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1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 题 目 挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织，及性能影响的研究专 业 材料成型及控制工程 学 号 1069360118 学 生 刘树成 指 导 教 师 晁红颍 答 辩 日 期 2009年12月28日 哈工大华德学院目录摘要错误!未定义书签。Abstract4第1章绪论51.1引言51.2 国内外研究现状及分析51.2.1 变形镁合金的晶粒细化51.2.2细晶镁合金的塑性变形机制研究61.3 镁合金的室温冷塑性变形研究进展71.3.1镁合金的塑性成形81.3.2 镁合金的室温挤压工艺81.4 镁合金的再结
2、晶退火研究81.4.1 退火时间对变形镁合金组织的影响81.4.2 退火时间对变形镁合金力学性能的影响81.5 课题研究的目的及意义9第2章 实验材料及实验方法102.1 实验材料102.2 实验及检测设备102.2.1 挤压实验设备102.2.2 金相组织分析方法112.2.3 拉伸试验分析方法11第3章 挤压和退火工艺对AZ31镁合金组织的影响123.1 引言123.2 挤压工艺对AZ31镁合金显微组织的影响123.3 退火工艺对挤压AZ31镁合金显微组织的影响143.3.1 退火温度对AZ31镁合金棒材组织的影响143.3.2 退火时间对AZ31镁合金棒材组织的影响163.3.3 退火工
3、艺对四种温挤压速度棒材组织影响193.4 退火工艺对AZ31挤压镁合金力学性能的影响21第4章 结论26参考文献27致谢30摘要由于AZ31镁合金是密排六方晶体结构，滑移系少，室温下塑性较差，目前人们主要通过细化晶粒来提高其强度和塑性。开发新的高性能镁合金系列是目前研究的主要趋势，但对现有镁合金系统进行适当的工艺处理也可能成为改善材料性能的廉价而有效的方式。由于低温挤压过程中容易导致裂纹的产生，加之镁合金塑性较差，因此有关镁合金在低温情况下的研究很少，为此，本文分别在不同的挤压速度下对AZ31镁合金棒材进行实验研究，分析挤压速度对AZ31镁合金的晶粒细化方面的影响和原因。初步探索获得细晶镁合金
4、的工艺途径。热处理是结构金属材料获得产品性能的主要方法。本文对不同速度下挤压变形得到的棒材进行退火处理。分别通过低、中温退火工艺，采用光学显微镜（OM）研究了不同挤压速度下的棒材退火前后的显微组织，对不同挤压速度下的棒材进行室温拉伸性能分析。逐步优化工艺，最终得到了择优的退火工艺路线，实现了镁合金的晶粒细化，改善了棒材的综合性能。最高延伸率可达33%，最高的强度为430MPa.关键词: 镁合金，挤压，再结晶退火，显微组织，力学性能Abstract Because of the hexagonal closed packed (HCP) crystal structure and lack of
5、 enough slip systems, AZ31 magnesium alloy possesses poor formability at room temperature. Grain refinement is known to be an effective method to improve the poor mechanical properties in recent years. Now, the important fields about magnesium alloy are to explore some new magnesium with high proper
6、ties. But appropriate processing treatment with magnesium is probably to be an effective and low-cost method of improving their properties.Due to low temperature and low speed extrusion process easily leading to the emergence of crack and poor properties of magnesium, thus research on magnesium at l
7、ow temperature and low extrusion velocity is very few. In this paper, researches on magnesium extrusion at different extrusion velocity were carried out. Effects of extrusion velocity on grain refinement of AZ31 magnesium alloy were analyzed in this paper.Furthermore, heat-treatment was carried out
8、on AZ31 alloy specimens extruded at various speed. By means of optical microscopy (OM), microstructures evolution of as-extruded and annealed AZ31 alloys were studied. Tensile properties of as-annealed AZ31 magnesium alloys at different extrusion velocity were analyzed at room temperature. The tensi
