鎂合金超塑性

1、鎂合金超塑性 報告人： 鎂合金超塑性 鎂Mg 密度1.74g/cm3，（純鋁：2.702g/cm3） 熔點648.8。 沸點1107。 化合價+2， 電離能7.646eV 晶體結(jié)構(gòu)密排六方 鎂合金 鑄造鎂合金 變形鎂合金 變形鎂合金變形鎂合金：一般是指可用擠壓、軋制、鍛造等塑性成形方法加工成形的鎂合金。 2014/12/02 2 鎂及鎂合金的概述 鎂合金超塑性 n變形鎂合金的力學(xué)性能明 顯優(yōu)于鑄造鎂合金。 n研究表明，鎂合金在熱變 形（如擠壓、軋制、鍛造 等）后組織得到明顯細(xì)化， 鑄造組織缺陷被消除，從 而產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能大 大提高。 2014/12/02 3鎂合金超塑性 4 2014/12

2、/02鎂合金超塑性 5 2014/12/02 在民用機和軍用飛機尤其是轟炸機廣泛使用鎂合金制品。著名的美國美國B-52B-52轟炸機轟炸機的機 身部分就使用了鎂合金板材635公斤，擠壓件90公斤，鑄件超過200公斤。 目前,AZ31B鎂合金在汽車上的應(yīng)用也很廣泛。如離合器殼體、閥蓋、變速箱體氣缸蓋、 空調(diào)機外殼等。為了在汽車受到撞擊后提高吸收沖擊力和輕量化，在方向盤和坐椅上 使用鎂合金。根據(jù)有關(guān)研究,汽車所用燃料的60%是消耗于汽車自重, 所以減輕汽車重量 對環(huán)境和能源的影響非常大，汽車的輕量化成必然趨勢。 AZ31B鎂合金按制造工藝鎂合金可分為兩大類：變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄 造鎂合金在室

3、溫和高溫下具有良好的機械性能機械性能，AZ31B鑄造鎂合金主要用于汽 車零件、機件殼罩和通信設(shè)備等。與鑄造鎂合金相比，AZ31B變形鎂合金具有 更高的強度、更好的塑性更高的強度、更好的塑性，主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。 鎂合金超塑性 6 2014/12/02鎂合金超塑性 7 2014/12/02 在民用機和軍用飛機尤其是轟炸機廣泛使用鎂合金制品。著名的美國美國B-52B-52轟炸機轟炸機的機 身部分就使用了鎂合金板材635公斤，擠壓件90公斤，鑄件超過200公斤。 目前,AZ31B鎂合金在汽車上的應(yīng)用也很廣泛。如離合器殼體、閥蓋、變速箱體氣缸蓋、 空調(diào)機外殼等。為了在汽車受到撞擊后提高吸收沖

4、擊力和輕量化，在方向盤和坐椅上 使用鎂合金。根據(jù)有關(guān)研究,汽車所用燃料的60%是消耗于汽車自重, 所以減輕汽車重量 對環(huán)境和能源的影響非常大，汽車的輕量化成必然趨勢。 AZ31B鎂合金按制造工藝鎂合金可分為兩大類：變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄 造鎂合金在室溫和高溫下具有良好的機械性能機械性能，AZ31B鑄造鎂合金主要用于汽 車零件、機件殼罩和通信設(shè)備等。與鑄造鎂合金相比，AZ31B變形鎂合金具有 更高的強度、更好的塑性更高的強度、更好的塑性，主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。 鎂合金超塑性 大多數(shù)鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu) 塑性變形的主要方式是滑移和孿生 一個滑移面 三個滑移方向 實質(zhì)只有兩個獨立滑移系

5、 滑移系少少 決定了鎂合金的塑性差， 變形加工能力有限 2014/12/02 8鎂合金超塑性 超塑性的概述 n通常認(rèn)為 , 超塑性是指材料在拉伸條件下 , 表現(xiàn)出異常高的伸長率而 不產(chǎn)生縮頸與斷裂的現(xiàn)象。通常 , 當(dāng)伸長率 A 10 0 % 時即可稱為 超塑性 , A 的范圍可從 100 % 300 %, 有的甚至達到百分之幾千。也 有人用應(yīng)變速率敏感性指數(shù) m 來定義超塑性 , 當(dāng)材料的 m 0 . 3時 , 材料即具有超塑性 。 n材料在超塑性狀態(tài)下典型的宏觀變形特征表現(xiàn)為大變形 、小應(yīng)力 、 無頸縮及易成形等。 n鎂合金超塑性變形是利用鎂合金在一定條件(溫度、變形速度、組織 等)下的超塑

