鎂合金超塑性

鎂合金超塑性鎂Mg密度1.74g/cm3，（純鋁：2.702

g

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cm3）熔點(diǎn)648.8℃。沸點(diǎn)1107℃?；蟽r(jià)+2，電離能7.646eV晶體結(jié)構(gòu)密排六方鎂合金鑄造鎂合金變形鎂合金變形鎂合金：一般是指可用擠壓、軋制、鍛造等塑性成形方法加工成形的鎂合金。2014/12/022鎂及鎂合金的概述變形鎂合金的力學(xué)性能明顯優(yōu)于鑄造鎂合金。研究表明，鎂合金在熱變形（如擠壓、軋制、鍛造等）后組織得到明顯細(xì)化，鑄造組織缺陷被消除，從而產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能大大提高。2014/12/02342014/12/02知識(shí)小鏈接52014/12/02在民用機(jī)和軍用飛機(jī)尤其是轟炸機(jī)廣泛使用鎂合金制品。著名的美國(guó)B-52轟炸機(jī)的機(jī)身部分就使用了鎂合金板材635公斤，擠壓件90公斤，鑄件超過(guò)200公斤。目前,AZ31B鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用也很廣泛。如離合器殼體、閥蓋、變速箱體氣缸蓋、空調(diào)機(jī)外殼等。為了在汽車(chē)受到撞擊后提高吸收沖擊力和輕量化，在方向盤(pán)和坐椅上使用鎂合金。根據(jù)有關(guān)研究,汽車(chē)所用燃料的60%是消耗于汽車(chē)自重,所以減輕汽車(chē)重量對(duì)環(huán)境和能源的影響非常大，汽車(chē)的輕量化成必然趨勢(shì)。AZ31B鎂合金按制造工藝鎂合金可分為兩大類(lèi)：變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄造鎂合金在室溫和高溫下具有良好的機(jī)械性能，AZ31B鑄造鎂合金主要用于汽車(chē)零件、機(jī)件殼罩和通信設(shè)備等。與鑄造鎂合金相比，AZ31B變形鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的塑性，主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。62014/12/0272014/12/02在民用機(jī)和軍用飛機(jī)尤其是轟炸機(jī)廣泛使用鎂合金制品。著名的美國(guó)B-52轟炸機(jī)的機(jī)身部分就使用了鎂合金板材635公斤，擠壓件90公斤，鑄件超過(guò)200公斤。目前,AZ31B鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用也很廣泛。如離合器殼體、閥蓋、變速箱體氣缸蓋、空調(diào)機(jī)外殼等。為了在汽車(chē)受到撞擊后提高吸收沖擊力和輕量化，在方向盤(pán)和坐椅上使用鎂合金。根據(jù)有關(guān)研究,汽車(chē)所用燃料的60%是消耗于汽車(chē)自重,所以減輕汽車(chē)重量對(duì)環(huán)境和能源的影響非常大，汽車(chē)的輕量化成必然趨勢(shì)。AZ31B鎂合金按制造工藝鎂合金可分為兩大類(lèi)：變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄造鎂合金在室溫和高溫下具有良好的機(jī)械性能，AZ31B鑄造鎂合金主要用于汽車(chē)零件、機(jī)件殼罩和通信設(shè)備等。與鑄造鎂合金相比，AZ31B變形鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的塑性，主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。大多數(shù)鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)塑性變形的主要方式是滑移和孿生一個(gè)滑移面三個(gè)滑移方向?qū)嵸|(zhì)只有兩個(gè)獨(dú)立滑移系滑移系少?zèng)Q定了鎂合金的塑性差，變形加工能力有限2014/12/028超塑性的概述通常認(rèn)為,超塑性是指材料在拉伸條件下,表現(xiàn)出異常高的伸長(zhǎng)率而不產(chǎn)生縮頸與斷裂的現(xiàn)象。通常,當(dāng)伸長(zhǎng)率A≥100%時(shí)即可稱為超塑性,A的范圍可從100%～300%,有的甚至達(dá)到百分之幾千。也有人用應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m來(lái)定義超塑性,當(dāng)材料的m>0.3時(shí),材料即具有超塑性。材料在超塑性狀態(tài)下典型的宏觀變形特征表現(xiàn)為大變形、小應(yīng)力、無(wú)頸縮及易成形等。