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变形镁合金

浏览:234 发表时间:2019-09-24 08:27:42
镁合金具有比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减震、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点,在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景,被誉为“21世纪绿色工程材料”。
变形镁合金是相比于铸造镁合金具有更大的发展潜力,通过材料结构的控制、热处理工艺的应用,变形镁合金可获得更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能,从而满足多样化工程结构件的应用需求。变形镁合金往往需要加热到一定温度并通过挤压、轧制及锻造等热成形技术加工而成。挤压:采用挤压方法可生产镁合金管材、棒材、型材和带材。对于低塑性材料的成形加工,挤压是较理想的加工方法,大部分变形镁合金如AZ31B、AZ61、ZMZI、ZK60、HK31合金等都可用挤压法生产。镁合金对变形速度极为敏感,因而变形速度不能太大,镁合金挤压温度及速度根据合金类型不同而有些差异,一般可在200-450 ℃范围及0.5-30m/min速度下进行。挤压镁合金时, 常采用润滑剂以降低坯料与挤压筒及凹模之间的摩擦力。防止粘模;同时,润滑剂还可以起到隔热作用, 从而提高模具寿命。润滑剂一般采用石墨与机油或动物油的混合物。挤压温度、挤压比、润滑等工艺因素对镁合金的挤压过程及组织性能具有重要影响。挤压时,挤压温度越低、挤压比越大,则挤压力越大。不过,由于镁合金变形抗力低,与铝合金加工相比,模具寿命提高了1 倍。由于动态再结晶的影响,采用较低的挤压温度及较大的挤压比,可获得较细的晶粒组织及较好的力学性能。镁合金板材的制备需要许多工序的轧制,若采用挤压加工,通过一道工序就可以制造所需要的板状材料, 从成本上来说,是十分有利的。镁合金板材挤压产品具有较小的晶粒组织及较好的力学性能。

轧制:镁合金板材一般通过轧制工艺生产,由于室温下塑性很低,轧制加工比较困难, 因而通常采用热轧和温轧。为避免轧制过程中的开裂,镁合金板材的合金含量一般不高,适于轧制的镁合金牌号有Mg一Mn系的MBI、MBS合金,Mg-AI-Zn系的AZ3IB合金,Mg-Li系的LA141合金等,可以生产厚板、中板和薄板。镁合金轧制方式一般为单向轧制。

锻造:镁合金一般在200-400 ℃ 进行。常温下锻造很易脆裂,超过400℃ 高温时则由于氧化及晶粒粗大而会产生不利影响。由于镁合金锻造温度范围较窄,,镁合金导热系数较大( 约80 W/m·K ) ,约为钢的2 倍,锻造时接触模具后降温很快,塑性降低,变形抗力增加,充填性能下降,故镁合金较难锻造;坯料与模具的接触面积较大, 变形时间较长, 故与冷模接触时,极易产生裂纹, 因此往往需要对模具进行预热,预热温度稍低于坯料加热温度, 范围在200 ~ 300 ℃ 。等温锻造是镁合金的重要加工方法,目前镁合金重要航空航天零件主要采用等温锻造技术。镁合金锻造技术因防护困难、难度较大而研究很少,精锻工艺研究更少。 因此发展较慢, 限制了变形镁合金的大量应用。

冲压成形:合金化方式、退火(消除变形织构)等对镁合金的拉深性能具有重要影响。在一定条件下,AZ31B、A6Z1B 和MI合金板材都可具有较好的冲压成形能力,但AZ3lB 板材比AZ61B、Ml合金板材好些。

超塑成形:镁合金塑性较低, 用常规变形方法加工较难。通过挤压、轧制、等通道转角挤压、快速凝固及粉末冶金方法等技术制备的细晶镁合金在一定条件下具有很好的超塑性。此外,有研究表明, 大晶粒的挤压态AZ31镁合金也可以表现出良好的超塑性。利用超塑性可以一次成形复杂的零件,在简化成形工艺的同时,生产出力学性能好、尺寸精度高、表面光洁的产品。镁合金的超塑成型工艺可应用于镁合金的压力加工、等温锻造、超塑性气胀成型、扩散连接等技术中。镁合金超塑成形时, 变形抗力很小, 这对于成形加工是有利的, 可以用很小的力一次成形复杂的零件; 但应变速率一般均较低。 
变形镁合金织构形成机理

