(yīng)特別重 視加熱所產(chǎn)生的軟化和變形強(qiáng)化的綜合效果，尤其最終加工工序的加熱溫度應(yīng)取下限才 能保證產(chǎn)品性能，但若溫度過低將形成塑性加工裂紋。 鎂合金塑性成形加工的一個重要目標(biāo)是細(xì)化晶粒，對于在加工溫度下晶粒迅速長大 的合金，實際中可采用降低1 5 - 2 0 的溫度進(jìn)行加工。對于具有很小變形溫度區(qū)間的工 件，常在最低允許溫度下加工，以得到應(yīng)變硬化。 鎂合金毛坯一般在箱式電爐中加熱，在4 8 0 以下不需要惰性或還原氣體。由于加 工溫度遠(yuǎn)低于各種合金的熔點，若控制適當(dāng)，不會引起燃燒。必須保證爐內(nèi)溫度均勻， 若裝有鼓風(fēng)機(jī)等強(qiáng)制空氣循環(huán)裝置對均勻加熱極為有利。 1 4 2 3 鎂合金塑性成形的特點 鎂合金常溫下容易脆裂，難以進(jìn)行塑性成形加工。2 0 0 以上時塑性明顯提高，2 2 5 以上時塑性提高更大，因此鎂合金宜在2 0 0 。c 以上成形。鎂合金a z 3 1 b 在熱態(tài)下具 有較高塑性，甚至在不利的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下也可以變形，但變形速度不能太大。鎂合 金在較高溫度下，尤其4 0 0 * ( 2 以上很容易產(chǎn)生腐蝕氧化，不宜塑性加工。鎂合金的變形 溫度范圍較窄，與冷模接觸時極易產(chǎn)生裂紋，所以必須對模具預(yù)熱。由于坯料與模具的 接觸面積較大，變形時間較長，所以模具的加熱溫度要低于坯料加熱溫度。一般模具的 加熱范圍為2 0 0 3 0 0 。c 。擠壓鎂合金時為了減輕坯料與擠壓筒之間的摩擦，通常采用潤 滑劑，同時潤滑劑還可以起到隔熱作用，提高模具壽命。潤滑劑一般采用石墨+ 動物油 等。當(dāng)變形速度高時，因變形引起的熱效應(yīng)會使擠壓毛坯的溫度升高，從而使流變應(yīng)力 明顯降低，當(dāng)變形速度再增高時，雖然毛坯的升溫明顯，但是由于變形過程中金屬的加 工硬化速度比再結(jié)晶過程的軟化速度快，坯料流變應(yīng)力不但不減小反而明顯增大。鎂合 金a z 3 l b 在壓力機(jī)上變形時變形溫度在3 5 0 - - 4 5 0 c 的范圍內(nèi)塑性最高，當(dāng)在錘上變形 時變形溫度范圍縮小為3 5 ( k 4 0 0 。c 。 由于鎂合金對變形速度極為敏感，所以變形速度不能太大。隨著變形速度的增加， 鎂合金的塑性顯著下降，大多數(shù)鎂合金在錘上變形時允許變形程度不超過3 0 , - 4 0 ， 而在壓力機(jī)上變形時變形程度可達(dá)6 0 0 一9 0 。所以液壓機(jī)或慢動作機(jī)械壓力機(jī)是鎂合 金自由鍛和模鍛的最常用設(shè)備。鎂合金很少用錘及高速壓力機(jī)進(jìn)行鍛造，因為在這樣的 設(shè)備上加工若不采用很嚴(yán)格的工序?qū)a(chǎn)生裂紋。 1 4 3 鎂合金塑性加工技術(shù)的研究進(jìn)展 由于鎂合金滑移系較少，塑性變形能力較差，且對加工溫度要求嚴(yán)格，因而鍛造有 困難，鎂合金的塑性加工技術(shù)目前研究很少，精鍛工藝更少，發(fā)展較慢，限制了變形鎂 合金的大量應(yīng)用【2 捫。目前鎂合金重要航空航天零件主要采用等溫鍛造技術(shù)，如大型直升 機(jī)上機(jī)匣。鎂合金組織性能受塑性變形影響很大因此可以通過塑性加工過程控制或改 善鎂合金坯料的組織性能，因而研究塑性加工工藝是很重要的，尤其是熱擠壓工藝。國 際鎂協(xié)會指出，雖然鑄造鎂合金目前占主導(dǎo)地位，但經(jīng)過擠壓、鍛造、軋制等塑性加工 工藝加工的鎂合金產(chǎn)品具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的機(jī)械性能【2 4 塒】。鎂 合金變形抗力低，與加工成形鋁合金相比可使模具壽命提高一倍。 小坂田等對鎂合金z k 6 0 ( m b l 5 ) 的鍛造及擠壓工藝進(jìn)行了試驗研究1 2 7 】。該材料的強(qiáng) 度極限為3 3 0m p a ，彈性極限為2 8 0 m p a ，延伸率1 5 。