鎂合金超塑性變形是利用鎂合金在一定條件(溫度、變形速度、組織等)下的超塑性特性進(jìn)行大變形成形的加工方式。2014/12/029相變超塑性又稱為轉(zhuǎn)變超塑性或動(dòng)態(tài)超塑性,是指金屬材料在一定相變溫度范圍內(nèi)和載荷作用下,經(jīng)過(guò)多次循環(huán)相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，使金屬原子發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)而呈現(xiàn)超塑性。相變超塑性不要求材料具有微細(xì)等軸晶粒,但要求具有固態(tài)相變,變形溫度需頻繁變化,給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難,故應(yīng)用受到限制。在這方面,鋼鐵、鈦合金、銅合金研究的比較多。組織超塑性又稱為恒溫超塑性或微細(xì)晶粒超塑性或結(jié)構(gòu)超塑性,它要求材料具有微細(xì)的等軸晶組織

,在一定的溫度區(qū)間(Ts≥0.5Tm,Ts和Tm分別是超塑性變形的絕對(duì)溫度和材料熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度)和一定的變形速率條件下(應(yīng)變速率在10-4～10-1s-1之間)呈現(xiàn)超塑性。因此,初始組織具有微細(xì)晶粒尺寸,以及所需的高溫、低速是獲得良好結(jié)構(gòu)超塑性的三個(gè)必要條件。

一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)小則越有利于超塑性的發(fā)展，當(dāng)晶粒細(xì)化至1um以下時(shí)，甚至在較低溫度和較高應(yīng)變速率條件下也可能獲得良好的超塑性。2014/12/0210按照實(shí)現(xiàn)超塑性的條件和變形特點(diǎn)的不同組織超塑性相變超塑性鎂合金超塑性變形機(jī)制及特點(diǎn)人們普遍認(rèn)為,晶界滑動(dòng)(grainboundarysliding,GBS)是超塑性變形的主要機(jī)制,其基本原理是單個(gè)晶粒作為變形中的基本單元,通過(guò)其界面的相互滑動(dòng)而實(shí)現(xiàn)晶粒的換位及移動(dòng)。由于鎂合金超塑性變形過(guò)程中晶界滑移的激活能稍高于晶界擴(kuò)散和晶格擴(kuò)散的活化能,其晶界滑移總會(huì)在三叉晶界處或材料增強(qiáng)相與基體的相界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生應(yīng)力集中使得晶界滑移受阻,從而導(dǎo)致空隙和重疊產(chǎn)生,因此鎂合金在超塑性變形中存在對(duì)晶界的滑動(dòng)起協(xié)調(diào)和補(bǔ)償作用的機(jī)制,如原子與空穴的擴(kuò)散及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)等。但一種理論僅能解釋超塑性變形中的一部分現(xiàn)象,還沒(méi)有得到一個(gè)統(tǒng)一的理論能對(duì)超塑性現(xiàn)象做出完整的解釋。2014/12/02111、擴(kuò)散蠕變調(diào)節(jié)的晶界滑移機(jī)制2、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)晶界滑移機(jī)制3、液相輔助晶界滑移協(xié)調(diào)機(jī)制4、空洞協(xié)調(diào)晶界滑移機(jī)制5、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶協(xié)調(diào)晶界遷移機(jī)制2014/12/0212幾種有代表性的模型和機(jī)制：132014/12/02擴(kuò)散蠕變又叫空位蠕變。該理論認(rèn)為在超塑性變形時(shí)，材料內(nèi)部存在著大量的過(guò)飽和空位，因而應(yīng)力梯度所引起的空位擴(kuò)散流可以成為超塑性變形的主要形式。擴(kuò)散蠕變包括晶界擴(kuò)散和晶內(nèi)擴(kuò)散。對(duì)于晶內(nèi)—晶界擴(kuò)散共同調(diào)節(jié)的晶界滑移模型是由Ashby等人于1973年提出的。如圖擴(kuò)散蠕變調(diào)節(jié)的晶界滑移機(jī)制142014/12/02數(shù)個(gè)晶粒組成的兩個(gè)晶粒群，沿晶界滑移時(shí)，遇到障礙晶粒，滑移被迫停止。受阻處應(yīng)力集中導(dǎo)致障礙晶粒內(nèi)位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，位錯(cuò)通過(guò)晶粒內(nèi)部塞積在對(duì)面晶界上，產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí)，促使塞積的前端位錯(cuò)沿晶界攀移而消失，晶界滑動(dòng)又再次發(fā)生。