镁单晶的滑移系有<1120>(0001)、<1120>(1010)、<1120>(1011)的a滑移,以及<1123)方向沿{1011}、{1121}、{1012}和{1122}等晶面的c+a滑移。但是滑移系开动的临界剪切应力(CRSS)在各自滑移系上的差别非常明显。基面滑移系的CRSS值最低约为0.5~0.7MPa,而柱面及锥面滑移系的CRSS约为基面滑移系的100倍。除了位错滑移,镁合金中有{1012}拉伸孪生、{1011}压缩孪生,以及{1122}、{1121}等晶面的孪生。但是,{1012}拉伸孪生变形的临界驱动力最低。通常镁合金中最容易发生变形的方式为基面a滑移及{1012}孪生变形,这也是镁合金中形成强织构的主要原因。

当镁晶体中c轴处于受拉状态时,容易发生{1012}{1011}孪生变形,孪生后的取向与母体晶粒成86.3°的位向关系。孪生后晶体的c轴平行于外加应力轴。所以发生孪生变形后的镁合金,容易形成轴平行于外加应力轴的织构,如挤压丝织构及轧制板织构。对纯镁压缩变形后的原位背散射电子衍射(EBSD)观察发现,随着变形量增加,孪晶的体积分数增加、合金的取向逐步发生变化。孪生变形后,晶粒的取向发生明显变化。压缩过程中,c轴逐渐转向于压缩轴平行(压缩轴平行于ED)20%变形后,主要的织构取向显示其C轴几乎都平行于压缩轴。这就是镁合金在变形过程中容易形成织构的原因。因为变形模式的单一化增强了晶粒取向与外加应力场的依赖性。镁合金变形过程中,如果其他非基面滑移系增加,以及其他孪生方式增加,而不是较单一的基面位错滑移和{1012}孪生,镁合金的织构则会随之弱化。 
变形镁合金的典型织构
变形镁合金中主要有两类变形织构:挤压(拔丝)时形成纤维织构,板材轧制时形成的板织构,而通过等通道角挤压等变形方式形成了其他类型的变形织构。

镁合金纤维结构

镁合金在挤压(拔丝)等塑性变形过程中易形成(0001)平面平行于挤压(拔丝)方向(ED)的纤维织构,同时在单向压缩过程中能形成(0001)平面垂直于压缩方向的纤维织构。绝大多数晶粒的基面是平行于挤压方向的。镁合金挤压后的织构还随着挤压制品断面的不同而有所区别:在进行棒材挤压时,应力状态为轴对称状态,(0001)面平行于挤压方向,晶粒取向自由度大,晶粒可以保证基面平行于挤压方向的同时围绕着挤压方向发生360度转动:而在进行板材等复杂断面型材挤压的时候,由于仅在局部是面对称,晶粒取向自由度较小,基面法向TD方向偏移较少。在挤压管材的时候,容易形成两个取向的丝织构,一种是C轴平行于径向(RD组分),另一种是c轴平行于管材切向(TD)。

挤压工艺对镁合金挤压后的织构具有明显的影响,AZ31合金在不同温度及变形速度下挤压后的织构,变形温度及速度的差异导致基面织构的强弱差异。AZ31经300℃挤压后比经250℃挤压后的丝织构更强。而挤压速度高,丝织构更明显。但是温度及速度对挤压后织构的影响规律也因合金体系不同有明显差别。SHAHZAD和WAGNER研究发现,AZ80合金挤压过程中,挤压比对于合金的织构有明显的影响,挤压比小的条件下对应的合金丝织构更强。

