变形镁合金剖析

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1、变形镁合金,1、常见的塑性加工方式 2、镁合金的成形性能及研究案例 3、镁合金的强度及研究案例,1、常见的塑性加工方式 2、镁合金的成形性能及研究案例 3、镁合金的强度及研究案例,1、常见的塑性加工方式,塑性加工是一种基本的金属加工技术； 塑性加工需要对金属施加外力（压力）； 塑性加工的依据是金属的塑性； 塑性加工的目的是获得所需形状、尺寸和性能的金属制品； 塑性加工的方法很多：锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等。,塑性加工：使材料在外力作用下发生永久性的变形，以获得所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法。,1、常见的塑性加工方式,锻 造,1、常见的塑性加工方式,前世界上最大的8万吨锻压机 可做到4

2、.5平米的锻压件,最大可锻造重量为600吨的钢锭。比如锻造涡轮转子轴时，可以用起重机吊着大型钢锭，一边改变角度一边施加压力，加工成接近圆柱的形状。如果是600吨的钢锭，由于要反复加热和锻造，制成一个涡轮转子轴形状需要25天左右。,轧 制,1、常见的塑性加工方式,轧制,现代化宽厚板轧机用的板坯，最大重量已达80110吨、最高轧制速度已达每秒钟7.5米,轧件的最大长度达65米，钢板最大宽度达5.3米,轧制,挤 压,1、常见的塑性加工方式,挤压,冲 压,1、常见的塑性加工方式,1、常见的塑性加工方式,特点 体积不变，材料利用率高。 在变形的同时伴随变性，性能好。 易于实现自动化，生产效率高。 产品尺

3、寸精度高，表面质量好。 设备庞大，能耗高。,1、常见的塑性加工方式,1、常见的塑性加工方式 2、镁合金的成形性能及研究案例 3、镁合金的强度及研究案例,2、镁合金的成形性能及研究案例,1）成形性能 2）镁合金成形性能差的原因 3）研究案例,1）、成形性能,熔炼 金相 力学性能 显微表征（扫描电镜、透射电镜）,1）、成形性能-常见研究手段,金相,1）、成形性能-常见研究手段,金相分析的特点： 1、费用低，周期短 2、可以从金相照片大致判断材料的力学性能 优良力学性能的前提：晶粒细小，组织均匀。,力学性能,1）、成形性能-常见研究手段,如果晶粒细小，组织均匀，进行力学性能测试。并对成形性能进行判断

4、,对于生产来说，知道力学性能优良即可 对于科研来说，需要知道力学性能优良的原因，会进借助扫描电镜、透射电镜等设备，进行更微观的分析。,1）、成形性能-常见研究手段,如何从力学性能曲线得到 材料成形性能的信息？,1、）成形性能-常见研究手段,1）、成形性能-加工硬化,当外力超过屈服强度之后，需要不断增加外力才能继续塑性变形。表明金属材料有一种阻止继续变形的抗力，即： 加工硬化（应变硬化）,1）、成形性能-加工硬化,产生加工硬化的原因: 1. 随变形量增加, 位错密度增加，由于位错之间的交互作用 (堆积、缠结)，使变形抗力增加。 2. 随变形量增加，亚结构细化。 3.几何硬化：由晶粒转动引起。 。

5、,1）、成形性能-加工硬化,1）、成形性能-加工硬化,1）、成形性能-加工硬化,e表示真应变,1）成形性能-加工硬化,2）、镁合金成形性能差的原因,2）、镁合金成形性能差的原因,2）、镁合金成形性能差的原因,2）、镁合金成形性能差的原因,2）、镁合金成形性能差的原因,2）、镁合金成形性能差的原因,滑移时的晶体转动织构,实际生产中，材料为多晶材料。各晶粒之间的交互作用，晶粒无法自由变形，导致晶粒旋转，最终形成织构。 产生织构以后，易滑移方向和材料的宏观变形方向平行。,2）、镁合金成形性能差的原因,滑移时的晶体转动织构,2）、镁合金成形性能差的原因,滑移时的晶体转动织构各向异性（影响后续加工）,2

