MB15镁合金板材的超塑性能研究
MB15合金等通道转角挤压组织模拟和实验分析
MB15合金等通道转角挤压组织模拟和实验分析于彦东;周浩【摘要】The process of equal channel angular pressing (ECAP) was numerically simulated using a finite element software Deform-3D to study the improvement and advancement of plastic processing performance. The method of the combining application of finite element simulation and experimental analysis was explored to investigate the variation of grain structure during the ECAP forming process of Mg alloy. The results show that the grain size of the sample in different zones reduce remarkably, following the sequence of P1, P2 and P3. Its average grain size reduces to 2.3-3.1 μm from its former average size of 13.32 μm. The microstructures of the sample was observed by an metalloscope after the ECAP experiment within one pass. Its average grain size reduces from 13.32 μm to 2.2 μm. After comparing the results of finite element numerical simulation and the ones from experimental analysis, there is a good fit in grain refinement between the two.%采用等通道转角挤压(ECAP)对MB15合金试样进行挤压,利用有限元软件DEFORM-3D进行ECAP晶粒组织模拟,探索采用有限元模拟与实验分析相结合的方法,研究镁合金ECAP成形过程的晶粒组织变化规律.模拟结果表明:数值模拟后试样从头部P1处、中部P2处到尾部P3处的晶粒组织细化程度明显减小,平均晶粒尺寸从初始的13.32 μm减小到2.3～3.1 μm;采用ECAP方法进行一道次挤压,试样的平均晶粒尺寸从13.32 μm减小到2.2 μm.对比数值模拟与实验分析结果表明:两者在晶粒细化程度上吻合良好.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2011(021)002【总页数】7页(P296-302)【关键词】MB15合金;等通道转角挤压(ECAP);晶粒细化;模拟【作者】于彦东;周浩【作者单位】哈尔滨理工大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150040;哈尔滨理工大学,材料科学与工程学院,哈尔滨,150040【正文语种】中文【中图分类】G379镁合金作为一种结构材料[1−2]，具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽效果好、抗震能力强，易于机械加工成形和易于回收再利用等优点[3−4]。
挤压变形对MB15镁合金及组织性能的影响
中 ,等轴的再结晶晶粒只出现在非 Zr 、Zn 条带区 ,而 密布着析出物质点的富 Zr 、Zn 条带区没有发生再结 晶 ,说明弥散分布的质点可能有阻止再结晶的作用 。 而从力学性能来看再结晶更充分的管材后端力学性 能优于管材前端和型材 。
图 1 3 %硝酸酒精 溶液 图 2 10 %氢氟酸水溶液 图 3 3 %硝酸酒精溶液 腐蚀 , (150 ×) 腐蚀 , (150 ×) 腐蚀 ,热处理 410 ℃ 24h (100 ×,加偏振光)
[ 关键词 ] 镁合金 ;挤压 ;显微组织 ;力学性能 ;挤压比 中图分类号 : T G113 ; T G376 文献标识码 :B 文章编号 :1000 - 8446 (2004) 01 - 0041 - 05