用鐓粗實驗研究流動應(yīng)力：( 上 模為室溫，下模1 0 0 ，初始壓下速度為3 0 0 m r n s ，平均應(yīng)變率為1 0 s “1 ，得出的主要結(jié) 論為：( 1 ) 2 0 0 。c 以下發(fā)生剪切斷裂；( 2 ) 2 0 0 3 0 0 ( 2 有顯著加工軟化現(xiàn)象，變形不穩(wěn)定， 試件呈蘑菇狀，交叉部位晶粒細(xì)化；( 3 ) 最佳鍛造溫度為3 0 0 , - 4 0 0 ( 2 ，鐓粗壓下量可達(dá)7 0 ，試件呈桶狀，晶粒變化不大；( 4 ) 4 0 0 * c 上坯料發(fā)生嚴(yán)重氧化；( 5 ) 2 0 0 , - - 4 0 0 c 潿t 度下 流動應(yīng)力均表現(xiàn)出加工軟化。他們還進(jìn)行了反擠壓實驗，坯料擠壓溫度為1 5 0 2 5 0 ， 擠壓比為1 8 ，無潤滑劑，模具不預(yù)熱，初始壓下速度為2 0 0 m m s 。主要破壞方式為：側(cè) 壁破裂和填充不滿。坯料溫度1 5 0 。c 以下，試件全部破裂；適宜擠壓溫度為2 0 0 2 5 0 c ， 該溫度下試件無破裂，底厚可達(dá)l m m 。 陳拂曉等2 9 1 對變形合金m b 2 6 進(jìn)行了超塑實驗研究。m b 2 6 是由m b l 5 j 1 1 入稀土元 素釔形成的，特點是強(qiáng)度高、強(qiáng)耐熱性、耐腐蝕性、密度低。通過超塑拉伸實驗得出的 主要結(jié)論是，m b 2 6 在寬范圍內(nèi)2 5 0 - 4 8 0 、應(yīng)變率1 6 7 1 0 4 卅1 1 0 。2 s “有超塑性； 在3 5 0 - 4 5 0 溫度范圍內(nèi)有良好超塑性，延伸率高于5 2 0 ；在4 0 0 、應(yīng)變率1 1 7 1 0 - 2 s “ 時延伸率達(dá)1 4 5 0 ，流動應(yīng)力僅為8 7 m p a ，應(yīng)變速率敏感性為m = 0 6 。溫度對超塑性的 影響大于應(yīng)變率。m b 2 6 的超塑溫度e l m b l 5 和z k 6 0 a 高1 0 0 。應(yīng)變率高l o 倍，延伸率 高。他們還進(jìn)行了超塑壓縮實驗。發(fā)現(xiàn)在3 0 0 , 4 5 0 c 、應(yīng)變速率4 1 1 0 。4 s - l 4 1 1 0 3 s 。3 條 件下m b 2 6 有超塑性。4 0 0 c 、應(yīng)變速率8 3 1 0 4 s 4 時，流動應(yīng)力為1 8 m p a ，應(yīng)力比拉伸 時高2 3 倍。他們還對m b 2 6 合金進(jìn)行了超塑擠壓實驗，溫度為3 5 0 ，應(yīng)變率為4 1 1 0 。2 s ，擠壓速8 1 2 m m m i n 。發(fā)現(xiàn)熱軋或熱擠合金可以不必?zé)崽幚碇苯訑D壓，潤滑劑采用 水基石墨。擠壓后，強(qiáng)度降低2 0 3 0 m p a ，塑性稍有增加。最近美 w a y n es t a t e u n i v e r s i t y 的l i u l 3 0 , 3 1 】研究了鎂合金a z 3 1 ( m g 3 a 1 z n ，相當(dāng)于m b 2 ) 的大晶粒鎂合金超塑性現(xiàn)象及 微觀結(jié)構(gòu)變化。發(fā)現(xiàn)該合金在0 5 1 0 七s 4 速率及3 5 0 5 0 0 。c 時有超塑性現(xiàn)象，初始晶粒 2 5 0 1 a m 降至5 0 1 a m ，3 0 0 , 4 0 0 。c 最大延伸率為1 7 0 。這為變形鎂合金的應(yīng)用提供了重要前 景。 德國奧迪汽車公司采用熱沖壓法成功地生產(chǎn)鎂合金汽車件。典型的零件有汽車內(nèi)門 板1 3 。3 3 j ，例女l l p o l o 兩門車應(yīng)用內(nèi)鎂外鋁混合車門，用鎂板可比用鋼板減重5 0 ，比用鋁 板減重2 0 。鎂合金板材在常溫下塑性差，易裂，宜在2 2 5 。c 以上進(jìn)行熱沖壓成形。例 如，在1 7 5 * c 鎂合金板杯形件拉深的拉深比可達(dá)2 0 ，而在2 2 5 時可達(dá)3 0 ，超過了鋼板 和鋁板在室溫下的拉深比( 分別為2 2 和2 6 ) 。在該溫度下鎂合金沖壓成形性能與鋼板和鋁 板在室溫下的沖壓性能相近。鎂合金拼焊板沖壓件也是鎂合金的一個重要應(yīng)用方式。 