6、性特性進行大變形成形的加工方式。 2014/12/02 9鎂合金超塑性 n 相變超塑性又稱為轉(zhuǎn)變超塑性或動態(tài)超塑性 , 是指金屬材料在一定相變溫度范 圍內(nèi)和載荷作用下 , 經(jīng)過多次循環(huán)相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，使金屬原子發(fā)生劇烈 運動而呈現(xiàn)超塑性。相變超塑性不要求材料具有微細(xì)等軸晶粒相變超塑性不要求材料具有微細(xì)等軸晶粒 , 但要求具有固 態(tài)相變 , 變形溫度需頻繁變化 , 給實際應(yīng)用帶來困難 , 故應(yīng)用受到限制 。在這 方面 , 鋼鐵 、鈦合金 、銅合金研究的比較多。 n 組織超塑性又稱為恒溫超塑性恒溫超塑性或微細(xì)晶粒超塑性微細(xì)晶粒超塑性或結(jié)構(gòu)超塑性結(jié)構(gòu)超塑性 , 它要求材料具具 有微細(xì)的等軸晶組織

7、有微細(xì)的等軸晶組織 , 在一定的溫度區(qū)間( Ts 0 . 5 Tm , Ts 和 Tm 分別是超 塑性變形的絕對溫度和材料熔點的絕對溫度) 和一定的變形速率條件下( 應(yīng)變 速率在 10-4 10-1s- 1之間) 呈現(xiàn)超塑性 。 n 因此 , 初始組織具有微細(xì)晶粒尺寸微細(xì)晶粒尺寸 , 以及所需的高溫高溫 、 低速低速是獲得良好結(jié)構(gòu) 超塑性的三個必要條件 。 n 一般來說，晶粒越細(xì)小則越有利于超塑性的發(fā)展，當(dāng)晶粒細(xì)化至1um以下時， 甚至在較低溫度和較高應(yīng)變速率條件下也可能獲得良好的超塑性。 2014/12/02 10 按照實現(xiàn)超塑性的條件和變形特點的不同 組織超塑性 相變超塑性 鎂合金超塑性

8、鎂合金超塑性變形機制及特點 n人們普遍認(rèn)為 , 晶界滑動( grain boundary sliding ,GBS ) 是超塑性變形的 主要機制,其基本原理是單個晶粒作為變形中的基本單元 , 通過其界面 的相互滑動而實現(xiàn)晶粒的換位及移動 。 n由于鎂合金超塑性變形過程中晶界滑移的激活能稍高于晶界擴散和晶 格擴散的活化能 , 其晶界滑移總會在三叉晶界處或材料增強相與基體 的相界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生應(yīng)力集中使得晶界滑移受阻 , 從而導(dǎo)致 空隙和重疊產(chǎn)生 , 因此鎂合金在超塑性變形中存在對晶界的滑動起協(xié) 調(diào)和補償作用的機制 , 如原子與空穴的擴散及位錯的運動等 。 n但一種理論僅能解釋超塑性變形中的

9、一部分現(xiàn)象 , 還沒有得到一個統(tǒng) 一的理論能對超塑性現(xiàn)象做出完整的解釋。 2014/12/02 11鎂合金超塑性 1 1、擴散蠕變調(diào)節(jié)的、擴散蠕變調(diào)節(jié)的晶界晶界滑移滑移機制機制 2 2、位錯運動調(diào)節(jié)晶界滑移機制、位錯運動調(diào)節(jié)晶界滑移機制 3 3、液相輔助晶界滑移協(xié)調(diào)機制、液相輔助晶界滑移協(xié)調(diào)機制 4、空洞協(xié)調(diào)晶界滑移機制 5、動態(tài)再結(jié)晶協(xié)調(diào)晶界遷移機制 2014/12/02 12 幾種有代表性的模型和機制：幾種有代表性的模型和機制： 鎂合金超塑性 13 2014/12/02 擴散蠕變又叫空位蠕變。該理論認(rèn)為在超塑性變形時，材料內(nèi)部存在著大量的 過飽和空位，因而應(yīng)力梯度所引起的空位擴散流可以成為