Research on the Extrusion and Properties of MB15 Magnesium Alloy YU Xia ng , DIN G Pei2dao , P EN G J ia n , YAN G Chun2mei
2. 3 挤压变形组织特征及挤压比的影响 图 7 为动态挤压变形过程中的组织变化 。动态
变形过程大致分为 3 个区域 :初始区 ,变形区和稳态 区 ,分别对应着不同的组织 。图 7a 为初始区挤压变 形前的铸态棒料组织 。由粗大的α2Mg 树枝晶和沿 晶界分布的α2Mg + MgZn , ZnZr 化合物组成 ,枝晶 形态十分发达 ,具有典型的铸造组织特征 。晶粒尺 寸为 100～200μm 。图 7b 为变形区近稳态区组织 。 图中可见由于热加工塑性变形和多边形化使晶粒破
收稿日期 :2003211220 作者简介 :于翔 (1978 - ) ,男 ,山东南掖人 ,硕士研究生 ,主要从事轻合金新材料研发 。
ECAE镁合金超塑性变形行为的研究的开题报告
ECAE镁合金超塑性变形行为的研究的开题报告题目：ECAE镁合金超塑性变形行为的研究背景和意义：随着现代工业的不断发展，轻质高强材料的需求也越来越大。
镁合金因其较低的密度和优异的力学性能，在汽车、航空航天等领域被广泛应用。
然而，镁合金的低塑性和易于疲劳等缺点限制了其进一步的应用。
因此，开发出新的提高镁合金塑性的方法变得十分必要。
超塑性是指材料在高温下具有超过1000%的延伸率，是一种可行的改善材料原有塑性的方法。
而挤压等通道变形（ECAE）作为一种有效的获得超塑性材料的方法，被广泛应用于金属材料的研究中。
本研究旨在通过ECAE工艺来改善镁合金的塑性，并探究其超塑性变形行为和机理，为镁合金的应用和发展提供理论依据和实验支撑。
研究内容：1. ECAE工艺在镁合金中的应用2. 镁合金经过ECAE后的塑性及其超塑性特性研究3. 镁合金经过ECAE后的微观组织演变和变形机理分析研究方法：1. 预备工作：选取合适的镁合金，设计合适的ECAE工艺参数2. 材料制备：采用ECAE工艺对镁合金进行加工3. 材料性能测试：测量镁合金在不同温度下的真应力、真应变4. 材料分析：采用X射线衍射分析、扫描电子显微镜等手段对镁合金进行显微组织观察和分析研究预期结果：1. 通过ECAE工艺提高镁合金的塑性2. 分析镁合金经过ECAE后的超塑性变形行为和机理3. 为镁合金的应用和发展提供理论依据和实验支撑参考文献：1. Valiev, R. Z., & Langdon, T. G. (2006). Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement. Progress in Materials Scien ce, 51(7), 881-981.2. Wu, X. B., Lee, S. W., & Nakata, T. (2003). The superplastic deformation behavior of magnesium alloy processed by equal channel angular pressing. Materials Science and Engineering: A, 353(1-2), 50-58.3. Liu, H. M., Wu, X. B., Lee, S. W., & Nakata, T. (2002). Influence of extrusion die angle on the superplastic deformation of a Mg-Al-Zn alloy processed by equal channel angular pressing. Acta Materialia, 50(19), 4941-4949.。
镁合金的超塑性
维普资讯
现代材料动 态
镁 系 材 料 工 业 化地 进 行超 塑性 成 形 的例 子
２０ 年 第 ５ ０２ 期
但 已有 实验 室 级 的用 超 塑 性 吹 塑 成 形 、超 塑 性
锻 造 的方 法 进 行 实验 室 试制 的报 道 。 另外 ，利 用超 塑 性 变 形 的 新 的成 形 方 法还 有 超 塑 性 注 射 成 形 、超 塑 性旋 压 成形 。但 用 上述 方 法 成 形 ， 由于变 形 速 度 较 慢 ，因此 生 产 效 率 较 低 ， 并 且 成 形 温 度 要 求 较 高 ，操 作 性 差 ，模 具 易损 导致 成 本 上 升 因 此 如 何提 高超 塑 性 变 形 速
度 、降低 超 塑 性 变 形温 度 成 为必 须解 决 的课题 。 三 ．先 进 的镁 超塑 性 材料 高 速 超 塑 性 是 指 应 变速 度 在 与工业 生 产 速 度相 当 的 １ 五 以上 仍 具有 超 塑性 。具 有 高 ＯＳ
