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1、声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：山t 7 年7 月夕日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：0 - ，7 年7 月9E t硕十论文织构和晶粒尺寸
2、对变形镁合金A Z 3 1 力学性能的影响第1 章绪论能源、环境和新材料是人类社会可持续发展所面临的三大主要问题。如何有效、合理地利用和开发地球上有限的能源、资源，以及保护人类赖以生存的却t q 益恶化的环境是我们必须着手解决的迫在眉睫的问题。现有的金属结构材料中，广泛应用的是钢铁、铜合金、铝合金和工程塑料，这些材料的使用历史悠久，各种加工与成形工艺成熟；然而钢铁、铜合金这类材料密度大，制品笨重，不适合于某些需要轻量化的结构要求j 同时铜合金资源紧缺，使用有所限制；而铝合金及工程塑料在机械强度、减震性和抗电磁干扰等性能方面较差，也制约了其使用广度。镁及镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减
3、震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机J D T 性能优良、零件尺寸稳定、易回收等诸多优点，在航空、航天、汽车、电子、通讯和家电等行业越来越受到青睐，成为各国科研院所竟相研究的热点【l 】。然而，目前镁合金在实际应用方面的发展规模只有铝业的1 5 0 ，钢铁工业的1 1 6 0 ，其主要原因是由于9 0 的镁合金构件来自压铸方式，该方法要将镁合金加热熔化，再经过合模、射料、凝固、脱模、整边等工序，其能量消耗大、成形速率低、废品率高、而且对于薄壁件不易成形，限制了产品的品种和类型；而镁合金热变形( 如传统挤压，扎制等) 后合金的组织虽得到细化，铸造缺陷消除，比铸造镁合金具有更高的强度，延展性，更多
4、样化的力学性能，但常规的M g 基合金如A Z 3 1 、A Z 6 1 、A Z 9 1 、Z K 6 0 和A M 5 0 等由于其特殊的晶体学结构导致的较差的室温力学性能，特别是其塑性较差，已经严重制约了其进一步的应用。目前，为改善镁合金塑性所做的研究主要集中在以下几个方面，一是常规多晶镁合会塑性变形机制和织构形成基本规律的研究；二是镁合金超塑性的研究，即通过新的加工方法制备超细晶从而提高低温超塑性能力：三是多相镁合金的塑性变形行为的研究，即通过引入塑性较好的第二相提高镁合金的综合力学性能。到目前为止，对镁合金的塑性变形机制认识仍是处于起步阶段，本课题即以一种商用变形镁合金为实验对象，研
5、究其塑性交形时组织和力学性能的演变，揭示相关的微观和力学形变机理，完善镁合金的塑性变形机制，为大规模生产镁合金型材奠定基础。1 2 镁及镁合金简介1 2 1 镁及镁合金的特点镁是I I A 族碱土金属，为密排六方结构( H C P ：a = 0 3 2 0 n m ，c = 0 5 2 0 n m ) ，晶轴比l硕十论文织构和晶粒尺寸对变形镁合金A Z 3 1 力学性能的影响为e a = 1 6 2 3 6 ，元素符号为M g ，在地壳中储量位列第八，金属中排名第三，仅次于铝和铁。镁的物理化学性质见表1 2 1 。表1 2 1 纯镁的物理化学性质3通常所说的镁合金是指己商业化的和正在开发的以镁
