鎂合金超塑性

鎂合金超塑性鎂Mg密度1.74g/cm3，（純鋁：2.702

g

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cm3）熔點648.8℃。沸點1107℃?；蟽r+2，電離能7.646eV晶體結構密排六方鎂合金鑄造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。2014/12/022鎂及鎂合金的概述變形鎂合金的力學性能明顯優(yōu)于鑄造鎂合金。研究表明，鎂合金在熱變形（如擠壓、軋制、鍛造等）后組織得到明顯細化，鑄造組織缺陷被消除，從而產(chǎn)品的綜合力學性能大大提高。2014/12/02342014/12/02知識小鏈接52014/12/02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B-52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用也很廣泛。如離合器殼體、閥蓋、變速箱體氣缸蓋、空調機外殼等。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，AZ31B鑄造鎂合金主要用于汽車零件、機件殼罩和通信設備等。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，主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。62014/12/0272014/12/02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B-52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用也很廣泛。如離合器殼體、閥蓋、變速箱體氣缸蓋、空調機外殼等。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，AZ31B鑄造鎂合金主要用于汽車零件、機件殼罩和通信設備等。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，主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。大多數(shù)鎂合金具有密排六方結構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只有兩個獨立滑移系滑移系少決定了鎂合金的塑性差，變形加工能力有限2014/12/028超塑性的概述通常認為,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,當伸長率A≥100%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。也有人用應變速率敏感性指數(shù)m來定義超塑性,當材料的m>0.3時,材料即具有超塑性。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、小應力、無頸縮及易成形等。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)下的超塑性特性進行大變形成形的加工方式。2014/12/029相變超塑性又稱為轉變超塑性或動態(tài)超塑性,是指金屬材料在一定相變溫度范圍內和載荷作用下,經(jīng)過多次循環(huán)相變或同素異構轉變，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,給實際應用帶來困難,故應用受到限制。在這方面,鋼鐵、鈦合金、銅合金研究的比較多。組織超塑性又稱為恒溫超塑性或微細晶粒超塑性或結構超塑性,它要求材料具有微細的等軸晶組織

,在一定的溫度區(qū)間(Ts≥0.5Tm,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(應變速率在10-4～10-1s-1之間)呈現(xiàn)超塑性。因此,初始組織具有微細晶粒尺寸,以及所需的高溫、低速是獲得良好結構超塑性的三個必要條件。

一般來說，晶粒越細小則越有利于超塑性的發(fā)展，當晶粒細化至1um以下時，甚至在較低溫度和較高應變速率條件下也可能獲得良好的超塑性。2014/12/0210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變形機制及特點人們普遍認為,晶界滑動(grainboundarysliding,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。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)生應力集中，產(chǎn)生應力集中使得晶界滑移受阻,從而導致空隙和重疊產(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)調和補償作用的機制,如原子與空穴的擴散及位錯的運動等。但一種理論僅能解釋超塑性變形中的一部分現(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。2014/12/02111、擴散蠕變調節(jié)的晶界滑移機制2、位錯運動調節(jié)晶界滑移機制3、液相輔助晶界滑移協(xié)調機制4、空洞協(xié)調晶界滑移機制5、動態(tài)再結晶協(xié)調晶界遷移機制2014/12/0212幾種有代表性的模型和機制：132014/12/02擴散蠕變又叫空位蠕變。該理論認為在超塑性變形時，材料內部存在著大量的過飽和空位，因而應力梯度所引起的空位擴散流可以成為超塑性變形的主要形式。擴散蠕變包括晶界擴散和晶內擴散。對于晶內—晶界擴散共同調節(jié)的晶界滑移模型是由Ashby等人于1973年提出的。如圖擴散蠕變調節(jié)的晶界滑移機制142014/12/02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。受阻處應力集中導致障礙晶粒內位錯開動，位錯通過晶粒內部塞積在對面晶界上，產(chǎn)生應力集中。應力達到某個數(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。位錯運動調節(jié)晶界滑移機制152014/12/02液相輔助晶界滑移協(xié)調機制高應變速率超塑性材料在晶界上總會含有一些低熔點物質，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局部熔化的溫度。由于晶界滑移所產(chǎn)生的應力集中不能及時通過擴散流動或位錯移動協(xié)調，在相界面處會產(chǎn)生空洞，而晶界液相可有效消除應力集中，阻止微裂紋形成，使材料獲得超塑性。一般來說，晶界滑移不能被擴散和位錯充分協(xié)調時，液相起輔助協(xié)調作用。162014/12/02大晶粒鎂合金超塑性機理早期的超塑性理論認為，超塑性是細晶材料（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，但當存在穩(wěn)定的微米尺寸的亞晶粒時亦可顯示一定的超塑性。許多材料如Mg、Al合金不經(jīng)過細化晶粒也能在一定程度上呈現(xiàn)超塑性。172014/12/02大晶粒超塑性的變形機理為連續(xù)動態(tài)回復與再結晶，即：通過位錯的滑移和攀移，形成位錯墻和位錯網(wǎng)絡，構成亞晶界，原始大晶粒被分隔成無數(shù)細小的亞晶粒。不穩(wěn)定的亞晶界在超塑性變形過程中不斷吸收晶內滑移和攀移位錯。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)量也隨變形量的增加而不斷增加。（亞晶界晶界）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，即具有很長的應變硬化與應變軟化保持動態(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、滑動和轉動起到協(xié)調變形的作用，造成了材料在宏觀上的超塑性。變形后晶粒顯著細化是大晶粒金屬超塑性變的普遍特征。第一，鎂合金超塑性變形的初始階段會有動態(tài)再結晶的發(fā)生。動態(tài)再結晶不僅細化了晶粒，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變速率敏感程度會隨著動態(tài)再結晶的進行而增加，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部，使鎂合金超塑性變形過程中的動態(tài)再結晶更加容易進行。第二，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，其結果是導致伸長率下降。2014/12/0218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：192014/12/02第三，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，應變速率為1×10-3S-l條件下可以獲得320%的伸長率，晶粒在變形過程中也細化到了25um，這對于鎂合金的工業(yè)應用具有很大的意義。

