Mg-Sn基合金热压缩变形行为与差热变形机制研究

作     者：郭菲菲 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘德学

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Mg-Sn基合金 本构方程 热加工图 差热-等通道转角挤压 动态再结晶机制 

摘      要：镁(Mg)及镁合金具有密度低、比强度/比刚度高、可生物降解及电磁屏蔽性能优异等特性,在汽车、航空航天及生物医用等领域具有无限的应用潜力。然而,由于镁属于密排六方结构金属,室温下表现出塑性差、绝对强度低、耐蚀性差等瓶颈问题,极大地限制了其在工业领域的应用。基于上述问题,不断优化工艺参数,开发先进的塑性变形工艺,从而调控镁合金的微观组织,得到性能优异的镁合金是当前的研究热点。为此,本文从工业应用角度出发选择具有高时效响应能力的Mg-5Sn-2Zn-0.5Zr(TZK)合金为研究对象,通过热处理、热压缩、正挤压及差热-等通道转角挤压(差热-ECAP)等手段实现高强塑镁合金的制备及新型塑性变形工艺的开发,主要研究内容及结论如下:首先,系统研究了热处理态TZK合金在不同变形参数下的真应力-真应变曲线、本构方程及热加工图。研究结果表明该合金的真应力-真应变曲线具有动态再结晶特征,其真应力随应变速率增加或变形温度降低而升高。计算合金在不同应变下的本构方程并与实验值拟合表明所求本构方程适用于TZK合金的热变形过程,根据计算得到的热激活能和应力指数确定TZK合金热变形过程中的变形机制为位错的交滑移和颗粒刺激形核机制(PSN)。此外,绘制不同应变下TZK合金的热加工图可知安全变形区为变形温度380℃～430℃、应变速率0.01 s～0.03 s。其次,对热加工图上不同变形区域内压缩态试样的微观组织和动态再结晶行为进行表征以确定最佳变形参数,并基于上述研究结果对热处理态TZK合金进行正挤压变形。研究结果表明随变形温度升高可在晶界处优先生成细小的动态再结晶晶粒,而随应变速率增加孪晶逐渐出现,且合金内的动态再结晶晶粒减少。热加工图上安全区域内合金的微观组织由细小均匀的等轴晶粒组成,其动态再结晶机制为不连续动态再结晶(DDRX),滑移变形以基面滑移和锥面滑移为主。此外,挤压态TZK合金的微观组织由动态再结晶晶粒、变形晶粒和孪晶组成,平均晶粒尺寸为11.27μm,其极限抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和延伸率(El)分别为237.05 MPa、149.87 MPa和18%。挤压态TZK合金强塑性的改变归因于细晶强化、PSN和基面、柱面及锥面滑移系较高的施密特因子(SF)。最后,对挤压态合金进行不同模具温度和试样温度的ECAP变形(差热-ECAP),研究模具温度和试样温度对合金变形过程中微观组织、力学性能和腐蚀行为的影响。研究结果表明模具在300℃预热,合金分别在室温、200℃和300℃保温(DT-1、DT-2、DT-3)变形后的微观组织由等轴晶粒组成,反之,模具不进行预热,试样在300℃保温(DT-4)变形后TZK合金内出现大量孪晶。拉伸测试表明DT-1变形后的力学性能最好,其UTS和El分别为251.94 MPa和30%,微观断口由大量韧窝组成。DT-1试样优异的强塑性匹配可归因于细晶强化、织构弱化和锥面滑移系高的SF,其动态再结晶机制主要为连续动态再结晶(CDRX)和DDRX。此外,基于浸泡和电化学测试可知DT-3试样的I最小,电容环直径最大,浸泡3天后腐蚀产物为致密的片层状组织,其耐蚀性能最好。综上,本工作对新型低成本Mg-Sn-Zn-Zr合金的热变形行为进行系统研究,以期对该合金的后续变形加工奠定理论基础。同时,本工作关注到ECAP变形过程中模具温度和试样温度对变形过程的不同控制作用,对新型-ECAP变形工艺的开发提供新思路,并奠定实验基础。