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1、.毕业设计(论文)开题报告题目：AZ91镁合金等径角挤压前后组织性能分析学院：机械工程学院专业：材料成型及控制工程学生姓名：刘集思学号：201102050119指导老师：吴安如2015年3月20日毕业设计（论文）开题报告文献综述0引言镁基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、导热和导电性好,极好的减震性能、优良的阻尼性和易于加工成形和回收等优点，电磁屏蔽性、越来越广泛地应用于航空航天、汽车、3C电子、环保等领域。目前关于镁基复合材料的研究工作主要集中于材料组成、制备工艺和材料组织及性能等方面。等径道角挤压（equalchannelangularextrusion，ECAE）工艺是指将材料进行强
2、烈的纯剪切变形，而横截面尺寸基本保持不变，通过反复进行挤压，从而积累大量应变，细化材料晶粒。等径道角挤压工艺是Segal教授于1972年在研究钢的变形组织和微观组织时，为了获得纯剪切应变而发明的一种剧烈塑性变形加工技术。进入20世纪90年代后，俄罗斯的Valiev发现该技术可使材料产生大应变，从而细化多晶材料的晶粒，获得亚微米或纳米级的超细晶结构，其利用ECAE技术加工铝合金，随后在高应变速率和350下采用超塑性成形加工出了内燃机活塞，大大提高了零件的生产效率，具有重要的现实意义。日本的Yoshinori等人研究了ECAE加工时不同道次间坯料加入方向对材料剪切变形特征晶粒形貌的影响。美国南加州
3、大学研究了ECAE加工模具设计对材料变形均匀性的影响；韩国学者在不同道次下变形均匀性方面也作了较充分的研究。科研工作者通过对ECAE法制备工艺、ECAE材料性能以及应用的研究，对铝、铜、钛、铝合金、低碳钢等多晶体金属在ECAE技术下微观结构和力学性能有了初步的认识。经ECAE挤压后的镁合金具有极细的晶粒结构并表现出与众不同的力学行为，如高的屈服应力、大幅度提高的塑性以及具有低温超塑性和高应变速率超塑性等特征，其变形机理也发生了改变，一些高温变形机理，如非基面滑移、晶界滑移等，因此，在室温下亦可发生。众多学者已经开始研究ECAE技术在镁合金加工中的应用，并对镁合金ECAE过程中的变形机理和变形规
4、律展开了研究。1等径道角挤压11基本原理所谓ECAE法，既等径道角挤压，是通过2个轴线相交且截面尺寸相等的通道，将加工材料挤出。因通道的转角作用，在加工过程中材料发生剪切变形，使变形材料产生大的剪切应变，并由此导致位错的重排，从而使晶粒得到细化。与传统的大变形塑性加工工艺相比较，用利ECAE加工镁合金具有以下优点，能够使挤压的材料承受很高的塑性变形，而同时又不改变样品横截面面积；经多道次挤压后的试样的组织结构均匀，性能得到提高；可通过热加工与动态回复、动态再结晶的组合工艺达到晶粒细化；在低温条件下使金属材料的微观结构得到明显的细化，从而改善铸态组织，大大提高其强度和韧性；通过调整剪切面和剪切方
5、法6向可以获得不同的组织结构。12工艺参数在镁合金ECAE挤压过程中，影响材料组织和性能的工艺参数众多，主要包括模具结构、挤压路径、挤压道次、挤压温度和挤压速度等。此外，挤压前初始镁合金材料的微观结构和相组成等，对ECAE挤压后材料的微观组织和力学性能也有重要78的影响。121模具结构ECAE模具结构参数包括：两通道的夹角、内侧过渡圆弧半径r和外侧夹角、外侧圆弧半径（如图1所示）。试验研究表明，上述几个参数对挤压材料每道次的应变量和挤压后材料的显微组织均有一定的影响。其中，较小（如90）时，每道次可以获得较大的应变量，特别是靠近通道内侧部分的应变量；r过小，在挤压转角内侧形成未充型区会（即材料
