论文部分内容阅读
镁合金具有密度小,比刚度高、比强度高、无毒环保、储量大等诸多优点,被誉为“21世纪新型绿色结构材料”,在国防、汽车、3C、医疗等领域有广泛的应用和巨大的发展潜力。镁合金的塑性变形行为直接影响铸造镁合金的高温应用和变形镁合金的塑性加工能力,极大地限制了镁合金的使用和发展。本文选择镁合金中应用最广泛的Mg-Al系镁合金为主要研究对象,选择铸造镁合金高温蠕变工况和变形镁合金电致塑性加工工况两个典型的镁合金塑性变形场景,开辟铸造镁合金AZ91和变形镁合金AZ61两条并行研究主线,利用非接触测量技术、显微观察技术、数字图像处理技术等方法考察合金元素、显微组织和变形条件对镁合金塑性变形行为的影响。本文主要研究以下内容:1.碱土元素改性对铸造镁合金塑性变形影响。以铸造镁合金AZ91为研究蓝本,设计、熔炼及制备新型Mg-9Al-1Zn-x Sr合金,并研究Sr含量对AZ91铸造镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:随着Sr含量的增加,AZ91合金的屈服强度增加,但抗拉强度和延伸率先增加后降低,当Sr含量为1%时,合金AZ91-Sr（AZJ911）展示出了最好的综合力学性能,其抗拉强度为248MPa,屈服强度为156MPa,延伸率为6.8%;Sr的加入,生成了新相Al4Sr,能够细化AZ91合金的晶粒,并起到第二相强化的效果,但Sr的加入导致Al的含量降低,削弱了Al原子的固溶强化作用并降低β-Mg17Al12共晶相的含量;Sr的加入对合金的断裂机制基本没有影响。通过对AZJ911合金进行蠕变分析,观察了添加Sr元素后,合金的蠕变性能和显微组织的演变,并在此基础上探求Sr的添加对合金高温蠕变性能的作用及机制。结果表明:应力和温度都会对蠕变产生显著影响;Sr元素添加导致形成热稳定性的Al4Sr相,降低了Mg17Al12共晶相的含量,因此有助于蠕变性能的提升;蠕变过程中伴随着γ-Mg17Al12相的动态沉淀,这些动态析出相和网状Mg17Al12共晶相的开裂以及孪生均有助于AZJ911合金的蠕变变形;基于常规幂定律关系,应力指数和蠕变激活能分别计算为8.4和102 k J/mol,高的应力指数表明幂定律关系失效,这是由γ-Mg17Al12相的动态沉淀能够产生Orowan强化作用,产生门槛应力导致,通过引入门槛应力和归一化方法对过高的应力指数进行修正,修正后数值为5.2,这个结果表明AZJ911合金的蠕变变形主要是由位错攀移控制,与蠕变样品中观察到的螺位错结果相符。2.电致塑性效应对变形镁合金塑性变形的影响。以挤压态变形镁合金AZ61商用管材为研究对象,设计了L25（5^6）的正交试验,考察拉伸速度（0.1-7.2mm/min）、电流强度（40-100A）、脉冲频率（200-600Hz）、占空比（20-100%）四个因素对变形镁合金的电致塑性效应。结果表明:在脉冲电流作用下,变形镁合金的抗拉强度明显下降,断裂延伸率显著提升,最高可达40.5%;试样断口出现颈缩现象,试样表面在拉伸过程中出现“桔皮”状褶皱。大视野下显微组织分析结果表明:脉冲电流作用下,在靠近断口区域,存在大量孪晶和裂隙,距离断口越远,孪晶发生率逐渐变少;晶粒尺寸变化区间较大（86μm~2-238μm~2）越靠近断方向,晶粒尺寸越小;在金相图像中观察到了动态再结晶现象。分析了拉伸速度一定的情况下,电流强度（100-130A）、脉冲频率（200-400Hz）和占空比（20-100%）单因素对变形镁合金AZ61管材力学性能和显微组织的影响。结果表明:脉冲频率对断裂延伸率起重要影响,并且能够降低孪生生成倾向;电流强度对抗拉强度的下降起显著作用,并且可以促进动态再结晶;在其他因素一定的情况下,占空比对电流强度起到放大器作用,占空比越小,对电流强度的放大作用越明显。在所有实验结果中,参数为v=3mm/min,I=100A,f=400Hz,n=50%的脉冲电流作用下,合金的断裂延伸率可达45%,塑性提升显著。研究了脉冲电流作用下变形镁合金塑性变形过程中的塑性失稳（PLC）现象,并对变形镁合金电致塑性机制进行深入探求。研究认为:在脉冲电流的作用下,变形镁合金在拉伸过程中出现了PLC现象,根据通用分类方法,锯齿流变属于A型。PLC现象的产生可能主要受电子风力和磁效应引起的位错塞积和滑移系的突然开动影响,而解锁的位错对第二相的切割和材料的局部塑性变形也是产生PLC现象的重要原因。通过对应变硬化、位错密度与亚结构的分析,研究认为:脉冲电流在变形镁合金塑性变形中同时存在热效应和非热效应,但非热效应是塑性能力增加的根本原因。在脉冲电流辅助拉伸变形的AZ61合金中,大部分＜c+a＞位错是可动的,并且发生明显的交滑移,这可能是脉冲电流的作用结果。因此推测脉冲电流能够通过抑制＜c+a＞位错基面分解从而促进＜c+a＞位错交滑移,因此导致了高的塑性。除了脉冲电流对变形显微组织中位错构型的重构外,电子风效应、磁效应也对提高变形镁合金塑性能力提升起到积极作用。使用Field-Backofen作为基础模型,使用乘法法则,将脉冲电流三要素——频率、电流强度、占空比引入该模型构建基于电致塑性效应的挤压态变形镁合金的本构方程:σ=1495ε0.331ε0.168·exp（-0.0003·f-0.0087·I-0.0004·n）该方程对参数为v=0.1-7.2mm/min,f=100-400Hz,I=60-110A,n=40-80%区间的曲线可以做到较为准确的模拟。3.数字图像处理技术在镁合金塑性变形研究中的应用。使用MATLAB等数学分析软件,开发基于数学形态学的新型算法,和其他算法相比,数学形态学算法在处理光线不均、图像质量参差不齐的数字图像时更具优势;探求应用数学形态学算法提取数字图像关键信息并建立数字图像分析模型的实现过程;结合统计学原理,完成对数字图像中信息的提取、统计、可视化等相关内容,实现显微组织分析从微观尺度到宏观尺度的跨越,并以此开发了大视野下镁合金显微组织定量分析方法,为研究碱土金属改性和电致塑性效应对镁合金塑性变形的影响提供了坚实的技术基础。