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)晶界滑移機(jī)制152014/12/02液相輔助晶界滑移協(xié)調(diào)機(jī)制高應(yīng)變速率超塑性材料在晶界上總會(huì)含有一些低熔點(diǎn)物質(zhì)，而這些材料達(dá)到最大伸長(zhǎng)率的溫度常常接近這些低熔點(diǎn)物質(zhì)局部熔化的溫度。由于晶界滑移所產(chǎn)生的應(yīng)力集中不能及時(shí)通過(guò)擴(kuò)散流動(dòng)或位錯(cuò)移動(dòng)協(xié)調(diào)，在相界面處會(huì)產(chǎn)生空洞，而晶界液相可有效消除應(yīng)力集中，阻止微裂紋形成，使材料獲得超塑性。一般來(lái)說(shuō)，晶界滑移不能被擴(kuò)散和位錯(cuò)充分協(xié)調(diào)時(shí)，液相起輔助協(xié)調(diào)作用。162014/12/02大晶粒鎂合金超塑性機(jī)理早期的超塑性理論認(rèn)為，超塑性是細(xì)晶材料（金屬晶粒尺寸<10um，陶瓷晶粒尺寸<1um）在恒溫變形時(shí)所表現(xiàn)的特征。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)某些合金雖是大晶粒，但當(dāng)存在穩(wěn)定的微米尺寸的亞晶粒時(shí)亦可顯示一定的超塑性。許多材料如Mg、Al合金不經(jīng)過(guò)細(xì)化晶粒也能在一定程度上呈現(xiàn)超塑性。172014/12/02大晶粒超塑性的變形機(jī)理為連續(xù)動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，即：通過(guò)位錯(cuò)的滑移和攀移，形成位錯(cuò)墻和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成亞晶界，原始大晶粒被分隔成無(wú)數(shù)細(xì)小的亞晶粒。不穩(wěn)定的亞晶界在超塑性變形過(guò)程中不斷吸收晶內(nèi)滑移和攀移位錯(cuò)。亞晶界位錯(cuò)密度不斷增高，位向差不斷增大，加上亞晶界的轉(zhuǎn)動(dòng)、滑動(dòng)和遷移，部分亞晶界在變形過(guò)程逐步向小角度以至大角度晶界演變。因而隨著變形量的增加，小角度晶界所占比例逐漸增大，大角度晶界數(shù)量也逐漸增加，而總的晶界數(shù)量也隨變形量的增加而不斷增加。（亞晶界晶界）大晶粒金屬在拉伸變形過(guò)程中一般具有很長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)流變階段，即具有很長(zhǎng)的應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化保持動(dòng)態(tài)平衡的階段。塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)的滑移和攀移進(jìn)行的，而亞晶界的遷移、滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)起到協(xié)調(diào)變形的作用，造成了材料在宏觀上的超塑性。變形后晶粒顯著細(xì)化是大晶粒金屬超塑性變的普遍特征。第一，鎂合金超塑性變形的初始階段會(huì)有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不僅細(xì)化了晶粒，而且使組織中的大角度晶界增加，更有利于晶界滑移，從而為超塑性變形創(chuàng)造了組織條件。另外鎂合金超塑性變形的應(yīng)變速率敏感程度會(huì)隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行而增加，從而在一定程度上抑制了局部頸縮的形成。同時(shí)，由于在鎂合金中原子晶界擴(kuò)散系數(shù)比較高，因此鎂合金晶界上的位錯(cuò)塞積容易被吸收到晶粒內(nèi)部，使鎂合金超塑性變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更加容易進(jìn)行。第二，變形速度對(duì)鎂合金超塑性變形的影響較大。鎂合金在低變形速度下變形時(shí)比在較高變形速度下更能完整地完成軟化作用。較高的變形速會(huì)阻礙這種軟化作用而引起變形抗力升高，其結(jié)果是導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降。2014/12/0218與其他合金超塑性變形相比，鎂合金超塑性變形有以下幾個(gè)特點(diǎn)：192014/12/02第三，大晶粒鎂合金超塑性一般而言，金屬的超塑性變形要求金屬的晶粒尺寸不超過(guò)10um，但是鎂合金超塑性變形可以超越此限制，甚至在高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的情況下也可能發(fā)生超塑性，有文獻(xiàn)指出晶粒尺寸為300um的AZ31合金在溫度為773K，應(yīng)變速率為1×10-3S-l條件下可以獲得320%的伸長(zhǎng)率，晶粒在變形過(guò)程中也細(xì)化到了25um，這對(duì)于鎂合金的工業(yè)應(yīng)用具有很大的意義。