里 大 学 离子 束 应用 研 究 中心 的 加速 器 施 加 达 ２０万 Ｖ 的 巨大 电压用 来加 速 质 子 。 高能质 子 ０ 轰 击 在 Ｍｇ ２ 品 上 穿透 的深 度 仅 为 ｎ ０ｌ Ｂ 样 ×１‘ ｍｍ，但 沿 着 这条 路径 使镁 和 硼 原 子 的排 列 失 准 。帝 国 学 院 的研 究 人 员通 过 改 变 辐 照 强度 已能 在 Ｍｇ ２内创造 出一定 范 围的缺 陷密 度 。 Ｂ
人 员用 铁作 包 套成 功 地 拉成 了线 材 。
所得 线 材在 ４２ 的温度 下临 界 电流 密 度 为 ８ ０ ０ Ａ ｃ 与普通 Ｍｇ ： 乎 福 同。 金松 ．Ｋ ５０ ／ｍ： Ｂ几
浩 等人 的研 究表 明 ，用铁 以外 的 其 它 金属 作 包 套 材 料将 明显 降 低 Ｍｇ 线 材 的 载流 密 度 ， Ｂ： 其 原 因 是存在 弱 连 接 问题 。
镁合金的超塑性
镁合金的超塑性梁冬梅周远富褚丙武（中国铝业郑州研究院，郑州 450041）摘要：综述了镁合金的超塑变形特点及晶粒细化对镁合金超塑性的影响,描述了镁合金的高应变速率超塑性和低温超塑性。
指出镁合金超塑成形技术的发展将大大拓展其应用领域。
关键词：镁合金；超塑性；晶粒细化The Deformation Mechanism and Superplasticity ofMagnesium AlloysLiang Dong-mei Zhou Yuan-fu Chu Bing-wu（Zhengzhou Research Institute of Chalco，Zhengzhou 450041,China）Abstract：The characteritics of superplasticity and the effects of fine grain on superplasticity are described. High strain rate and low temperature superplasticity of magnesium alloys are reviewed. The developing of superplastic forming will enlarge the applications of magnesium alloys.Key words：magnesium alloys; deformation mechanism; superplasticity；fine grain0 前言镁是所有结构用金属及合金材料中密度最低的。
与其他金属结构材料相比，镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、航天、航空和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，被誉为“2l世纪绿色工程金属结构材料”[1]。
镁合金超塑性的变形机理
Deformation mechanisms, current status and development direction of superplastic magnesium alloys
CHEN Zhen-hua, LIU Jun-wei, CHEN Ding, YAN Hong-ge (School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)
第 18 卷第 2 期 Vol.18 No.2
中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals
2008 年 2 月 Feb. 2008
文章编号：1004-0609(2008)02-0193-10
镁合金超塑性的变形机理﹑研究现状及发展趋势
陈振华，刘俊伟，陈 鼎，严红革
表1 变形图中不同变形机理的本构方程[7, 10]
Table 1 Constitutive equations for different deformation mechanisms Creep process Diffusional flow Grain boundary sliding & = k 3 ( D L / d 2 )(σ / E ) 2 ε Lattice diffusion sliding
7.59×108
Pipe diffusion controlled
& = k 4α ( D p / d 2 )(σ / E ) 4 ε & = k 5 ( DGB b / d 3 )(σ / E ) 2 ε
3.81×108 7.04×107
改善变形镁合金塑性的研究进展
