AZ31B镁合金板材超塑性变形与断裂机理研究

研究了工业态热轧AZ31B镁合金板材的超塑性及其变形机制,在应变温度为723K,应变速率为1×10-3s-1的试验条件下,其最大断裂伸长率达到216%,应变速率敏感性指数达0.36。研究结果表明:晶界滑动(GBS)是工业态热轧AZ31B镁合金超塑性的主要变形机制,变形初期有动态再结晶发生,断裂是由晶界处形成的空洞不断长大、连接而引起的。     

AZ31B变形镁合金压力成形

总结了AZ31B变形镁合金挤压、轧制和热冲压拉深的研究工作。AZ31B挤压板材无裂纹、无烧损,其组织呈晶粒细小的等轴晶;用分流挤压铝合金技术可生产挤压比不大于45,厚度不小于1 5mm的非薄壁镁合金管材;交叉轧制的镁合金薄板的A显著提高,Rp0.2和Rm明显下降;单向轧制时,则出现相反的结果。采用机械冲压法成功地热冲压出60mm×60mm×20mm的方形件,无裂纹现象。     

铸态AZ31B镁合金热变形开裂准则的建立

以铸态AZ31B镁合金为研究对象,时效处理（400℃×12h）后,在Gleeble-3800热模拟机上进行了变形温度为250 450℃、应变速率为0.01 10s-1的热模拟压缩试验,通过高速摄影技术确定了合金热压缩过程中的临界开裂应变,结合有限元模拟确定了热压缩临界开裂损伤值。结果发现,经典Freudenthal准则能够很好地反映高速摄影技术和热模拟压缩试验观察到的试样表面裂纹萌生以及扩展的现象,结果与金相观察一致。因此,基于Freudenthal准则,通过引入Zener-Hollomon因子来表征镁合金热变形过程的临界开裂损伤值随变形温度和应变速率的变化,建立了适用于铸态AZ31B镁合金的热变形开裂准则。该准则很好地揭示了镁合金热变形的临界开裂损伤值与应力状态、应变、变形温度和应变速率等变形参数之间的关系,为铸态AZ31B镁合金热变形开裂预测提供了理论支撑,为该合金热加工参数的优化奠定了技术基础。     

塑性变形对AZ31镁合金晶粒细化的影响

利用6300kN液压机通过挤压的方法研究了塑性变形对AZ31镁合金晶粒细化的影响.实验表明:挤压变形可显著地细化镁合金晶粒并提高镁合金的力学性能;随挤压比的增大,晶粒细化程度增加,金属的协调变形能力增加,塑性增加;并且通过适当控制成形温度,平均品粒直径可控制在3～5μm之内.     

AZ31镁合金热轧变形的动态再结晶机制

在轧制温度603~703 K、轧制压下量20%~40%、应变速率4~16 s-1下对AZ31镁合金进行轧制变形,研究轧制压下量、应变速率和变形温度对AZ31镁合金变形组织的影响,分析了镁合金的动态再结晶机制。结果表明：应变速率和变形温度不仅影响动态再结晶进行的程度,而且能够改变再结晶的方式或形核机制。当轧制应变速率= 13.9 s-1,变形温度T=603 K时,再结晶方式为孪生动态再结晶;变形温度升高到703 K时,沿晶界有链状新晶粒出现。当变形温度T= 673 K,应变速率= 11.35 s-1时,再结晶方式以孪生动态再结晶为主;应变速率降低到= 4 s-1时,再结晶方式以旋转动态再结晶为主。     

添加混合稀土和锑的AZ31镁合金的热变形和加工图

在Gleeble-3500热模拟实验机上进行热压缩实验，研究了添加混合稀土和锑的AZ31镁合金（变形温度250～400℃，变形速率0．01～10s^-1）的热变形行为。用双曲正弦关系式描述了该材料在热变形过程中的稳态流变应力。根据材料的动力学模型，建立了热加工图，不同真应变下的热加工图相似。随着变形温度的升高及应变速率的降低，能量消耗效率田逐渐升高。     