镁合金板织构

镁合金在轧制过程中将形成(0001)面平行于轧面的织构。右图所示为在轧制过程中形成板织构后的晶粒取向示意图。同样,在轧制过程中形成的板织构随着轧制道次的增加而变化。在车LSJJ次数少的厚轧板中,基面织构强度较弱,有较多晶粒由基面法向向TD方向偏移,当轧制道次增加,轧板厚度降低时,基面织构的强度增强,大多数晶粒基面平行于轧板平面。

镁合金轧制变形过程中的工艺参数影响轧制过程中的位错滑移及孪生方式,从而影响板材的最终织构与力学性能,AZ31合金轧制过程中,当轧制温度从300℃升高到400℃时,增加了{1011}压缩孪晶的比率。由于{1012}拉伸孪晶与母晶粒成86.30度的位向关系,{1011}压缩孪晶与母晶粒成56度位向关系,从而基面织构弱化,合金伸长率提高。

其他类型变形织构

镁合金等通道角挤压(ECAP)是一种能够有效细化晶粒的塑性变形方式,由
于变形过程中,镁合金发生了明显的剪切变形,其剪切的角度跟ECAP的模具结构以及挤压道次间的路线设计直接相关。镁合金在进行ECAP变形时易产生基面与挤压方向成一定夹角的织构。晶粒取向示意图如右图所示。随着挤压道次的增加,由典型的丝织构转化为其他类型织构取向。
铸造镁合金与变形镁合金的基本力学性能差别
目前, 工业镁合金产品多通过铸造的方式获得. 主要的铸造方法有:高、低压压力铸造,砂模铸造和永久模铸造,并同时开发有新的半固态铸造等工艺。根据国际镁协会(MIA ) 分析,虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形产品,但经过挤压、锻造、轧制等工艺生产出的变形产品具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能, 可以满足更多样化结构件的需求。因此,作为结构材料的镁合金, 开发变形合金产品, 生产高质量的板、棒、管、型等产品,是其未来更长远的发展趋势。
变形镁合金的应用
变形镁合金最初的应用是在军事航空业。1934年开始,德国在航空器上采用了许多镁合金部件。二战时期, 美国在当时设计生产的世界上最大的轰炸机B-36 ( 总重162727kg) 上,使用了5555kg镁合金板,700kg镁合金锻件和300kg 镁合金铸件。二战以后, DOW 化学公司把德国为镁工业制造的当时世界上最大的挤压机(14000t) 搬到美国,安置在其镁合金变形产品生产线上。在50年代期间,DOW 化学公司生产了大量镁合金板用于航空和火箭工业。镁合金在导弹上的应用主要有:镁合金板用于壳体、肋板、隔板( 框) 及箍圈、控制设备箱体及加强肋、发动机进气导管、头锥壳体、外部流线型罩、组合舱门、雷达天线、气动容器装置; 镁合金挤锻件用于身架、纵梁、支撑配件、支架、信号导航器、导线及管道的外部套管、控制设备外加强肋及内部加强肋( 翼、框、后缘) 等。

高性能的镁合金是优良的航空航天材料。例如. 以碳化硅晶须(体积20%) 作强化相的镁合金(AZ31) 基复合材料,其弹性模量提高10 %,强度大约提高到450MPa;美国已利用镁合金复合材料制造螺旋浆、导弹尾翼等, 海军卫星已将镁合金复合材料用于支架、轴套、横梁等结构件, 其综合性能优于铝基复合材料。

现在汽车工业、电子工业已成为对镁合金需求最大的行业汽车采用镁合金可比铝合金减重20%~25%。镁合金挤压件可用于汽车承载件,如座架、窗框、底盘框、轮毅等。薄壁镁合金挤压管件在汽车内应用,由于其截面面积很小,可以显著减重。镁合金薄板用于制造汽车车体组件的外板( 如车门、罩盖、护板、顶板等),可大大减轻质量。镁合金由于密度小和具有良好的电磁屏蔽型常适用于便携式电子电器通讯器材, 除继续使用压铸镁合金外.使用变形镁合金也是一种发展趋势。

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