变形镁合金织构及织构优化设计.docxVIP

变形镁合金织构及织构优化设计 由于镁合金具有强度高、刚度高、主导导电性好、衰减衰减、磁体屏蔽、加工方便等优点，镁合金具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。这被称为“21世纪绿色工程材料”。与铸造镁合金相比,变形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。镁合金由于具有密排六方晶体结构,室温下独立的滑移系少,导致变形加工困难。因此,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。镁合金有限的滑移系导致了其在塑性变形后容易形成较强的基面织构。近年来,随着变形镁合金用量的增加以及研究的不断深入,织构对镁合金力学性能的影响越来越受到材料学者和工程设计人员的重视。关于镁合金织构的研究已成为变形镁合金的研究热点之一。一方面,通过对织构形成机制的研究可丰富镁合金塑性变形的基础理论;另一方面,通过引入新的变形方式和添加微量稀土元素可弱化镁合金织构,从而实现织构的优化设计,这对于发展新型的塑性成型技术和开发具有成形性高的镁合金材料具有重要意义。本文作者针对现有镁合金的主要织构类型及织构优化设计方面的研究进展进行了综合评述。 1 变形镁金织物结构的优化设计和控制 1.1 财务变形变形方式 镁单晶的滑移系有的a滑移,以及等晶面的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0.5~0.7 MPa,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,镁合金中有拉伸孪生压缩孪生,以及等晶面的孪生。但是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滑移及孪生变形,这也是镁合金中形成强织构的主要原因。 如图1所示,当镁晶体中c轴处于受拉状态时,容易发生孪生变形,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c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,如图2所示。孪生变形后,晶粒的取向发生明显变化。如图3所示,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孪生,镁合金的织构则会随之弱化。 1.2 混合挤压变形织构 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。 1)镁合金纤维织构 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。图4所示为挤压过程中形成纤维织构的晶粒的取向示意图。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°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)。图5所示为AZ31棒材挤压和AZ61板材挤压态镁合金(0001)面极图。可以发现,在板材挤压时有少量的晶粒(0001)面垂直于挤压方向,而在棒材挤压过程中,在检测区域内所有晶粒基面平行于挤压方向。 挤压工艺对镁合金挤压后的织构具有明显的影响,PARK等研究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。 2)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。图6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。图7所示为