第四，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。它在晶?；蝾w粒滑移過程中起了有效的協(xié)調作周，促進晶粒滑移過程進行。但是溫度也不宜過高，隨溫度的升高，晶界強度降低，晶粒長大速度進一步加快，從而使材料內部變形的協(xié)調過程難以進行，使材料在晶界處容易產(chǎn)生空洞而引發(fā)斷裂。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)生大的剪切應變，并由此導致位錯的重排從而使晶粒得到細化。2014/12/0220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的作用而隨著變形的發(fā)展，在剪切應力的作用下，晶粒發(fā)生轉動與剪切變形，從而引起材料組織結構的變化，即晶粒尺寸的變化和新的織構的形成。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。2014/12/0221對ECAE一般而言，擠壓溫度越低，速度越快，則晶粒越細小，這是因為在較低溫度快速擠壓時，再結晶晶粒難以長大。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，且在應變較小或有第二相存在的局部區(qū)域，動態(tài)再結晶難以進行，從而細晶組織中往往會夾雜少量粗大等軸晶粒組織。提高擠壓溫度能夠提高組織均勻性，但容易導致晶粒粗化。因此，應采取低溫多道次的擠壓工藝，以獲得細小而均勻的組織。2014/12/0222二、熱機處理鎂合金經(jīng)過冷軋變形后，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)生再結晶形核，且基體中彌散的顆粒有效地阻止了再結晶晶粒的長大，從而使晶粒變得更加細小。溫軋變形后的合金，一方面，變形亞晶為再結晶形核提供了有利的組織條件，保證有足夠多的再結晶形核點；另一方面，溫軋形成的高貯能區(qū)和高貯能梯度的變形結構，為合金的再結晶形核提供能量基礎，使大多數(shù)再結晶形核點易于激活。合金達到再結晶溫度后，再結晶形核率很高，超塑變形前可以獲得微細的晶粒組織。熱機處理后的基體內彌散分布著大量小顆粒，另外，脆性大的質點溫軋后也變成小顆粒狀態(tài)彌散分布于基體內。合金在超塑變形溫度下，大顆粒質點開始溶解，基體內第二相粒子細小，容易在晶界處聚集，通過釘扎晶界或亞晶界，對再結晶后晶粒的長大產(chǎn)生強烈的抑制作用，保證了合金細晶組織在超塑變形過程中的熱穩(wěn)定性。2014/12/0223鎂合金的超塑性氣脹成形此法是將壓縮氣體以導道通入模具中，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)省模子設計及制造費用。并可以一次完全成形，減少加工次數(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0.2～1.0MPa之間，溫度則設定573～773K之間。2014/12/0224鎂合金的幾種超塑性加工方式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力要比拉伸變形大2~8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，只需要低噸位的設備和能量。超塑性壓縮2014/12/0225超塑性擴散連接(SPF／DB)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)生原子量級上的結合，而獲得整體的接頭技術。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)上的廣泛應用已經(jīng)成為不可逆轉的趨勢。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，可以預計，將來的超塑性鎂合金從性能上應該朝著低溫和高應變速率的方向發(fā)展；從工業(yè)生產(chǎn)的角度來看，應該朝著低成本化的方向發(fā)展；從工藝上來看，應該朝著安全化和環(huán)保化的方向發(fā)展。2014/12/0226低溫超塑性鎂合金材料：低溫超塑性是指在熔點一半以下的溫度(鎂合金為473K)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化以降低反向應力并通過晶界滑動以增強晶體旋轉，否則結構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。2014/12/0227高應變速率超塑性是近年來超塑性研究領域的一個新方向。大部分高應變速率超塑性材料是