10、超塑性變形的主要形 式。擴散蠕變包括晶界擴散和晶內(nèi)擴散。對于晶內(nèi)晶界擴散共同調(diào)節(jié)的晶界 滑移模型是由Ashby等人于1973年提出的。如圖 擴散蠕變調(diào)節(jié)的晶界滑移機制 鎂合金超塑性 14 2014/12/02 數(shù)個晶粒組成的兩個晶粒群，沿晶界滑移時，遇到障礙晶粒，滑 移被迫停止。受阻處應(yīng)力集中導(dǎo)致障礙晶粒內(nèi)位錯開動，位錯通 過晶粒內(nèi)部塞積在對面晶界上，產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力達到某個數(shù) 值時，促使塞積的前端位錯沿晶界攀移而消失，晶界滑動又再次 發(fā)生。 位錯運動調(diào)節(jié)晶界滑移機制 鎂合金超塑性 15 2014/12/02 液相輔助晶界滑移協(xié)調(diào)機制 n 高應(yīng)變速率超塑性材料在晶界上總會含有一些低熔點物質(zhì)，

11、而這些材 料達到最大伸長率的溫度常常接近這些低熔點物質(zhì)局部熔化的溫度。 n 由于晶界滑移所產(chǎn)生的應(yīng)力集中不能及時通過擴散流動或位錯移動協(xié) 調(diào)，在相界面處會產(chǎn)生空洞，而晶界液相可有效消除應(yīng)力集中，阻止 微裂紋形成，使材料獲得超塑性。 n 一般來說，晶界滑移不能被擴散和位錯充分協(xié)調(diào)時，液相起輔助協(xié)調(diào) 作用。 鎂合金超塑性 16 2014/12/02 大大晶粒鎂合金超塑性機理晶粒鎂合金超塑性機理 早期的超塑性理論認(rèn)為，超塑性是細(xì)晶材料（金屬晶粒尺寸10um，陶瓷 晶粒尺寸1um）在恒溫變形時所表現(xiàn)的特征。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)某些 合金雖是大晶粒，但當(dāng)存在穩(wěn)定的微米尺寸的亞晶粒微米尺寸的亞晶粒時亦可顯

12、示一定的超 塑性。許多材料如Mg、Al合金不經(jīng)過細(xì)化晶粒也能在一定程度上呈現(xiàn)超塑 性。 鎂合金超塑性 17 2014/12/02 大晶粒超塑性的變形機理為連續(xù)動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶連續(xù)動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，即： n 通過位錯的滑移和攀移，形成位錯墻和位錯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成亞晶界，原始大晶 粒被分隔成無數(shù)細(xì)小的亞晶粒。 n 不穩(wěn)定的亞晶界在超塑性變形過程中不斷吸收晶內(nèi)滑移和攀移位錯。亞晶 界位錯密度不斷增高，位向差不斷增大，加上亞晶界的轉(zhuǎn)動、滑動和遷移， 部分亞晶界在變形過程逐步向小角度以至大角度晶界演變。因而隨著變形 量的增加，小角度晶界所占比例逐漸增大，大角度晶界數(shù)量也逐漸增加， 而總的晶界數(shù)量也隨變形量的增

13、加而不斷增加。（亞晶界晶界） n 大晶粒金屬在拉伸變形過程中一般具有很長的穩(wěn)態(tài)流變階段穩(wěn)態(tài)流變階段，即具有很長 的應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化保持動態(tài)平衡的階段。塑性變形是通過位錯的滑移 和攀移進行的，而亞晶界的遷移、滑動和轉(zhuǎn)動起到協(xié)調(diào)變形的作用，造成 了材料在宏觀上的超塑性。 n 變形變形后晶粒顯著細(xì)化后晶粒顯著細(xì)化是大晶粒金屬超塑性變的普遍特征。 鎂合金超塑性 第一，鎂合金超塑性變形的初始階段會有動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生有動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。動態(tài)再結(jié)晶 不僅細(xì)化了晶粒，而且使組織中的大角度晶界增加，更有利于晶界滑移， 從而為超塑性變形創(chuàng)造了組織條件。另外鎂合金超塑性變形的應(yīng)變速率敏 感程度會隨著動態(tài)再結(jié)晶的進