AZ31B镁合金水环境搅拌摩擦焊接研究

对比研究了AZ31B镁合金空气环境搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)和水环境搅拌摩擦焊接(Submerged Friction Stir Welding,SFSW)接头的微观组织与力学性能。结果表明:SFSW接头焊核区为细小等轴状再结晶晶粒。随着焊接速度的增大,焊核区晶粒尺寸增大,显微硬度值降低。FSW接头表层处的显微组织比中心处粗大,且分布不均匀;而SFSW接头表层处的显微组织比中心处明显细小。FSW接头的表层硬度值低于中心处的硬度;而SFSW接头的表层硬度值高于中心处的硬度。当旋转速度为950r·min-1、焊接速度为75mm·min-1时,SFSW接头的抗拉强度值达到最大,为母材强度的72%,拉伸断口表现为解理断裂特征。     

铸态AZ31B镁合金中厚板热轧制温度场数学模型

采用Gleeble1500D热/力模拟试验机对铸态AZ31B镁合金圆柱试样在变形温度250~450℃、应变速率0.005~5s~(-1)下进行高温压缩试验,基于高精度流变应力模型,依托于刚塑性有限元分析软件针对镁板不同初轧温度、不同道次压下率以及不同轧制速度条件下的中厚板热轧制过程进行了热力耦合数值分析,利用数学解析的方法建立了不同工艺条件下镁板变形区域的温度场数学模型。结果表明,不同热轧工艺条件下轧制变形区域内温度的分布有很大区别,温度场数学模型需要划分不同工艺条件针对轧制后滑区和前滑区来分别建立;用简单数学方程来表征镁合金的传热过程,使得温度在线控制机理模型形式上更为简单,并且能够精确表征中厚规格镁板宽范围轧制条件下的传热机制。     

镁合金AZ31常温下的塑性变形行为

通过挤压制取镁合金A231镁合金板坯,常温下进行轧制,研究其塑性变形行为。考察了镁合金AZ31组织和轧制工艺参数对其常温下塑性变形能力的影响。结果表明,晶粒度和道次加工率是影响镁合金AZ31常温塑性变形能力的重要因素。当挤压板坯晶粒度为10μm时,板材轧制变形由脆性转变为塑性。总加工率越大,晶粒越细,塑性越好。合理分配道次加工率可使总加工率增大。     

Electrochemical Performance of AZ31 Magnesium Alloy under Different Processing Conditions

为选择一种高性价比的镁电池阳极材料,借助电化学工作站、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱分析(EDS)对不同加工状态的AZ31B镁合金电化学性能进行研究。分别将挤压、轧制、铸轧和铸态AZ31B镁合金作为阳极材料,测试其电化学性能。结果表明,在4种加工状态下,挤压态镁合金是性价比最高的一种阳极材料;其组织由均匀细小的晶粒和第二相组成,拥有最负的平衡电位,最低腐蚀电流密度和最小自腐蚀速率;挤压态样品腐蚀后,表面产生疏松细小,且均匀分布的腐蚀产物,降低了阳极极化,增加了阳极利用率。轧制和铸轧态的AZ31B镁合金的电化学活性和耐蚀性能相对挤压态的较低。铸态AZ31B镁合金由于较粗大的晶粒、第二相和铸造缺陷,表现出不稳定的放电曲线和较正的放电电位。不同状态AZ31镁合金的腐蚀均以点蚀为主。     

不同激光功率下镁合金表面激光熔覆Ni60合金涂层的显微组织和磨损性能

为提高镁合金表面的耐磨性,利用5kW横流连续CO2激光器在AZ31B镁合金表面熔覆Ni60合金粉末,制备了无裂纹、气孔等缺陷的熔覆层。分析讨论了不同激光功率下熔覆层的显微组织和磨损性能。结果表明:熔覆层的显微组织为典型的枝晶状态,且随着激光功率的增加,枝晶尺寸增加;不同的激光功率下,熔覆层都由Mg、MgNi2、Mg2Ni3Si、Mg2Ni、Mg2Si和FeNi组成,但当激光功率增加时,Mg相含量逐渐减小,其它相含量逐渐增多。在枝晶细化和各种金属间化合物的共同作用下,熔覆层的显微硬度和耐磨性能都得到提高,且激光功率P=3 000W时,提高程度最大,即显微硬度提高了840%～1 102%,磨损失量是原始AZ31B镁合金的8.57%。     