6、难以完全填充挤压孔径）；随着值的减小，理论上每道次可获得较大的变形量，过小但会在挤压材料外侧形成难变形区，不利于挤压材料组织的均匀化；而的减小也有利于内外两侧的变形，在理想状态下=0时能产生最大的剪切应变，但不能过小，否则会增大挤压力，加速模具磨损9提高对设备的要求。图1等径道角挤压模具示意图122挤压路径在ECAE过程中，每次重复挤压之间试样所旋转的方位称为挤压路径。挤压路径对ECAE挤压材料的组织和性能也有重要影响。常用的挤压路径有4种（如图2所示），：A路径（每道次试样均不转动）；即BA路径（试样每道次交叉转动90）；BC路径（试样每道次同向转动90）；C路径（试样每道次转动180）。挤
7、压路径对ECAE的影响关键在于不同的挤压路径具有不同的剪应变几何特征。研究表明，沿路径BC挤压后，试样具有最佳的显微组织结构，路径C次之，而路径A与路径BA最差。这是因为在路径A与路径BA的挤压过程中，多道次重复挤压会导致在垂直于挤压出口方向平面上的材料形状发生极大的扭曲，从而抑制了材料显微结构的发展，不利于材料力学性能的提高。123挤压道次ECAE挤压道次对镁合金的显微组织也有重要影响。大量的研究表明，对于不同系列的镁合金，无论采用何种挤压路径，经过一个道次的挤压后，晶粒均可得到明显的细化，所得晶粒多为条带状。而后10随挤压道次增加，逐渐变为均匀细小的等轴晶。124挤压温度和速度在ECAE挤
8、压中，挤压温度对镁合金的微观组织和力学性能也有一定的影响。研究表明，随着挤压温度的升高，晶粒细化效果减弱。这主要是因为晶粒在高温挤压过程中发生了长大，抵消了由剪切变形带来的晶粒细化。而温度过低（对于不同系列的镁合金各不相同，一般不低于473K）时，则会在挤压试样表面出现裂纹，甚至无法成功实现挤压11。2ECAE镁合金组织与性能的变化2.1ECAE对镁合金微观组织与结构的影响大量的研究表明9,12-15，镁合金经过ECAE挤压后，可得到均匀细小的等轴晶，但随着ECAE工艺参数和挤压镁合金的初始显微组织的不同，最终所制得试样的显微组织亦有很大的不同。AkihiroYamashit等12对Mg-0.
9、9Al合金分别在473、573、673K下经ECAE挤压后发现，随着挤压道次的增加，其晶粒尺寸均有所减小，但在673K挤压的变化很小，573K挤压的在第一个道次明显细化后,晶粒尺寸便几乎不再发生细化，而475K挤压的第一个道次的细化效果较前两者更加明显，且在第二个道次仍有晶粒细化。可见在温度较低时，晶粒长大有限，细化效果明显，而温度较高时，则细化效果较弱。在经过一个挤压道次后，随着挤压道次的增加，晶粒尺寸不再明显减小。这主要是由于在挤压过程中发生了再结晶，所以在各种条件下经过ECAE挤压的镁合金的晶粒尺寸均得到减小，而且再结晶还导致了等轴晶的均匀分布。由于镁合金其室温塑性变形能力差，因此,对镁
10、合金进行ECAE挤压时,通常在较高的温度下进行的。但是当温度过高时，会出现晶粒长大现象，减弱了ECAE细化晶粒的效果，而温度过低又会导致挤压试样开裂。所以，为了取得较佳的挤压效果，应该选取合适的温度。AkihiroYamashita等12研究发现对于纯镁其挤压温度至少为673k而Mg-0.9%Al至少为473K。Kim等9对AZ61镁合金研究发现，其挤压温度至少为548K。此外，ECAE挤压温度还影响挤压过程中镁合金织构的形式。根据YuYoshi等13对AZ31镁合金的研究，在473K进行挤压时形成了基面与挤压出口方向成45的织构,而在573K进行挤压时则基面趋向于平行于挤压出口方向。镁合金E
11、CAE挤压试样的初始组织结构对挤压后的显微组织结构亦有一定的影响。Kim等9对经常规挤压后的AZ61镁合金的研究表明，对于挤压制得的试样其晶粒由46m的细晶和1520m的粗晶组成，沿BC路径经4个道次挤压后，其晶粒才开始变得均匀，经过8个道次后,得到均匀细小的等轴晶，其晶粒大小约为8m；而对于经过在400进行24h退火处理的试样,其晶粒大小超过400m,分别沿BC和A路径经8个道次挤压后，其晶粒大小约为23m。这表明ECAE挤压前镁合金试样的晶粒越细越均匀，挤压后其晶粒也越细，组织越均匀。2.2ECAE对镁合金力学性能的影响经过ECAE挤压后,镁合金晶粒得到细化,根据YuYoshida等13发