14、行而增加，從而在一定程度上抑制了局部頸 縮的形成。同時，由于在鎂合金中原子晶界擴散系數(shù)比較高，因此鎂合金 晶界上的位錯塞積容易被吸收到晶粒內(nèi)部，使鎂合金超塑性變形過程中的 動態(tài)再結(jié)晶更加容易進行。 第二，變形速度變形速度對鎂合金超塑性變形的影響較大。鎂合金在低變形速度下 變形時比在較高變形速度下更能完整地完成軟化作用。較高的變形速會阻 礙這種軟化作用而引起變形抗力升高，其結(jié)果是導(dǎo)致伸長率下降。 2014/12/02 18 與其他合金超塑性變形相比，鎂合金超塑性變形有以下幾個與其他合金超塑性變形相比，鎂合金超塑性變形有以下幾個特點特點： 鎂合金超塑性 19 2014/12/02 第三，大晶粒鎂合

15、金超塑性大晶粒鎂合金超塑性 一般而言，金屬的超塑性變形要求金屬的晶 粒尺寸不超過10um，但是鎂合金超塑性變形可以超越此限制，甚至在高 出一個數(shù)量級的情況下也可能發(fā)生超塑性，有文獻指出晶粒尺寸為300um 的AZ31合金在溫度為773K，應(yīng)變速率為110-3 S-l條件下可以獲得320%的 伸長率，晶粒在變形過程中也細(xì)化到了25um，這對于鎂合金的工業(yè)應(yīng)用 具有很大的意義。 第四，高溫高溫是鎂合金發(fā)生超塑性變形的條件之一，溫度較高的時候，晶 界上低熔點相會部分熔化，晶界上的固液共存相在高溫下為黏性物質(zhì)。 它在晶粒或顆?；七^程中起了有效的協(xié)調(diào)作周，促進晶?；七^程進 行。但是溫度也不宜過高，隨

16、溫度的升高，晶界強度降低，晶粒長大速 度進一步加快，從而使材料內(nèi)部變形的協(xié)調(diào)過程難以進行，使材料在晶 界處容易產(chǎn)生空洞而引發(fā)斷裂。 鎂合金超塑性 超塑性鎂合金的制備工藝 一、等徑角擠壓（ECAE） 所謂ECAE法，就是通過兩個 軸線相交且截面尺寸相等的 通道，將被加工材料擠出。 因通道的轉(zhuǎn)角作用，在加工 過程中材料發(fā)生剪切變形， 使變形材料產(chǎn)生大的剪切應(yīng) 變，并由此導(dǎo)致位錯的重排 從而使晶粒得到細(xì)化。 2014/12/02 20鎂合金超塑性 由圖可知，在兩通道入口直壁部分， 材料受頂桿壓力的作用并受到模腔的 限制而處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。 在變形初始階段，即從A點所在滑移線 處，晶粒開始受到剪切力

17、的作用而隨 著變形的發(fā)展，在剪切應(yīng)力的作用下， 晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動與剪切變形，從而引起 材料組織結(jié)構(gòu)的變化，即晶粒尺寸的 變化和新的織構(gòu)的形成。 在變形終了階段，即出口直壁段，模 具壁的摩擦作用使材料表面受到剪切 力，但在該階段晶粒已經(jīng)不再發(fā)生變 形。 2014/12/02 21鎂合金超塑性 對 ECAE一般而言，擠壓溫度越低，速度越快，則晶粒越細(xì)小， 這是因為在較低溫度快速擠壓時，再結(jié)晶晶粒難以長大。但溫 度過低或速度過快時，鎂合金的塑性得不到充分發(fā)揮，擠壓過 程中試樣容易出現(xiàn)裂紋，且在應(yīng)變較小或有第二相存在的局部 區(qū)域，動態(tài)再結(jié)晶難以進行，從而細(xì)晶組織中往往會夾雜少量 粗大等軸晶粒組織。提高擠壓