6、）、镁合金成形性能差的原因,A、针对已有材料，开发新的加工工艺 B、微合金化（添加少量合金元素进行改性）,2）、镁合金成形性能差的原因,小节： 成形性能差的根源，在于滑移系不足，晶粒之间的变形难以协调 强烈的织构强烈的各向异性,3）研究案例 开发新的加工工艺,转角的出现，引入额外应力，使金属的切动方向变得复杂，从而减缓织构。,A、等通道转角挤压,A、等通道转角挤压,A、等通道转角挤压,设计了4种不同的挤压工艺，分别挤压4次 1、各道次之间不旋转样品 2、每次都是顺时针转180度 3、每次都是顺时针转90度 4、顺时针转90度、下一次逆时针转90度,A、等通道转角挤压,挤压前的金相，组织粗大，而

7、且及不均匀。平均晶粒尺寸为70m,1、晶粒尺寸越大，表示晶粒之间的变形越难协调 2、组织不均匀，表示各晶粒变形程度不同。大晶粒里面位错滑移较为容易，变形程度大，小晶粒里面位错滑移困难，变形程度小。晶界处出现裂纹,A、等通道转角挤压,不旋转 180度,90度 交替旋转90度,经ECAP 不同路径4 道次后微观结构。 1、细小的等轴晶, 平均晶粒尺寸约为6 m 2、相较而言，不旋转、旋转180度后，组织的均匀性较低。,A、等通道转角挤压,A、等通道转角挤压,挤压道次增加： 1、延伸率单调增加。 2、抗拉强度无规律可循。,A、等通道转角挤压,强度的影响因素较为复杂： 1、导致强度升高的因素晶粒细化

8、2、导致强度降低的因素几何软化,A、等通道转角挤压,B、异步轧制,上下两个轧辊的速度相同，叫做同步轧制。速度不同，叫做异步轧制。,B、异步轧制,上下两个轧辊速度不同，使得轧板上下表面所受摩擦力相反，形成“搓轧”区。搓轧区的出现，使金属的切动方向变得复杂，从而减缓织构。,B、异步轧制,无论是热变形还是冷变形都产生强的基面织构和对应的强各向异性,这使得镁合金轧板和挤压板的拉伸方向是硬取向,一般只有约15%的延伸率,导致镁合金的室温成形性较差,所以在加工过程中如何控制织构的强度和取向具有重要意义。,B、异步轧制,B、异步轧制,电子背散射衍射(Electron Backscattered Diffra

9、ction，简称EBSD)或称为取向成像显微技术(Orientation Imaging Microscopy，简称OIM)等。 不同取向的晶粒，其0001晶面与样品表面的角度是不同的。经过软件分析后，得到极图。 1、极图上的不同点，代表不同的取向。 2、对于完全随机取向的样品，极图中的点应该是随机分布的。 3、越是扎堆，表示织构越强。,B、异步轧制,同步轧制 异步轧制 最大值为10 最大值为6,轧制带的织构,B、异步轧制,同步轧制 异步轧制,轧制态,退火态,B、异步轧制,轧制态,退火态,10,6,2,8,退火前后，极图最大值的变化,同步轧制 异步轧制,B、异步轧制,杯突试验 用规定的钢球或球

10、形冲头顶压在模内的试样，直至试样产生第一条裂纹为止，其压入深度（mm）即杯突深度，以此来判定金属材料冲压性能大小，其深度不小于规定时为合格 。,B、异步轧制,杯突值对比,轧制态,退火态,同步轧制,异步轧制,2.04,3.59,4.28,6.14,C、叠轧,1、转角挤压、异步轧制。主要是从削弱织构的角度入手。 2、叠轧，主要是从细化晶粒入手。 3、叠轧过程中，无驱使晶粒转动的应力，所以织构强度不会发生转变,叠轧,转角挤压,C、叠轧,细化晶粒？ 不是可以用添加形核剂、超声波、添加压铸产品（遗传性）等方式，在铸造过程中完成吗？,细化程度非常有限，只能达到数十m。可以在很大程度上改善铸件（铸造镁合金）

11、的性能。 对于提高变形镁合金的性能，是远远不够的。,C、叠轧,组织演变,叠轧过后，晶粒尺寸10m以下 原因：反复塑性变形，多次动态再结晶,C、叠轧,晶粒细化后，延伸率和强度都明显增加。,3）研究案例 微合金化对现有镁合金进行改良,A、激发非基面滑移提高成形性能,镁合金成形性能较差的主要原因： 最容易开启的基面滑移，只能提供两个独立的滑移系。所以，为了提高成形性能，从合金设计的角度，可以添加合金元素，对镁合金的非基面滑移进行“软化”,A、激发非基面滑移提高成形性能,A、激发非基面滑移提高成形性能,熔炼 金相 力学性能 显微表征（扫描电镜、透射电镜）,A、激发非基面滑移提高成形性能,为了证明塑性的