改善变形镁合金塑性的研究进展*任红霞,刘长瑞,张 娟,鞠克江(西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055)摘 要:综述了变形镁合金的基本塑性变形特征,变形镁合金常温下因塑性较差限制其发展,故改善变形镁合金的塑性成为变形镁合金研究与应用中急需解决的重点。
细化晶粒、提高变形温度和超塑性变形等方法可以显著提高变形镁合金的塑性,本文介绍了以上2种方法改善变形镁合金塑性的最新研究进展。
关键词:变形镁合金;塑性变形;晶粒细化;超塑性中图分类号:T G146 文献标志码:A镁及镁合金是21世纪轻量化材料,其比重轻,比强度和比刚度高,阻尼性、导热性、切削加工性和铸造性好,具有电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富、容易回收等一系列优点,其开发和应用受到越来越多的关注,成了 最年轻的金属结构材料之一[1]。
目前,镁合金的应用主要是以模铸、压铸等工艺生产产品,但产品容易出现晶粒粗大、组织太致密、成分偏析且力学性能偏低等缺陷,不能充分发挥镁合金的性能优势。
与铸造镁合金相比,变形镁合金晶粒细小,无偏析和微观孔洞,具有优良的综合性能以及较高的强度、塑形和韧性。
此外,众多领域所需板材、棒材、管材和型材等重要结构材料只能用塑性成型工艺生产,但是镁合金塑性较差、成形困难及成材率低成为变形镁合金加工与应用的瓶颈,因此改善变形镁合金的塑性成为其应用中急需解决的关键技术之一。
细化晶粒、提高变形温度和超塑性变形可以显著改善镁合金的塑性,是较有前景的塑性改善方法。
本文从以上3个方面介绍了变形镁合金塑性改善的研究进展,并指出塑性变形技术进一步的发展方向。
1 变形镁合金的塑性变形特征镁合金属于密排六方晶体结构,对称性低,室温下滑移系少,塑性变形时只有基面滑移和角锥面孪体质量分数容易偏低。
通过观察,固体质量分数过低,达到工艺范围下限时漆膜会出现缩孔,因此应定期向槽液内补加高浓度颜料浆与树脂,保持电泳漆的固体质量分数在工艺要求范围内,保持在工艺范围的中限较好。
镁合金材料超塑性的研究进展
镁合金是继钢铁和铝合金之后发 展起来的第三类金属结构材料 ,并被称 之为“21 世 纪 绿 色 金 属 结 构 工 程 材 料”[1 ,2 ] 。
由于晶 体 发 生 塑 性 变 形 时 滑 移 面 总是原子排列的最密排面 ,而滑移方向 总是原子排列的最密方向 。因此 ,密排六方结构的多 晶镁 ,其塑性变形在低于 498 K 时仅限于基面{0001} 〈11 20〉滑移及锥面{101 1}〈10 11〉孪生 [3 ,4] 。镁合金 变形时只有 3 个几何滑移系和 2 个独立滑移系 ,与其 它常用金属如铝 、铁 、铜相比 ,镁的滑移系少是造成其 塑性变形能力差的主要原因 。目前 ,大多数镁合金产 品都是用铸造方法生产的 ,很少采用锻压 、轧制 、挤压 等塑性成型方法加工 ,这使镁合金的应用受到了极大 地限制 。为此 , 镁合金超塑成形受到国内外广泛关 注[5] 。 目前 ,超塑成形技术主要用于铝 、钛等合金零件的 生产 ,很少用于镁合金零件的生产[6 ,7] 。因此 ,研究镁 合金超塑性及其成形技术对于扩大镁合金应用范围 、
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铸造技术 FOUNDR Y TEC HNOLO GY
Vol. 26 No . 8 Aug. 2005
镁合金材料超塑性的研究进展
宋佩维1 ,2 ,郭学锋2 ,张忠明2 ,徐春杰2 ,井晓天2
(1. 陕西理工学院机电工程系 ,陕西 汉中 723003 ;2. 西安理工大学材料科学与工程学院 ,陕西 西安 710048)
摘要 :综述了镁合金超塑变形的机理与特点 ,评述镁合金超塑性研究现状 ,指出了细晶超塑性 、大晶粒超塑性 、高应变速率超 塑性和低温超塑性是镁合金超塑性研究的重点和发展方向 。 关键词 :镁合金 ;超塑性 ;研究现状 ;发展方向 中图分类号 : T G146. 2 + 2 ; T G113. 25 + 3 文献标识码 :A 文章编号 :100028365 (2005) 0820664203
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图 5 340 ℃不同应变速率下拉伸试件相片
有明显的颈缩产生 , 呈现出典型的超塑性变形特征 , 整个过程是一个颈缩位置不断转移和交替的过程 。