18、溫度能夠提高組織均勻性，但容 易導(dǎo)致晶粒粗化。因此，應(yīng)采取低溫低溫多道次多道次的擠壓工藝，以獲 得細(xì)小而均勻的組織。 2014/12/02 22鎂合金超塑性 二、熱機處理 n 鎂合金經(jīng)過冷軋變形冷軋變形后，在基體合金中留下了大量位錯和畸變能，在超塑性變形的 高溫環(huán)境下發(fā)生再結(jié)晶形核，且基體中彌散的顆粒有效地阻止了再結(jié)晶晶粒的長大， 從而使晶粒變得更加細(xì)小。 n 溫軋溫軋變形變形后的合金，一方面，變形亞晶為再結(jié)晶形核提供了有利的組織條件，保證 有足夠多的再結(jié)晶形核點；另一方面，溫軋形成的高貯能區(qū)和高貯能梯度的變形結(jié) 構(gòu)，為合金的再結(jié)晶形核提供能量基礎(chǔ)，使大多數(shù)再結(jié)晶形核點易于激活。合金達 到再結(jié)

19、晶溫度后，再結(jié)晶形核率很高，超塑變形前可以獲得微細(xì)的晶粒組織。 n 熱機處理后的基體內(nèi)彌散分布著大量小顆粒，另外，脆性大的質(zhì)點溫軋后也變成小 顆粒狀態(tài)彌散分布于基體內(nèi)。合金在超塑變形溫度下，大顆粒質(zhì)點開始溶解，基體 內(nèi)第二相粒子細(xì)小，容易在晶界處聚集，通過釘扎晶界或亞晶界，對再結(jié)晶后晶粒 的長大產(chǎn)生強烈的抑制作用，保證了合金細(xì)晶組織在超塑變形過程中的熱穩(wěn)定性。 2014/12/02 23鎂合金超塑性 鎂合金的超塑性氣脹成形 此法是將壓縮氣體以導(dǎo)道通入模具中，利用氣壓將超塑性板材吹入凹模成 形，零件外形由凹模形狀決定。使用此法成形可使用單一凹模，節(jié)省模子 設(shè)計及制造費用。并可以一次完全成形，減少

20、加工次數(shù)，節(jié)省工作時間。 在鎂合金氣脹成形過程中，氣壓一般控制在0.21.0 MPa之間，溫度則設(shè) 定573773 K之間。 2014/12/02 24 鎂合金的幾種超塑性加工方式 鎂合金超塑性 在超塑性壓縮過程中，最佳超塑性壓縮變 形溫度要比拉伸變形高50-80，壓縮時達 到穩(wěn)定流動階段的流動應(yīng)力要比拉伸變形 大28倍。利用超塑性壓縮加工成形相對 于一般壓縮加工而言，壓力降低很多，只 需要低噸位的設(shè)備和能量。 超塑性壓縮 2014/12/02 25 超塑性擴散連接(SPFDB)是利用高 溫下材料表面的局部超塑性氣脹成形 而使接觸面貼緊，以保證連接表面層 上的互擴散，產(chǎn)生原子量級上的結(jié)合， 而

21、獲得整體的接頭技術(shù)。 鎂合金超塑性 超塑性鎂合金的發(fā)展方向 從鎂合金研究熱潮和鎂合金的潛力來看，鎂合金在國防、民用工業(yè)上的 廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。超塑性鎂合金要真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化， 那么必須達到經(jīng)濟、實用的要求，可以預(yù)計，將來的超塑性鎂合金 從性能上應(yīng)該朝著低溫和高應(yīng)變速率低溫和高應(yīng)變速率的方向發(fā)展； 從工業(yè)生產(chǎn)的角度來看，應(yīng)該朝著低成本化低成本化的方向發(fā)展； 從工藝上來看，應(yīng)該朝著安全化和環(huán)?；踩铜h(huán)保化的方向發(fā)展。 2014/12/02 26鎂合金超塑性 低溫超塑性鎂合金低溫超塑性鎂合金材料：材料： 低溫超塑性是指在熔點一半以下的溫度(鎂合金為473 K)仍具有超塑性。 多年來大量的研究表明，除非采用快速凝固和大變形使晶粒充分細(xì)化 以降低反向應(yīng)力并通過晶界滑動以增強晶體旋轉(zhuǎn)，否則結(jié)構(gòu)鎂合金室 溫變形總呈孿生傾向。鎂合金一般在高溫下才會顯示出優(yōu)良的超塑性， 而高溫加工必然對可操作性和模具壽命都造成極為不利的影響，所以 低溫超塑性是鎂合金超塑性發(fā)展的一個重要方向。 2014/12/02 27鎂合金超塑性 高應(yīng)變速率超塑性是近年來超塑性研究領(lǐng)域的一個新方向。大部 分高應(yīng)變速率超塑性材料是鋁合金，但是最近的