12、现ECAE挤压后AZ91镁合金强度和晶粒尺寸的关系为：0.2=30+0.17d-1/2。由此可见，对于镁合金其系数较大，那么，根据该关系式，晶粒的大小应该对镁合金强度的影响较大。但是，大量的研究表明5,9,12,17，经过ECAE挤压后的镁合金，虽然断裂伸长率得到很大提高，但强度并未发生明显的改善甚至略有降低。这主要是因为在ECAE挤压过程中形成的织构的弱化作用超过了晶粒细化的强化作用,而晶粒细化又激活了更多的滑移系的结果。根据YuYoshida等13的研究，在ECAE挤压过程中,根据基面的取向可将ECAE形成的织构分为两种类型，一种为在约473K的中低温下，形成基面平行于剪切面与挤压方向成4
13、5的织构，另一种为在约573K的温度下，形成基面平行于挤压方向的织构。上述两种类型的织构，其c轴均在与剪切面法向成30的范围内变化。拉伸试验时发现具有前一种类型织构试样的强度较后者的低，由此亦可推知前者更容易发生基面滑移，这是因为在与拉伸方向成45的基面上具有最大的剪切力，从而导致材料的抗拉强度和屈服强度均明显降低，而断裂伸长率才得到提高对于具有后一种类型结构的试样来说，由于其基面平行于拉伸方向，所以当沿挤压方向进行拉伸时，其基面Schmid因子为0，在基面上几乎没有剪切应力，也就难以发生基面滑移。虽然在不同的温度下进行ECAE挤压,镁合金的晶粒均可得到细化,但其强度并未明显提高。在低温经EC
14、AE挤压的镁合金试样,其强度比未经ECAE挤压的试样略低但断裂伸长率却明显得到提高；而在高温,强度虽有所提高但断裂伸长率却比较低。根据上述分析可知，这主要是因为在不同的温度下进行ECAE挤压时，形成的织构不同所引起的。Kim等9研究发现，随着挤压过程的进行，AZ91镁合金的初始纤维织构被分解，并随挤压道次的增加逐渐形成新的织构,其结果说明织构软化超过了由晶粒细化所产生的强化。同时，织构分析也表明，经8个道次挤压的ECAE试样在拉伸试验过程中沿拉伸方向明显的应变强化是因为激活了两个甚至更多的滑移面的结果。Huang等10根据粉末试样的XRD谱，研究了ZK31及AZ31镁合金分别在523、573K
15、沿BC路径经4个道次挤压后所形成的织构的强弱,亦发现挤压不同,所形成的织构也不相同。因此，经ECAE挤压后具有均匀细晶结构的镁合金,其抗拉强度和屈服强度以及断裂伸长率均与其晶粒取向存在着一定的对应关系。而晶粒的取向随ECAE挤压温度的不同而变化,进而又影响到强度和断裂伸长率的变化,对屈服强度的影响尤为明显10。此外，ECAE挤压路径对挤压后镁合金的力学性能也有一定的影响。根据ECAE挤压过程的剪切变形特征可知，经过不同的挤压路径和挤压道次后，材料在变形过程中的几何形状亦不相同,即变形过程中的织构演化规律亦不相同，使挤压后材料力学性能的变化亦不相同。Kim等9发现，AZ61镁合金(常规挤压后在673K退火24h)在548K沿BC路径和A路径，经不同道次挤压后，其晶粒尺寸均减小且变化较一致；沿BC路径的屈服强度下降较大，而A路径的变化则不明显，甚至在8个道次后有所增加；经1个道次挤压其抗拉强度得到较大提高，而在8个道次后，与第一个道次相比BC路径的略有降低而A路径的有所提高；断裂伸长率在经过一个道次挤压后两者均有很大提高后；而随着挤压道次的增加，基本不再发生变化，经8个道次后，BC路径的仅比A路径的高3%。Agnew等对AZ31B镁合金沿BC路径进行了挤压研究，亦得到了类似的结论。Chang等对AZ31和AZ61镁合金沿C路径挤压进行的研究表明，在第一个挤压道次后抗