6、为主要成分的金属材料，它具有以下主要特点：( 1 ) 、密度低，质量轻，镁的比重是1 7 3 6 9 e m 3 ，是铝的2 3 ，钢的1 4 ，采用镁合金可以大大减轻结构件的重量1 4 1 ，降低能源消耗，减少污染排放，增大运输机械的载重和运输速率：( 2 ) 、阻尼性能、抗震性能好，具有高的振动阻尼容量。( 3 ) 、高导热性、高电磁屏蔽能力；( 4 ) 、高温下具有较好的塑性成形能力，易于挤压、拉拔、冲压和轧制等压力加工，具有良好的切削加工能力：( 5 ) 、无毒、无污染，可以回收再利用，不会造成环境污染，被誉为“2 1 世纪的绿色材料，l5 1 。1 2 2 镁合金的分类目前，国际上多
7、采用美国试验材料协会( A S T M ) 使用的方法标记镁合金。根据A S T M 标准，镁合金的牌号和品级由四部分组成，第一部分为字母，标记合金中的主要元素；第二部分为数字，标记合金中主要元素的质量百分数；第三部分由指定的字母组成，标明合金发展的不同阶段，多数情况下该字母表示合金的纯度；第四部分标明合金的热处理状态。例如：A z 3 1 B F 表示主要合金元素为A l 和Z n ，其名义含量分别3 和1 ，B 表示A Z 3 1 是含3 舢和1 Z n 合金系列的第二位，F 表示合金为加工状态。常用的商业镁合金有A Z 3 1 ( M g 3 w t A 1 1 w t z n ) ，a
8、 Z 6 K M g - 6 w t 越1 w t z n )和A z 9 1 ( M g 9 w t A 1 1 w t z n ) 。A Z 3 1 合金( 含有3 w t A 1 ) 和A Z 9 1 合金( 含有9 w t A b相比较，前者具有更好的塑性，但强度较后者低；A Z 6 1 合金( 含有6 w t A 1 ) 其性能则 介于两者之间。其它常用的商业镁合金系还有A M 系列，例如A M l 0 0 A 、A M 2 0 、硕十论文织构和晶粒尺寸对变形镁合金A Z 3 1 力学性能的影响A M 5 0 A 、A M 6 0 等；A S 系列，例如A S 2 1 、A S 4
9、1 等：Z K 系列，例如Z K 5 1 、Z K 6 0 等。A Z 系列镁合金它们的成分和特点归纳见表1 2 2 。表1 2 2A z 系列镁合金的成分和特点1 2 3 镁合金的应用现状和发展前景2 0 世纪6 0 年代以前，世界上8 0 9 0 的镁用于军事工业和航空工业，6 0 年代以后镁的应用扩大到民用工业，镁产量稳步上升，进入8 0 年代，随着世界各国环保意识的增强，而镁的应用能明显减轻环境污染，因此各个工业发达国家高度重视镁合会的研究与开发。1 9 9 8 年镁的消费量为3 6 万吨，2 0 0 0 年达到4 5 万吨。在过去的5 年内国际上镁合金铸件( 含压铸件) 在汽车、电子
10、和电器等领域的应用总量增长了约两倍，这说明镁在国民经济中得到了越来越广泛的应用。西方发达国家在镁合金的研究、开发与应用方面开展的较早，已经取得很大成绩。如镁合金在汽车工业中应用最早是从德国的大众公司开始的。1 9 3 4 年，大众公司将镁合金压铸件用于制造汽车发动机和驾驶系统部件。在“十五”科技攻关和8 6 3 等国家科技计划的支持下，我国铸造镁合金应用关键技术已经取得较大突破，产业化已具规模。虽然变形镁合金无论在强韧性还是在疲劳强度等综合力学性能方面都远优于铸造合金1 6 J 但根据目前的统计数据，9 0 以上的镁合金仍是以铸件形式应用的。据估计，变形镁合金产品的市场增长潜力达4 个数量级1
11、 7 I 。因此，现在国内外材料专家都把目光集中到变形镁合金上，如日本的“先进镁合金科学与技术平台计划，【8 】以及我国去年底启动的国家“十一五”科技支撑计划重点项目“镁及镁合金关键技术开发与应用”中变形镁合金课题都占有很大比重。硕士论文织构和晶粒尺寸对变形镁合金A Z 3 1 力学性能的影响1 3 镁合金的塑性变形特点镁及镁合金的变形机理研究开始于1 9 5 5 1 9 6 5 年。在H C P 结构金属中可能的独立滑移系有：( 1 ) 基面滑移系( O 0 0 1 ) ；( 2 ) 棱柱面滑移系 f i o o ， l O i O 0 0 0 l 】和 1 1 “ ) 0 0 0 0 1
