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1、1绪 论随着科技的发展，在21世纪，保护环境，实现人类的可持续发展，已经成为世界各个国家共同关心的问题。合理使用、节约和保护资源，提高资源的利用率，从传统的高消耗、粗放型模式向可持续发展、集约型模式转变，也已经受到社会各界的普遍重视。镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度、比刚度高，阻尼减震性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，铸造性能和尺寸稳定性好等优点，同时，镁资源在地球上也很丰富，且镁合金产品易于回收利用，具有环保特性。因此，镁合金被誉为21世纪的绿色工程金属，近年来在汽车工业、航空航天、电子工业等领域中获得了迅速的发展，而且发展前景越来越好。1.1选题的研究背
2、景及意义 与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，目前镁合金的产量只有铝合金的1。镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工成板、带、棒、型材等，因此镁合金主要采用铸件作为结构材料使用。随着航空、汽车、国防、电子工业的开发和进展，现有镁合金已难以满足某些特殊的要求，迫切需要开发各种新型的高性能镁合金。因此，积极探索改善镁合金的力学性能和成形性能的途径，对于推动镁合金材料的应用并发挥其性能优势具有重要意义。为了推动我国的镁工业，必须大力开发变形镁合金及其生产工艺。本研究以镁合金ZK60为研究对象，ZK60镁合金作为目前商用变形镁合金中强度最高者，提高塑性对扩大其应用至关重要。选择热挤压
3、做为处理ZK60镁合金的技术方法。设计出适用的热正挤压模具，根据模具准备好ZK60镁合金毛坯。选择不同的挤压温度和不同的挤压比对ZK60镁合金进行热挤压，研究热挤压出的ZK60镁合金在挤压温度和挤压比两个条件的同时作用下显微组织和力学性能上的变化，并分析显微组织和力学性能之间的关系。1.2课题研究的国内外现状与发展1.2.1镁及镁合金研究现状1808年，HumphreyDaveyl43首次从汞合金中分馏出汞和镁；接着在1852年Bunsen第一次使用电解法从氯化镁中电解得到镁。至此，镁及镁合金作为一种新型材料蹬上历史舞台。在两次世界大战期间镁及镁合金得到了突飞猛进的发展。Galiyev A等人
4、发现ZK60镁合金在环境温度下承受大塑性应变（intense plastic straining，简称IPS）时会发生LTDRX（低温动态再结晶），造成晶粒的显著细化和材料硬度的强烈升高。2001年，日本东北大学井上明久等采用快速凝固法制成的具有100200nm晶粒尺寸的高强镁合金Mg-2at% Y-1at% Zn，其强度为超级铝合金的3倍，还具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。德国汉诺威大学的F.W.Bach等人研究了变形镁合金的轧制工艺，采用新工艺，提高了其成形性能。Ei ji Yano等人研究了镁合金的半固态成形技术，利用预热的冷却斜槽近液相线铸造获得了半固态AZ90镁合金组织。Ninomi
5、ya Rojiro T等人研究发现，Ca有明显细化晶粒作用，可稍微抑制熔体金属的氧化，可以改善抗蠕变性能。J.C.F.Chan等人通过实验研究了应变强化及工艺参数对变形镁合金锻造性能的影响。日本的R.Matsumoto和K.Osakad a等人在镁合金温锻方面开展了相应的研究，并对镁合金温锻过程中的摩擦和润滑作了深入的研究。日本的T.Mohri等人研究了热轧AZ91镁合金在300和1.510-3s-1条件下的超塑性和微观组织演变，结果发现晶粒度为39.5m的热轧镁合金在应变量为0.6之后，晶粒尺寸减小为9.1m，说明在超塑变形的初始阶段发生了明显的晶粒细化。晶粒细化是由于动态连续再结晶造成的。
