HCP結(jié)構(gòu)金屬ECAP加工技術(shù)研究.pdf

1、等通道轉(zhuǎn)角擠壓(equal-channel angular pressing，ECAP)是劇烈塑性變形(severe plasticity deformation，SPD)方法中最典型的一種，采用ECAP加工可以有效地細(xì)化金屬的顯微組織，提高合金塑性變形性能。目前對(duì)ECAP的研究主要集中在立方結(jié)構(gòu)金屬上，對(duì)六方結(jié)構(gòu)金屬的ECAP研究相對(duì)較少。另一方面，由于塑性變形能力很低，密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)金屬在產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用受到很大限制。其中，鎂合

2、金塑性變形的問(wèn)題在HCP金屬中具有代表性。作為密度最小的的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金良好的導(dǎo)熱熱性能、阻尼性能、電磁屏蔽性能和可回收性都是工程塑料無(wú)法比擬的。本文利用ECAP方法對(duì)鎂合金施加劇烈塑性變形，通過(guò)細(xì)化鎂合金的組織，全面改善其力學(xué)性能和變形能力，這對(duì)于拓展鎂合金的應(yīng)用有顯著的意義。
　　 本文自行設(shè)計(jì)和制作了三維旋轉(zhuǎn)等通道擠壓(3D-RD ECAP)擠壓裝置，從計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面對(duì)AZ31、ZA31和ZA62三種鎂

3、合金的ECAP過(guò)程，以及ECAP加工后試樣的組織和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 首先，利用有限元模擬軟件DEFORM3D對(duì)3D-RD ECAP過(guò)程進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示，在ECAP過(guò)程中，尤其是在通過(guò)剪切面之后，試樣各部位受到的應(yīng)力差異很大，而且應(yīng)力隨著變形的進(jìn)行不斷變化，總的來(lái)說(shuō)，試樣上表面主要受拉應(yīng)力的作用，而試樣下表面主要受壓應(yīng)力作用，這對(duì)試樣不均勻等效應(yīng)變的形成有重要影響。摩擦系數(shù)μ對(duì)應(yīng)變的影響是有限的。在正常的摩擦條件下（

4、μ≤0.32），等效應(yīng)變分布的差別不大，只有在摩擦系數(shù)足夠大時(shí)(μ＝0.4)，試樣的應(yīng)變分布才會(huì)有比較明顯的變化。對(duì)1至3道次3D-RD ECAP的FEM模擬發(fā)現(xiàn)，提高ECAP道次對(duì)提高變形的均勻性有明顯的效果。從3道次的模擬結(jié)果看，按A’路徑ECAP后試樣內(nèi)部的均勻性最好，BC'路徑和BA'路徑次之，且相差不大，按C'路徑擠壓的均勻性最差。
　　 在有限元模擬的基礎(chǔ)上，本文研究了不同初始晶粒尺寸的AZ31鎂合金在ECAP過(guò)程中

5、和ECAP之后的顯微組織的特點(diǎn)，以及不同路徑和擠壓道次的AZ31鎂合金的顯微組織、力學(xué)性能和硬度值分布。研究發(fā)現(xiàn)，孿晶機(jī)制在鎂合金晶粒細(xì)化過(guò)程中起到重要作用。在ECAP的微變形階段，擠壓態(tài)和退火態(tài)試樣的晶粒內(nèi)部都形成了大量的孿晶，在剪切變形階段這些孿晶會(huì)成為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核中心。金相觀察和硬度分布表明，一道次ECAP后試樣的各部位的顯微組織和力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的不均勻的特征，相對(duì)來(lái)說(shuō)，初始晶粒尺寸較大的試樣變形后不均勻性更加明顯。3D-

6、RD ECAP的4種路徑對(duì)晶粒細(xì)化以及變形的均勻性的影響順序?yàn)?BA'（最均勻），A'，BC'，C'。增加ECAP道次會(huì)降低試樣的不均勻性，在473K下ECAP6道次后，AZ31鎂合金晶粒細(xì)化接近極限，此時(shí)平均晶粒尺寸約為4.7μm，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為167MPa和266MPa，延伸率達(dá)到30％。傳統(tǒng)ECAP中的經(jīng)典的滑移系模型無(wú)法解釋3D-RD ECAP中的路徑的影響規(guī)律。對(duì)兩種ECAP的路徑（傳統(tǒng)ECAP和3D-RD ECAP

7、）進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)其路徑之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而這種關(guān)系也與路徑對(duì)材料的變形均勻性的規(guī)律吻合。對(duì)于3D-RD ECAP，路徑對(duì)變形的均勻性的影響并不僅僅取決于剪切面夾角和滑移方向，還與連續(xù)擠壓道次之間的旋轉(zhuǎn)方式有關(guān)。當(dāng)選擇的路徑能夠使試樣的每個(gè)表面都有相同的機(jī)會(huì)處于不同位置，則最有利于試樣均勻變形。
　　 此外本文還對(duì)ZA系鎂合金中的單相合金ZA31和和多相合金ZA62進(jìn)行了ECAP研究。研究顯示，ECAP可以顯著改善ZA系鎂合金

8、的顯微組織。ZA31鎂合金在473K下經(jīng)過(guò)1道次ECAP后晶粒尺寸從17μm下降到11μm，6道次后晶粒尺寸下降到7μm。ZA62鎂合金的晶粒在ECAP之后也得到明顯的細(xì)化，并且初生的中間相在ECAP之后破碎成小顆粒，形成沿?cái)D壓方向排列的帶狀組織。經(jīng)過(guò)473K下8道次加433K下2道次ECAP后，ZA62鎂合金的晶粒尺寸從100μm下降到約2μm。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，ECAP會(huì)誘發(fā)ZA系鎂合金的沉淀相變。1道次ECAP后的ZA31鎂合金基體中有

9、大量細(xì)小彌散的MgZn相析出，增加到6道次后，析出相的尺寸還會(huì)有明顯的長(zhǎng)大。ZA62鎂合金經(jīng)過(guò)多道次ECAP之后有大量Laves結(jié)構(gòu)的橢球狀或者球狀的MgZn2相析出。此外，組織中還發(fā)現(xiàn)了少量的Mg-Zn-Al三元準(zhǔn)晶。ECAP明顯地改善了ZA31和ZA62鎂合金的力學(xué)性能。ZA31鎂合金經(jīng)過(guò)473K1道次ECAP后在室溫下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為275MPa、180MPa和22％。ZA62鎂合金經(jīng)過(guò)473K2道次加433K8