镁合金AZ31B直齿锥齿轮热锻成形研究

根据镁合金AZ31B的高温流动应力曲线,建立了包含应变的三维加工图,反映了温度、应变和应变速率对功率耗散系数和流变失稳区的影响,确定了合适的热变形范围,即温度为250-325℃、应变速率为0．1～1s^-1。在此基础上,研究了镁合金直齿锥齿轮的锻造成形,制定了无齿形预锻和终锻两步等温锻造工艺,在MSC．Marc平台上进行了锻造过程的模拟,基于模拟结果,完成了镁合金直齿锥齿轮的锻造成形实验。     

Mechanical Characteristics of Superplastic Deformation of AZ31Magnesium Alloy

As the lightest constructional metal on earth, magnesium (and its alloys) offers a great potential for weight reduction in the transportation industry. Many automotive components have been already produced from different magnesium alloys, but they are mainly cast components. Production of magnesium outer body components is still hindered by the material’s inferior ductility at room temperature. Magnesium alloys are usually warm-formed to overcome this problem; however, it was observed that some magnesium alloys exhibits superior ductility and superplastic behavior at higher temperatures. More comprehensive investigation of magnesium’s high temperature behavior is needed for broader utilization of the metal and its alloys. In this work, the high temperature deformation aspects of the AZ31B-H24 commercial magnesium alloy are investigated through a set of uniaxial tensile tests that cover forming temperatures ranging between 23 and 500 °C, and constant true strain rates between 2 × 10⁻⁵ and 2.5 × 10⁻² s⁻¹. The study targets mainly the superplastic behavior of the alloy, by characterizing flow stress, elongation-to-fracture, and strain rate sensitivity under various conditions. In addition, the initial anisotropy is also investigated at different forming temperatures. The results of these and other mechanical and microstructural tests will be used to develop a microstructure-based constitutive model that can capture the superplastic behavior of the material. This article was presented at the AeroMat Conference, International Symposium on Superplasticity and Superplastic Forming (SPF) held in Seattle, WA, June 6–9, 2005.     

AZ31镁合金热压缩变形行为分析

在平面应变条件下研究了不同温度、不同变形速率以及不同变形程度对AZ31镁合金流变应力和组织的影响。结果表明：高温时，由于柱面滑移以及锥面滑移系也被启动，而且发生动态再结晶，导致流变应力显著减小；变形速率增加产生的加工硬化使得流变应力也增加；变形温度和变形速率对镁合金变形过程中孪晶的生成有显著的影响，低温或者是大变形速率下容易生成孪晶。     

基于红外热像法的AZ31B镁合金疲劳寿命预测

采用红外热像法测量AZ31B镁合金板材在疲劳过程中表面温度场的变化,结果表明,当疲劳载荷大于疲劳强度时,镁合金试样表面的温度变化经历5个阶段:温度上升阶段、温度下降阶段、稳定阶段、断裂前的温升阶段和断裂后温度下降阶段。通过疲劳过程中镁合金试样表面的温度变化规律,基于不同的理论提出了2种预测疲劳寿命的方法:由试验过程中试样表面温升(?TM)特征确定其疲劳寿命,?TM–Nf曲线拟合结果表明,?TM=3.89℃为温升极限值,即?TM>3.89℃时,试样会发生断裂,与实测疲劳试样的温升值(3.68℃)相比,误差为5.7%;利用能量法提出了镁合金疲劳寿命的计算公式,用能量法和传统试验方法分别绘制S-N曲线,结果具有很好的一致性,用2种方法分别计算了循环次数为1×107时的疲劳强度ΔσeΦ=99.3 MPa、ΔσeSN=99.8 MPa,误差为0.5%。采用红外热像法估算疲劳寿命具有简单、省时等优势。     

脉冲电流对AZ31镁合金显微组织及拉伸变形行为的影响

为改善镁合金塑性变形能力,在AZ31镁合金的拉伸变形中引入高密度脉冲电流,研究了脉冲电流对合金显微组织及拉伸变形行为的影响规律,并探讨了其机理。结果表明,与未加脉冲电流拉伸相比,施加脉冲电流的AZ31镁合金的变形抗力显著降低,并且随脉冲电流密度的提高,其变形抗力下降的幅度增大。施加脉冲电流的合金在拉伸过程中发生了明显的动态再结晶,再结晶晶粒细小均匀,从而降低了合金的变形抗力。这是由于脉冲电流可以提高原子通量、促进原子扩散、加快小角亚晶向大角度亚晶转变,从而促进了合金的动态再结晶。另一方面,脉冲电流产生的电效应能够改变位错的激活能,使其容易克服滑移面上的障碍,增加位错可动性,从而提高合金塑性变形能力。     

