非对称大剪切挤压对Mg-Al-Sn-Ca合金组织演变和力学性能的影响

作     者：李昱萱 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王明辉;李志刚

授予年度：2024年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：Mg合金 非对称挤压 差热 微观组织 力学性能 

摘      要：在节能减排的大背景下,轻量化结构材料的利用是有效的途径之一。镁合金由于具有低密度、高比强度和优异的电磁屏蔽性能,在汽车、航空航天和3C(计算机、通信和消费电子)等领域受到越来越多的关注,因此镁合金结构材料的开发仍是研究热点。然而,镁合金在室温下的塑性和强度有限是镁合金固有的缺点,限制了镁合金的广泛应用。人们为开发高强度、高塑性镁合金作了许多努力和尝试。 因此实现镁合金强度-塑性的协同提升,是实现镁合金工业应用的关键。晶粒细化已被发现是显著改善镁合金强度-塑性协同效应的有效方法,这可以在凝固过程中以及在固态下通过各种方法实现。然而,在高温热机械加工过程中,低层错能镁合金在的动态再结晶形核和长大十分迅速,对于实现均匀细晶结构是巨大的挑战。 针对上述研究现状及存在问题,本研究以无稀土Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca镁合金为研究对象,基于非对称大剪切挤压工艺,通过对高速挤压下晶粒细化机制的研究,提出了系列挤压板材制备方法。实现了高速挤压Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca合金均匀细晶结构和弱织构的制备,系统研究了合金在挤压过程中的组织演变以及变形机制。通过对挤压工艺优化,制备出均匀超细晶组织。为高性能镁合金设计及其短流程制备拓展了视野。本文主要研究内容和结果如下: (1)利用亚快速凝固提高Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca合金凝固冷速,研究了凝固冷速对铸态、固溶态和挤压态Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca合金晶粒尺寸和共晶相尺寸、形貌及分布的影响;随着冷速提高,铸态、固溶态和挤压态Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca合金晶粒尺寸都有明显细化;Ca Mg Sn共晶相的尺寸也发生大幅减小,形貌由长棒状和针状向短棒状和球状转变。 (2)通过改变坯料形状实现坯料非对称和模具非对称复合挤压,研究了挤压坯料形状对非对称挤压的影响。发现非对称坯料在墩粗过程中能够增大累积应变,同时非对称坯料能够引入额外界面,在界面处引入剪切力有利于细化晶粒。与模具非对称复合挤压后的板材晶粒实现进一步细化,提高了合金板材的强度和延伸率。同时解决了非对称板材在应变梯度方向上组织和力学性能存在差异的问题。 (3)在复合非对称挤压中降低模具温度,实现差热非对称挤压。研究了Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca合金在不同差热条件下合金的流动变形行为和微观组织演变。研究发现坯料温度和模具温度分别为400℃和200℃时,Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca合金具有最佳的强度-塑性结合。通过研究发现,随着模具温度的降低,挤压板材中形成了更细的动态再结晶晶粒。同时,较高的坯料预热温度保持了其析出能力。最佳强塑性的板材其高屈服强度源于均匀的细晶结构、强基面织构和位错强化;高塑性源于织构倾斜对基面滑移的促进作用。 (4)通过挤压前对坯料加入预压缩,进一步实现了具有均匀超细晶(0.72μm)弱织构的Mg-3.8Al-1.1Sn-0.4Ca挤压板材。通过研究发现,引入的大量{10-12}拉伸孪晶能够诱导动态再结晶,从而提高再结晶分数和改变基面织构。与强基面织构挤压板材相比,引入预压缩后的板材形成弱双峰织构。抗拉强度和延伸率增加到380 MPa和22%。