6、由于晶粒细化，使得晶界滑移显著发生，并导致了604%的大延伸率。沈阳航空工业学院的李秀华等人以工程上广泛应用的AZ91镁合金为研究材料，探讨了热挤压以及后续热处理所引起的AZ91镁合金的微观组织演化，确定了不同加工处理状态的AZ91镁合金在不同实验温度下的抗拉强度b、屈服强度0.2和断裂延伸率。洛阳工学院的陈拂晓等人对变形镁合金MB26进行了超塑性实验研究。哈尔滨工业大学的丁水等对轧制态MB15镁合金进行了超塑性能研究,得出在最佳变形温度340，应变速率=5.5610-4s-1时，获得应变速率敏感指数值为0.51，延伸率为415%，此时流动应力仅为11MPa，并分析了在最佳变形温度下应变速率对
7、材料超塑性能及晶粒尺寸的影响。重庆大学的麻彦龙等人较系统地研究了ZK60镁合金的铸态组织。光学显微分析表明，铸态组织中存在很明显的枝晶；有相当数量的共晶组织沿晶界或枝晶边界断裂分布1,2,3。1.2.2 ZK60镁合金的研究现状由于ZK60合金是20世纪40年代末首次开发成功的,60年代后期进入工程应用领域,到现在为止已经研究几十年。目前,世界各国对ZK60的研究主要集中在塑性，超塑性和复合材料的研究方面。另外,由于目前尚无Mg-Zn-Zr三元合金相图,所以人们对其组织的研究只能依靠Mg-Zn、Mg-Zr和Zn-Zr二元合金相图进行分析。1937年，德国人Sauerwaldt44-45偶尔发现
8、Zr能强烈的细化镁合金晶粒，但是由于Zr的熔点(1852)较Mg的熔点(649)高出许多，再加上Zr极易与镁合金熔炼过程中出现的A1、Mn、Si等形成稳定的化合物，而起不到晶粒细化的作用，因此很难将Mg、Zr合金化。直到1948年，人们才找到了合适的含Zr的中间合金，成功地将Zr加入到镁合金。又由于Zn对镁合金有极强的强化作用，因此便诞生了新型的Mg-Zn-Zr合金，ZK60合金就是该合金系中性能最优越的一种。ZK60合金在20世纪40年代末首次开发成功后，60年代后期进入工程应用领域，到现在为止已经研究几十年。然而ZK60合金并不是无懈可击的材料，它还存在如热裂倾向严重、塑性差等诸多缺点。为
9、改善ZK60合金的力学性能，拓宽它的应用领域，许多材料工作者针对ZK60进行了晶粒细化、超塑性、复合材料的研究。 D.Y.Maeng,T.S.Kim等人对快速凝固(R/S)和挤压态的Mg-3Zn合金和Mg-6Zn合金进行了研究。光学显微观察表明。Mg-6Zn合金较Mg-3Z合金晶界区域有所增加；结合扫描电镜和光学显微分析,认为重金属Zn主要分布在Mg晶粒的边界上,富Zn相的形成主要是因为Zn在固液两相中溶解度不同,从而离异至晶界上。研究还对Mg-6Zn合金的峰时效(473K15h)和过时效(473K100h)的显微组织进行了对比，在峰时效的电镜样品中发现了针状的MgZn2相和球状的MgZn相,
10、而在过时效的样品中则发现了稳定的矩形状的MgZn相与针状的MgZn相相间分布。可见MgZn2相是早期形成的稳定相,在随后的时效过程中没有发生明显的变化；MgZn.相是亚稳相,随后转变成稳定的MgZn相，形状从颗粒状变为矩形状。 Mg-Zn二元合金的研究为ZK60合金的研究提供了有利的依据,但却不能简单地将Mg-Zn二元合金的情况应用于ZK60合金的研究。再者，Mg-Zn二元合金的研究和ZK60合金的研究本身也存在很多争议。这主要表现在：1）铸态情况下,晶界富Zn相是MgZn2相，Mg7Zn3(Mg51Zn20)还是MgZn相? 2）时效硬化效果是如何引起的,是细而长的杆状MgZn相还是由GP区
11、发展而来的MgZn相引起的Zr的加入,除了细化晶粒之外对合金相有何影响也不清楚。基于以上原因弄清楚铸态ZK60合金晶界富Zn相的类型以及Zr对Mg-Zn二元合金系的影响将对ZK60合金的合金相控制以及成分优化有非常重要的意义。对此目前仍然没有定论。由于镁的晶界滑移系数Dgb是铝的2倍,因此镁比铝有更强的低温超塑性能。许多材料工作者研究了ZK60合金的低温超塑性能,旨在改善ZK60的塑性,加速其在变形产品上的应用。ZK60合金具有较强的冷热变形能力,可以进行热处理强化,因而是理想的镁基复合材料的基体,从而受到广大材料工作者的关注。西安交通大学的张文兴用粉末冶金的方法制备了SiC增强的ZK60基复