12、提高，的确是由于非基面滑移引起。需要排除以下因素： 1、晶粒尺寸 2、晶粒取向 3、第二相颗粒,A、激发非基面滑移提高成形性能,A、激发非基面滑移提高成形性能,除了力学性能测试，必须拿出严格的证据，证明的确开启了非基面滑移 gb0,位错可见。 等于零，不可见。,B、改变再结晶行为弱化织构,再结晶的驱动力 1、高密度位错，使得局部能量剧烈上升 2、晶界的曲率。晶粒长大，有利于减少晶界的曲率，降低体系的能量。,B、改变再结晶行为弱化织构,再结晶机制-连续（均匀）动态再结晶 类比于凝固中的均匀形核,位错运动形成位错墙,位错继续堆积，形成大角度晶界,B、改变再结晶行为弱化织构,再结晶机制-连续（均匀）

13、动态再结晶,连续动态再结晶得带的新晶粒，其取向和母晶粒非常接近，所以对织构强度的影响并不大。,前面提到的叠轧，主要就是这种再结晶机制。,B、改变再结晶行为弱化织构,再结晶机制-非连续动态再结晶 类比于凝固过程中的异质形核,B、改变再结晶行为弱化织构,再结晶机制-非连续动态再结晶 类比于凝固过程中的异质形核,1、位错绕过第二相颗粒，留下位错环。 2、随着位错环的增加，晶体在局部范围内，受到非常强的反作用力而发生旋转。 3、同时，该反作用力还为形成新晶粒提供驱动力。,B、改变再结晶行为弱化织构,晶体在局部范围内，受到非常强的反作用力而发生旋转。 该反作用力还为形成新晶粒提供驱动力，促进新晶粒形核,

14、不同颜色表示不同晶粒取向，白色部分表示发生旋转的区域。,新晶粒的取向，和母相没有必然联系，呈随机分布。,1、常见的塑性加工方式 2、镁合金的成形性能及研究案例 3、镁合金的强度及研究案例,各种钢的强度,各种钛合金的强度,各种铝合金的强度,各种镁合金的强度,低碳钢,高强钢,超高强钢,实际上，纯金属的强度都很低， 为了排除细晶强化效应，以单晶为例 纯铁：10 MPa左右 纯铝：10 MPa左右 纯镁：1 MPa左右,钢为什么强？,1、得天独厚，价廉物美的间隙原子C 2、具有FCC和BCC两种相，构成“天然”的第二相强化。 注意：Ti也有FCC和HCP两种相。,FCC和HCP结构的析出强化有什么差异

15、？,如果析出相为平行于“水平面”的薄片 对HCP结构的强化将非常有限 不幸的是，镁合金中的析出相多数都平行于基面,A、镁合金中常规强化手段的局限性,细晶强化,前面提到，通过叠轧等手段，可以将晶粒尺寸细化到10m以下。但是，这种方式做只适合小件生产，而且生产效率较低。,A、镁合金中常规强化手段的局限性,固溶强化,在考虑了原子半径及电负性的因素后，溶解度较大的元素,镁合金中，常见的合金元素，均为置换固溶体，其强化效果不如间隙固溶体。,A、镁合金中常规强化手段的局限性,析出强化的问题-1析出相的形貌,在析出相体积分数一定的情况下，强化效果最好的为平行于柱面分布的片状析出相。其次为平行于c轴分布的杆状析出相。最差的为平行基面分布的片状析出相，因为此类析出相沿c方向的厚度较小，以致基面位错很容易以交滑移的方式越过。,A、镁合金中常规强化手段的局限性,析出强化的问题-1析出所需时间,对于常用的Mg-Zn系合金， 达到峰值失效，需要100小时左右,B、析出强化研究案例,通过热处理工艺改变析出相的类型和形貌,B、析出强化研究案例,通过合金元素加速析出过程,析出过程，不可避免地涉及到扩散过程。 1、初始状态，溶质原子均匀分布的固溶体。 2、该固溶体是过饱和的，处于不稳定状态。溶质原子在晶体缺陷处偏聚，形核成为第二相。,