焊后热处理对镁合金搅拌摩擦焊接接头的影响

对AZ31B镁合金进行搅拌摩擦焊接,研究热处理前后焊接接头组织及性能的变化。结果表明:焊后热处理可以显著改善焊接接头的力学性能;当搅拌头的旋转速度为600r.min-1,焊接速度为47.5mm.min-1,接头的抗拉强度为168MPa,延伸率为3.6%。热处理后,接头的抗拉强度和延伸率最高可达205MPa和8.6%,比热处理前分别提高22.02%和138.89%;接头的最佳热处理工艺为:退火温度250℃,保温1h;随着退火温度的升高,焊核区晶粒的长大速度大于热影响区/热机影响区混合区域(HAZ/TMAZ)。当退火温度高于250℃时,焊接接头的拉伸断口主要为扁条状韧窝,呈现出微孔聚合韧性断裂特征。     

AZ31镁合金压缩变形微观织构演变规律

采用电子背散射衍射(EBSD)原位跟踪实验方法研究了AZ31镁合金压缩变形微观织构演变规律。在温度为170℃条件下,研究了AZ31镁合金轧制板材经过3次连续真空压缩(变形量分别为11%、17%和23%)时,其相同观察区域的微观织构演变。研究结果表明,AZ31镁合金轧制板材的微观织构为典型的(0001)基面织构。当温度为170℃、变形量为11%时,晶粒取向发生显著改变,大部分晶粒都发生了完全孪生,只有少数发生部分孪生,原始的基面轧制织构大幅减弱,孪生变体符合60°/1010和86.3°/1210取向关系。随着变形量的增加,滑移开始启动,孪晶晶界减少,织构变化不明显。压缩变形过程微观织构演变机理主要以拉伸孪生为主,基本上没有压缩孪生出现。     

AZ31镁合金及其TIG焊接接头断裂机理研究

对AZ31镁合金及其焊接接头进行拉伸、冲击和疲劳试验,分析了镁合金的断裂机理及疲劳裂纹扩展方向.母材拉伸试验结果表明,试样几乎没有缩颈,抗拉强度为236.29 MPa;焊接接头的抗拉强度为185.68 MPa,拉伸断裂从焊接接头焊趾部位启裂,抗拉强度为母材的78%.冲击试验在-80～340 ℃进行,结果表明,在较低温度下AZ31镁合金冲击韧性较小,断口为准解理形貌的脆性断裂;随着温度的增加,断裂形式由准解理+韧窝形貌的混合断裂过渡为韧性断裂;在常温下焊缝中心的冲击韧性比母材的高,但热影响区的冲击韧性较差.AZ31B镁合金母材的疲劳强度为66.72 MPa,对接接头的疲劳强度为39.00 MPa;母材疲劳断口由解理台阶组成,为脆性断裂;焊接接头疲劳断口由解理和准解理台阶组成,为脆性断裂.     

应变路径变化对AZ31镁合金力学行为的影响

以挤压态AZ31镁合金棒材为原材料,在室温下沿着∥ED和⊥ED的方向进行预变形实验,模拟二辊皮尔格冷轧过程中减壁段横截面瞬时变形应力状态,接着对预变形试样取样进行二次压缩,利用电子背散射衍射（EBSD）对2次变形之后的微观结构进行表征。研究了应变路径变化情况下组织和织构对力学行为的影响。结果表明,预变形使AZ31镁合金的屈服强度提高,其主要原因是预变形产生的拉伸孪晶导致晶粒细化和位错密度增加。并且孪晶的出现会改变晶粒的取向,基面织构弱化（或孪生织构增强）在改善AZ31镁合金力学性能方面可能起到更重要的作用。∥ED-3%和⊥ED-3%试样的屈服强度分别提高了66.7%和6.6%。