12、合材料,并对其组织和性能进行了全面的研究，可以得出SiCw和SiCp能显著提高ZK60基复合材料的室温抗拉强度、屈服强度和弹性模量,但对塑性极为不利。 下表为制备的复合材料同基体ZK60的拉伸性能比较。从表中可以看出SiCW和SiCp能显著提高ZK60基复合材料的室温抗拉强度、屈服强度和弹性模量，但对塑性极为不利4,5。表1.1 SiC/ZK60复合材料同基本ZK60拉伸性能比较材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%弹性模量/MPa基体合金ZK6029521310.548.0SiCp/ZK60 1338285404.057.4SiCp/ZK60 23672954.755.8SiCw/Z
13、K60 13532694.058.8SiCw/ZK60未热压 2389304306.055.7SiCw/ZK60 13732844.859.0热挤压 23873023.962.21.2.3 镁合金热挤压变形的研究现状挤压是指放在挤压筒终的锭坯的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。挤压根据挤压金属相对于挤压杆的流动方向，可分为正挤压和反挤压。Murai等人对AZ31镁合金挤压棒材研究表明，铸态直接挤压的镁合金挤压棒表层晶粒比中心晶粒的细小，再结晶晶粒的取向并未与挤压方向保持一定的方向性。挤压前，其晶粒尺寸约70m；挤压后，挤压棒表层晶粒得到细化，而心部部分晶粒仍然保持其初
14、始形态，部分则沿挤压方向被拉长。当挤压比达到10时，挤压棒材心部也发生了动态再结晶，并且随着挤压比的增大，其表层晶粒进一步得到细化。当挤压比达到100时，心部晶粒也得到了细化。澳大利亚M. R. Barnett等人研究了铝含量对镁合金挤压成形极限的影响。大大加快了变形镁合金的应用，拓宽了镁合金的应用范围。北京科技大学的李鹏喜等人研究了变形工艺对AZ31镁合金薄板组织及力学性能的影响。将不同厚度的AZ31B镁合金挤压坯经多道次和单道次两种轧制工艺制备成厚度约为1mm的薄板、XRD结果表明，轧板出现了明显(0001)面织构。挤压和轧制过程中的大变形促使了再结晶的发生，进而形成了细小且均匀的显微组织
15、。江西理工大学的蔡薇等人研究了镁合金型材的热挤压工艺与模具，实验结果表明：（1）经40020h的均匀化退火后的AZ31B镁合金铸锭，在挤压温度380400、挤压速度 1.02.5/min的工艺条件下，可以挤压出复杂断面的型材，证明其具有良好的热挤压性能。（2）模具结构形式影响挤压力的大小。华南理工大学的刘英等人采用模角为120的模具，研究了等通道转角挤压后AZ31镁合金的微观结构与性能，并对挤压过程中各道次试样的微观结构及性能进行了分析测试。结果表明，随着挤压道次的增加，晶粒得到不断细化，力学性能也发生显著的变化；当挤压12道次时，总的等效应变量约为8，晶粒得到显著细化，晶粒尺寸为15m，但合
16、金的抗拉强度变化不大，屈服强度则有所下降，约为100MPa，延伸率则提高了45以上。郝艳君等针对挤压态ZK60镁合金的高温力学性能及其超塑性行为进行了研究,结果表明,挤压态ZK60镁合金的高温力学性能与试验温度、应变速率密切相关;通常,屈服强度和抗拉强度随试验温度的降低和应变速率的增加而提高,而伸长率则随试验温度的升高和应变速率的降低而增大6,7,8。1.3 镁合金相关原理介绍1.3.1 镁及镁合金概述从19世纪末，随着工业文明的快速发展，地球矿产资源，尤其是金属矿产资源日益减少，一些金属甚至面临枯竭。资源和环境日益成为全世界普遍关心的热点，是21世纪可持续发展的首要问题。 世界镁矿资源极其丰富，其在地壳中的储量丰富，约占地壳总蕴藏量
