外场条件下AZ31镁合金晶粒异常长大机制

作     者：何清松 

作者单位：重庆科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：戴庆伟;郝杰

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：AZ31镁合金 外场 晶粒异常长大 择优取向 晶粒尺寸 

摘      要：在协同推进节能减排,助力实现“双碳目标的大背景下,镁合金成为在交通、航空航天、以及电子通讯领域中最受关注的材料之一。然而,作为典型的hcp结构金属,镁合金在室温下的滑移系仅有三个,不满足Taylor准则,导致室温变形能力较差,限制了其进一步的推广应用。宏观尺度下材料的力学性能受其微观结构的影响,其中晶粒尺寸是最重要的因素之一。调控晶粒尺寸是先进材料加工和应用的关键,识别晶粒异常长大的机制对于更好地控制镁合金的性能和有效利用具有重要意义。本文以AZ31镁合金为研究对象,通过电阻加热以及感应加热对材料进行热处理,使用光学显微镜、X射线衍射仪、电子背散射衍射以及理论计算等手段,来研究温度、各向异性、择优取向、溶质原子、微观织构等与AZ31镁合金晶粒生长之间的关系。首先,探究了不同外场条件下各向异性对AZ31镁合金微观组织演变及膨胀量的影响。结果表明,各向异性对晶粒生长的影响较低。经过电阻加热和感应加热后,样品的宏观尺寸均缩短,且45°和90°样品的电阻加热长度缩短量比感应加热少。此外,无论在电阻加热还是感应加热的外场条件下,45°样品都具有良好的尺寸稳定性,这是因为45°方向具有最高的Schmid因子,在保温过程中基面滑移系(0001)在RD上更易启动,使得热膨胀量最大,导致晶粒生长的缩短量与热膨胀伸长量趋于一致。其次,探究了不同外场条件下温度对AZ31镁合金微观组织演变和宏观尺寸变化的影响。结果表明,电阻加热和感应加热均能驱动晶粒生长,其中电阻加热驱动晶粒生长的能力远远大于感应加热。感应加热的晶粒尺寸均匀性优于电阻加热,表明感应加热几乎驱动所有晶粒小幅度生长,而电阻加热驱动部分特殊晶粒优先生长。经过电阻加热和感应加热后,与初始状态相比,(0002)晶面衍射峰强度占比均提高,(1011)晶面、(1012)晶面、(1013)晶面峰强比的变化幅度较小。晶粒尺寸显著增加伴随着(1120)晶面峰强比显著增加,表明具有择优取向的晶粒可能会优先发生生长。此外,在相同温度下,电阻加热的长度缩短量比感应加热少。最后,对AZ31镁合金晶粒异常长大行为及机制进行深入分析。发现AZ31镁合金晶粒异常生长主要依赖于热处理温度,其次是保温时间。在500℃以上进行热处理可以诱导出异常晶粒,晶粒发生异常生长所需要的时间随着温度的升高而变短。通过晶粒生长动力学的计算,发现在300℃-500℃范围内,AZ31镁合金晶粒正常生长的激活能Q值为207k J/mol,大于固溶体扩散能,说明晶粒的正常生长将会受到抑制,因此如果晶粒想要发生异常生长,那就需要存在一个额外的驱动力来驱使晶界迁移。通过计算各向异性溶质原子扩散系数,发现DDD,表明Al对晶界迁移的钉扎作用不明显,而Zn由于体积分数很低,其拖曳效应也可以忽略,所以排除了溶质原子对晶粒异常生长的影响。AZ31镁合金晶粒异常生长可分为三个阶段:(1)第一阶段为晶粒正常生长阶段,晶粒尺寸逐渐增大到正常生长的极限尺寸,织构逐渐增强,同时再结晶晶粒会在晶界处形核;(2)第二阶段为晶粒尺寸稳定阶段,此阶段晶粒生长驱动力和钉扎力逐渐趋于平衡,晶粒尺寸几乎不变,多余的能量储存在再结晶晶粒中;(3)第三阶段为晶粒异常生长阶段,取向为的晶粒在热处理过程中通过吞噬周围取向为的晶粒来实现异常长大,取向的异常晶粒中LAM值的降低证实了局部取向偏差是晶粒异常生长的驱动力。