等溫鍛造【3 4 3 5 】是鎂合金的重要加工方法。鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)很大( 鈦、鐵、鎂、鋁分 別為1 6 7 6 、8 3 4 、1 6 7 2 5 、2 0 9 5 w m 。c ) ，為鋼的兩倍，鍛造溫度范圍窄( 1 5 0 口( 2 ) ，遇 模具降溫很快，塑性降低，變形抗力增大，充填性能下降。因此適合于等溫鍛造成形。 呂炎教授p 4 35 等采用等溫鍛造工藝成功的成形了復(fù)雜的鎂合金飛機(jī)上機(jī)匣，是目前我國 最大的鎂合金模鍛件，投影面積達(dá)0 4 m ：。 1 5z k 6 0 鎂合金的研究現(xiàn)狀 1 5 1z k 6 0 鎂合金的發(fā)展歷史 1 8 0 8 年，h u m p h r e yd a v e y 首次從汞合金中分餾出汞和鎂；接著在1 8 5 2 年b u n s e n 第 一次使用電解法從氯化鎂中電解得到鎂。至此，鎂及鎂合金作為一種新型材料蹬上歷史 舞臺。在兩次世界大戰(zhàn)期間鎂及鎂合金得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 1 9 3 7 年，德國人s a u e r w f l d 偶爾發(fā)現(xiàn)z r f l b 強(qiáng)烈的細(xì)化鎂合金晶粒，但是由于z r 的熔 點( 1 8 5 2 c ) 較m g 的熔點( 6 4 9 。c ) 高出許多，再力l - z r 極易與鎂合金熔煉過程中出現(xiàn)的a l 、 m n 、s i 等形成穩(wěn)定的化合物，而起不到晶粒細(xì)化的作用，因此很難將m g 、z r 合金化。 直到1 9 4 8 年，人們才找到了合適的含z r 的中間合金，成功地將z r 加入到鎂合金。又由于 z n 對鎂合金有極強(qiáng)的強(qiáng)化作用，因此便誕生了新型的m g z n - z r 合金，z k 6 0 合金就是該 合金系中性能最優(yōu)越的一種 z k 6 0 合金在2 0 世紀(jì)4 0 年代末首次開發(fā)成功后，6 0 年代后期進(jìn)入工程應(yīng)用領(lǐng)域，到 現(xiàn)在為止已經(jīng)研究幾十年。目前，世界各國對z k 6 0 的研究主要集中在塑性、超塑性和 復(fù)合材料的研究方面。 1 5 2z k 6 0 合金的組織 由于目前尚無m g z n z r - - - ：元合金相圖，所以人們對其組織的研究只能依靠m g - z n 、 m g z r 、z n z r 二元合金相圖( 如圖1 2 ) 進(jìn)行分析。 z r 原子z n 原子x 耵一 l + l z r i j i 。l l + l a z n i 刪w 拈 _ 一 ， - 岫4 ：一 ， f j l z r 重量 n 5i oi _ 52 d 馳 田1 2g g - - n 、袖r - z r - - 元合金相圈 z r 重量 因為z i l 是z k 6 0 合金的第一主加元素，所以人們對m g - z n 相圖和m g - z n z 元合金做 了大量的研究，希望從中得到啟示。目前所得到的最為詳實的m g z n 相圖是由j b c l a r k ， l z a b f y r ，z m o s e r3 ) k 在其他人的研究基礎(chǔ)上使用熱動態(tài)模型繪制的【36 1 。表1 1 是m g z n 二元相圈中主要相轉(zhuǎn)變和對應(yīng)的溫度和轉(zhuǎn)變類型，合金成分為原子百分?jǐn)?shù)m ) 。 j b c l a r k 等人還進(jìn)一步指出，m g z n 一- - 元合金中的亞穩(wěn)相主要是在共晶體m g t z n 3 的分解和m g z n 從一m g d o 的析出過程中形成的。g p 區(qū)則是在7 0 c 過飽和固溶體的時效過 程中形成。m g - z n 合金的時效硬化效果來源于與基體共格且垂直于基體的細(xì)而長的桿狀 m g z n 相的強(qiáng)化。m g t z n 3 極易分解，只在約1 0 ( 2 的范圍內(nèi)穩(wěn)定。 l y w e i ，g l d u n l o p 和h w w s t e n g e n 等人研究了鑄態(tài)m g 一9