12、；( 3 ) 锥面滑移系0 0 i o 和 l I i 2 。表1 3 和图1 3 1 给出了H C P 结构中各种可能滑移系的滑移方向和数目【9 I 。表1 3H C P 结构中可能的滑移系方向和数目图1 3 1室温变形条件下镁合金中可能存在的滑移系在H C P 结构金属中主要存在两种变形模式，即滑移和孪生。研究表明m I ，在室温或以下温度变形时，镁及其合金中基面( 0 0 0 1 ) 上沿 方向的滑移占主导，而柱面( 1 0 i O ) 和锥面( 1 0 i l ) 在该方向上的滑移只在高的应力集中区域发生，如晶界角落4硕士论文织构和晶粒尺寸对变形镁合金A Z 3 I 力学性能的影响处；
13、基面和棱柱面的临界分切应力( C R S S ) 分别为0 6 加7 M P a 和4 0 M P a 随着变形温度升高，非基滑移滑移的趋势增加，这是因为此时非基面的I 临界分切应力随着温度升高逐渐减小，当温度达到6 0 0 K 以上时，基面和非基面的C R S S 几乎将处于同一水平。另外，交滑移在镁合金塑性变形中占有十分重要的地位，例如很多学者都将微晶镁合金塑性的大幅度提高归因于交滑移。传统上把镁合金a 位错在基面和棱柱面之间的滑移称之为交滑移，对镁合金交滑移机制的研究也多集中在此，近年来，c + a 位错的交滑移也引起了研究者的重视。例如，A g n e we ta 1 等峻现M g L
14、 i 合会较纯镁中存在更高密度的c + a 位错并且分布均匀。孪生是H C P 结构会属的另一重要变形机制，尤其在低温变形条件和具有粗晶组织的镁合金中容易发生I l0 ”J 。研究发现，在室温下变形的拉伸试样的低加工硬化区域，几乎不会发现具有非基柏氏矢量的位错，在试样的加工硬化区域，变形组织具有明显的孪生和基面位错特征| t 3 J 。和滑移相比，孪生变形是一种三维尺度的均匀剪切变形，孪生后的晶体其结构和原先的孪晶基体一样，但是具有不同的取向，孪生所产生的剪切变形量比较小也很有限。根据晶体结构的不同，孪生只会在特定的应力状态下发生，如拉伸或者压缩，而不会在这两种状态下同时发生，即所谓的孪晶极性
15、。变形孪晶是通过基体晶格的连续剪切形成的，图1 3 2 表示一个球体在剪切应变量为T 沿T 1 l 方向变形为椭球的示意图，给出了孪生的四个基本要素。在发生孪生后，球体中仅有两个平面未发生畸变并保持原有形态，按习惯定义为K l 与K 2 ，它们垂直于剪切面并互成0 的夹角；夹角0 与剪切应变量7 问存在关系7 = 2 c o t ( e ) 。在孪生过程中，K l 面，即含有剪切方向的孪生面将不发生位移，而K 2 面却由于孪生的作用旋转为K j 面，孪生发生前后K 2 面和剪切平面分别相交于T 1 2 和T 1 I ，通常我们用K l ，K 2 ，T 1 l 和T 1 2 来描述一个孪晶，它们
16、被称为孪晶基本要素，这四个要素中只有两个是独立的，K l 和m 或K 2 和T 1 l ；由几何关系可知如果确定了K l 和m 或K 2 和T l l ，则该孪生模式便是确定的。图1 3 2 孪生的基本要素硕七论文织构和晶粒尺寸对变形镁合金A Z 3 l 力学性能的影响在H C P 结构金属中最常见的有下面四种孪生模式，即 1 0 1 2 ， 1 0 h ， 1 1 2 2 ) 和 1 1 2 1 ，在这四种孪生模式中最显著的是 1 0 | 2 ) ，能在所有H C P 结构金属中发生，包括M g ，Z r 和T i 等，图1 3 3 为 1 0 1 2 孪生模式示意图，图中， 1 0 i 2 为孪生平面K 1 ， 为孪生方向q l ，此时剪切面s 为 l 芝l o ) ，孪晶面K 2 与方向T 1 2 在晶体学上和