图 4 是 340 ℃下应变速率 ε·分别为 5156 ×10 - 2 s - 1 、5156 ×10 - 3s - 1和 5156 ×10 - 4s - 1时的真实应力 - 应变曲线 。从不同应变速率条件下的曲线中可以 看出 , 当 ε· = 5156 ×10 - 3 s - 1和 5156 ×10 - 2 s - 1真应 变达到 0105 时 , 流动应力随着应变的增加而增加 , 此后流动应力随着应变的增加而明显减小 , 这种现 象表明了初始的应变硬化仅限制在一个特定的应变 范围进行 , 接着直至断裂前的过程中则发生了应变 软化 。而当应变速率ε· = 5156 ×10 - 4 s - 1时材料经历 了相当长的准稳态流变阶段 , 此时的应变硬化和软 化作用之间达到了平衡 。应变硬化现象是由于超塑 性变形过程中材料晶粒长大引起的 , 随后高温下的 动态再结晶作用使得应变软化发生 。当应变速率不
关键词 超塑性 镁合金 应变速率
Research on superplasticity of MB15 magnesium alloy sheet
Harbin Institute of Technology Ding Shui Yu Yandong Zhang Kaifeng
Abstract The research was carried out on t he superplasticity of rolled magnesium alloy ( MB15) in t his paper1 At
图 6 是 340 ℃不同应变速率下拉伸至断裂时晶 粒尺寸的相片 , ε·分别取 5156 ×10 - 4 s - 1 、5156 × 10 - 3s - 1 、5156 ×10 - 2 s - 1 , 平 均 晶 粒 尺 寸 依 次 为 1316μm 、915μm 和 613μm 。合金在最佳超塑性变形 条件下晶粒始终保持着近似等轴情况 , 同时晶粒尺 寸发生了变化 。按照现有的文献研究[4 ] : 影响晶粒 尺寸的主要因素有两种 , 一是变形温度 , 二是应变 量 , 两者均会使晶粒发生粗化 。对于镁合金而言 , 这两个因素 (特别是温度) 会影响 MgZn 在固溶体 中的溶解度 , 进而影响晶粒粗化的控制作用 。由图 6 可知 , 应变速率对其也有一定的影响 , 速率越低 , 晶粒越容易粗化 ; 速率越高 , 晶粒反而会细化 。这 可能是因为应变速率较高时相应的流动应力较高 , 动态再结晶容易发生的缘故 。
图 6 340 ℃不同应变速率下拉伸件的显微组织 (a) ε·= 5156 ×10 - 4s - 1 , (b) ε·= 5156 ×10 - 3s - 1 ,
(c) ε·= 5156 ×10 - 2s - 1
三 பைடு நூலகம்结论
(1) 对于晶粒度为 519μm 的轧制态 MB15 镁合 金 , 在 280 ～ 400 ℃较宽的温度范围和 ε· = 5156 × 10 - 4s - 1～5156 ×10 - 2 s - 1 的初始应变速率范围内均 能呈现超塑性 。在最佳变形条件 340 ℃, 应变速率ε· = 5156 ×10 - 4 s - 1 时 , 应变 速 率 敏 感 指 数 m 值 为 0151 , 延伸率δ为 415 % , 流动应力σ仅为 11M Pa 。 观察试件无明显颈缩 , 在变形过程中保持了均匀变 形。
(2) 在 340 ℃时的真实应力 —应变曲线中 , 可 以明显地观察到应变硬化和应变软化现象 , 其中以 应变速率ε· = 5156 ×10 - 4s - 1时最为明显 。
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(3) 试件在 340 ℃不同应变速率下超塑拉伸时 , 晶粒尺寸发生变化 。随应变速率的提高 , 晶粒会发 生细化 。
参考文献
二 、MB15 镁合金的超塑性能试验
11 材料及试样 试验所用材料为商业镁合金 MB15 铸造坯料 ,
3 女 , 24 岁 , 硕士研究生 收稿日期 : 2002206220
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属于 Mg - Zn - Zr 系列 , 其室温组织为α- Mg 单相 固溶体 、少量的 MgZn 质点和α- Zr 质点所组成 , 化学成分及机械性能见表 1 、表 2 。在 623 K 温度 下 , 挤压成厚 20mm 的板材后 , 加热至 603 K , 保温 1h , 以每道次 5 %～10 %的压下量进行轧制 , 道次 中间保温 20min , 得到最终厚度为 1mm 的板材 , 使 晶粒得到充分细化 。光学显微镜的观察结果表明 (如 图 1 ) , 晶 粒 基 本 上 是 等 轴 的 , 平 均 尺 寸 为 519μm , 存在数量多而又短的晶粒边界 , 可以实现 超塑变形时晶粒间的滑移与转动 , 具有超塑性所要 求组织条件 。
现超塑性流变[3 ] 。根据镁合金系呈现超塑性的一般