9、le strength of as-annealed AZ31 alloys can reach 430MPa and elongation to failure reach 33%.Keywords：AZ31 magnesium alloys, extrusion, annealing, microstructure, mechanical properties.第1章 绪论1.1引言镁是最轻的结构金属材料，密度为1.738g/cm3，为钢的1/4，铝的2/3，与钢和铝合金相比，镁合金具有更高的比刚度和比强度，良好的散热性能、减震性能和电磁屏蔽性能，因而在航空航天，汽车以及3C产品领域有着广
10、阔的应用前景，被认为是21世纪最具开发和应用前途的金属材料。AZ31镁合金是目前应用最广泛的变形镁合金，因此本文针对AZ31变形镁合金进行了室温挤压变形研究。冷挤压变形是目前在镁合金领域研究得较少的变形方式。此项研究对扩大镁合金的实际应用领域，具有深远的现实意义。1.2 国内外研究现状及分析本课题主要围绕AZ31变形镁合金的室温冷挤压变形展开研究，旨在揭示冷塑性变形和中高温退火中的显微组织变化、塑性变形机理及其力学性能的变化等，因此下面主要从镁合金在高温热变形中存在的优缺点和冷塑性变形存在的困难等，以及低温塑性变形机理，如滑移、孪生等和组织细化的研究现状及其进展等方面进行分析总结，并阐明本课题
11、研究的必要性和迫切性。1.2.1 变形镁合金的晶粒细化目前变形镁合金的晶粒细化多是采用大塑性变形方法，ECAE/ECAR是研究得较早也比较成熟的工艺之一。根据ECAE模角、和外侧圆弧半径R的不同，每道次的应变量也从0.45到1.15不等，由于变形量稍大，因此用该方法成形的镁合金都需要在200以上，但是随着变形温度的提高晶粒细化的效果逐渐减弱。 图1-1 10-ACB(ECAE)挤压得到的显微组织(d=0.37m)及其力学性能变形镁合金晶粒细化工艺的一个共同特征是，通过多道次变形（挤压，扭转，叠轧等）获得大塑性变形，从而使其发生动态再结晶。但是该过程由于生热较多，同时镁合金的成形又多在一定温度下
12、进行，因而会很容易在晶粒形核的同时发生晶粒的长大，所以控制变形温度以及及时导出变形热是变形镁合金晶粒细化的关键。但是上述方法的一个最大不足就是，不能生产较大型的制件，其材料利用率很低尤其是ECAE方法材料利用率更低，或者要生产大制件必须用更大更复杂的加热设备，这都对工业生产成本的降低不利，因而目前这些方法都还停留在实验室阶段。1.2.2 细晶镁合金的塑性变形机制研究上述几种工艺方法都获得了晶粒细小的镁合金组织，同时材料性能得到了大幅度提高。晶粒细化在提高强度的同时，也可以改善镁合金的塑性，主要体现在三个方面，一是可以使位错滑移程缩短，变形更分散均匀；二是使晶粒转动和晶界移动变得容易，晶粒转动可
13、使晶粒取向发生变化，使其更有利于变形；三是能激活镁合金中棱柱面和锥面等潜在的滑移系，细晶镁合金中非基面滑移系的激活是其塑性大幅度改善的最根本原因。镁合金的塑性变形机制主要有：基面滑移、非基面滑移、变形孪晶和晶界滑移。有研究表明，当晶粒尺寸细小时(d2m)，随着变形量的增加，晶界滑移变得容易，甚至成为主要的塑性变形机理。一般都是通过拉伸测试来研究细晶镁合金的变形机制。图1-2c表明，细晶镁合金的屈服强度、显微硬度以及R值与晶粒度的关系均符合Hall-Petch关系，虽然并非成线性关系，但也表明了晶粒细化对板材的强化效果。图1-2 细晶AZ31的性能，其中(a)真实应力-应变曲线，(b)真实加工硬
14、化率-真实应变关系曲线，(c)强度等-晶粒度关系曲线在UFG细晶镁合金中，孪晶变形对塑性变形仍其重要作用。同时在变形初始阶段加工硬化率很低，此时孪晶数量尚少，这也表明孪晶的形成需要一定的应力，孪晶对加工硬化贡献很大。但是由于在显微组织中没有观察到孪晶，而是出现了大量的位错，这表明，位错滑移甚至交滑移在UFG镁合金的室温塑性变形中起到的作用才是至关重要的。图1-3为几种不同晶粒度的AZ31镁合金的拉伸和压缩力学性能对比。(b)图1-3 不同晶粒度AZ31的性能比较：(a)室温压缩真实应力-应变曲线，虚线为拉伸曲线，应变速率为0.01s-1 ; (b)室温强度与晶粒度关系。总之，细晶强化镁合金力学
15、性能的优势很明显。但是影响镁合金力学性能的因素很多，除平均晶粒度之外，晶粒分布均匀度、组织形态、织构类型以及测试条件（比如拉伸时的应变速率、温度）等均能影响其力学性能。因此要比较不同镁合金的性能，一定要在条件相同的前提下。但是对应常规变形工艺方法制得的镁合金，晶粒越细小，其强度、延伸率、各向异性等越好。细晶镁合金为其后续加工也带来了便利。目前看来，细晶镁合金强度还是要高于粗晶镁合金的，而基面织构强度（或密度）越低，其室温拉伸呢延伸率相当越高。1.3 镁合金的室温冷塑性变形研究进展镁合金的低温尤其是室温成型性能差，但仍有很多学者对其进行了深入的、锲而不舍的研究。这些研究按照成形工艺划分，主要有铸态镁合金的锻造，铸态和变形态镁合金的轧制（常规轧制、连续铸轧、累积叠轧、等径角轧制ECAR等）、挤压（常规挤压、ECAE等）、冲压，以及变形镁合金的挤压、拉拔等。按板材类型划分主要有板材、棒材、管材以