温度速度范围以及试验使用设备的限制 , 选取本次 试验温度变化范围为 200 ℃～420 ℃, 应变速率 ε· = 5156 ×10 - 4 s - 1 ～5156 ×10 - 2 s - 1 。为探求 MB15 合 金的最佳超塑性范围 , 首先取温度间隔 20 ℃, 以恒 定的应变速率 ε· = 5156 ×10 - 4 s - 1进行变温拉伸 , 测 定出每一温度下拉伸时的流动应力 σmax 和延伸率 δmax ; 确定出超塑性最佳温度范围后进行变应变速
2 T Mohri , M Mabuchi , M Nakamura etc1 Microstructural evolution and superplasticity of rolled Mg - 9Al - 1Zn1 Materials Science and Engineering1 2000 , 290 (1 - 2) : 139～144
21 试验设备 超塑性拉伸试验在日产岛津 DSS210 T2S 型电子
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
图 2 340 ℃流动应力 σ与应变速率敏感指数 m 随应变速率ε·的变化曲线
Keywords Superplasticity Magnesium alloy Strain rate
一 、引言
工业应用的众多结构材料中 , 镁合金因其密度 低 , 比强度 、比刚度和比弹性模量高 , 耐冲击以及 切削加 工 性 能 好 等 特 点 成 为 了 重 要 的 商 用 轻 质 材 料[1 ] 。特别是市场对降低能源消耗和减少污染提出 了更迫切的要求后 , 镁合金的可循环使用性能逐渐 吸引了人们的注意力 。现如今镁合金广泛应用于航 空 、航海等工业部门 。但由于它的密排六方结构使 得成形性能较差[2 ] , 对塑性成形方法要求苛刻 , 因 此研究镁合金的超塑性成形条件 , 无疑对该合金的 扩大应用和提高其技术经济效益都是有利的 。本文 主要研究了 MB15 镁合金的超塑性 , 并分析了相关 参数随工艺条件的变化规律 。
340 ℃and strain rate of 5156 ×10 - 4s - 1 , t he alloy exhibits high elongation of 415 % , low flow stress of 11 MPa and t he sensitivity coefficient of strain rate of 01511 Moreover , t he effect of strain rate on t he superplasticity and t he grain size under t he superplastic temperature was carefully analyzed1
图 3 则显示了 340 ℃时延伸率的变化情况 。随
图 3 340 ℃延伸率δ随应变速率ε·的变化曲线
图 4 340 ℃真实应力 —应变曲线
着应变速率的升高 , 延伸率 δ明显下降 , 当应变速 率ε· = 5156 ×10 - 4s - 1时延伸率达到了最大值 415 %。 由此可见 , m 值较大处获得的延伸率也较大 , 两者 的变化趋势是一一对应的 。
1 H Watanabe , T Mukai , M Kohzu , S Tanabe etc1 Effect of Tempera2 ture and Grain Size on The Dominant Diffusion Process for Superplas2 tic Flow in An AZ61 Magnesium Alloy1 Acta mater1 1999 , 47 (14) : 3753～3758
由图 2 所知 : 在温度为 340 ℃时 , 流动应力 σ 随着应变速率的增加而单调递增 , 当应变速率 ε· = 5156 ×10 - 4 s - 1 时材料具有最低的应力值 11M Pa ; 与此同时应变速率敏感指数 m 则随着应变速率的增 加而减小 , 同样当应变速率为 ε· = 5156 ×10 - 4 s - 1时 得到了材料的最大敏感指数 0151 。从图中很容易看 出 , MB15 的最低流动应力是和最大应变速率敏感 指数相对应的 。
图 1 MB15 镁合金原始组织照片
拉力机上进行 , 压头速度在 015～50 mm/ min 范围 内连续可调 , 加热炉由电阻丝供热 , 3 组热电偶实 行上 、中 、下三段测温并自动控温 , 温差 ≤±2 ℃, 炉内等温区长达 200 mm 。
31 试验结果与分析 轧制态 MB15 合金可直接进行超塑变形 , 通过 变形初期的动态再结晶获得微细等轴晶粒组织而实