第四，高溫是鎂合金發(fā)生超塑性變形的條件之一，溫度較高的時(shí)候，晶界上低熔點(diǎn)相會(huì)部分熔化，晶界上的固液共存相在高溫下為黏性物質(zhì)。它在晶?；蝾w?；七^(guò)程中起了有效的協(xié)調(diào)作周，促進(jìn)晶?；七^(guò)程進(jìn)行。但是溫度也不宜過(guò)高，隨溫度的升高，晶界強(qiáng)度降低，晶粒長(zhǎng)大速度進(jìn)一步加快，從而使材料內(nèi)部變形的協(xié)調(diào)過(guò)程難以進(jìn)行，使材料在晶界處容易產(chǎn)生空洞而引發(fā)斷裂。超塑性鎂合金的制備工藝一、等徑角擠壓（ECAE）所謂ECAE法，就是通過(guò)兩個(gè)軸線相交且截面尺寸相等的通道，將被加工材料擠出。因通道的轉(zhuǎn)角作用，在加工過(guò)程中材料發(fā)生剪切變形，使變形材料產(chǎn)生大的剪切應(yīng)變，并由此導(dǎo)致位錯(cuò)的重排從而使晶粒得到細(xì)化。2014/12/0220由圖可知，在兩通道入口直壁部分，材料受頂桿壓力的作用并受到模腔的限制而處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。在變形初始階段，即從A點(diǎn)所在滑移線處，晶粒開(kāi)始受到剪切力的作用而隨著變形的發(fā)展，在剪切應(yīng)力的作用下，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)與剪切變形，從而引起材料組織結(jié)構(gòu)的變化，即晶粒尺寸的變化和新的織構(gòu)的形成。在變形終了階段，即出口直壁段，模具壁的摩擦作用使材料表面受到剪切力，但在該階段晶粒已經(jīng)不再發(fā)生變形。2014/12/0221對(duì)ECAE一般而言，擠壓溫度越低，速度越快，則晶粒越細(xì)小，這是因?yàn)樵谳^低溫度快速擠壓時(shí)，再結(jié)晶晶粒難以長(zhǎng)大。但溫度過(guò)低或速度過(guò)快時(shí)，鎂合金的塑性得不到充分發(fā)揮，擠壓過(guò)程中試樣容易出現(xiàn)裂紋，且在應(yīng)變較小或有第二相存在的局部區(qū)域，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶難以進(jìn)行，從而細(xì)晶組織中往往會(huì)夾雜少量粗大等軸晶粒組織。提高擠壓溫度能夠提高組織均勻性，但容易導(dǎo)致晶粒粗化。因此，應(yīng)采取低溫多道次的擠壓工藝，以獲得細(xì)小而均勻的組織。2014/12/0222二、熱機(jī)處理鎂合金經(jīng)過(guò)冷軋變形后，在基體合金中留下了大量位錯(cuò)和畸變能，在超塑性變形的高溫環(huán)境下發(fā)生再結(jié)晶形核，且基體中彌散的顆粒有效地阻止了再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，從而使晶粒變得更加細(xì)小。溫軋變形后的合金，一方面，變形亞晶為再結(jié)晶形核提供了有利的組織條件，保證有足夠多的再結(jié)晶形核點(diǎn)；另一方面，溫軋形成的高貯能區(qū)和高貯能梯度的變形結(jié)構(gòu)，為合金的再結(jié)晶形核提供能量基礎(chǔ)，使大多數(shù)再結(jié)晶形核點(diǎn)易于激活。合金達(dá)到再結(jié)晶溫度后，再結(jié)晶形核率很高，超塑變形前可以獲得微細(xì)的晶粒組織。熱機(jī)處理后的基體內(nèi)彌散分布著大量小顆粒，另外，脆性大的質(zhì)點(diǎn)溫軋后也變成小顆粒狀態(tài)彌散分布于基體內(nèi)。合金在超塑變形溫度下，大顆粒質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始溶解，基體內(nèi)第二相粒子細(xì)小，容易在晶界處聚集，通過(guò)釘扎晶界或亞晶界，對(duì)再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，保證了合金細(xì)晶組織在超塑變形過(guò)程中的熱穩(wěn)定性。2014/12/0223鎂合金的超塑性氣脹成形此法是將壓縮氣體以導(dǎo)道通入模具中，利用氣壓將超塑性板材吹入凹模成形，零件外形由凹模形狀決定。使用此法成形可使用單一凹模，節(jié)省模子設(shè)計(jì)及制造費(fèi)用。并可以一次完全成形，減少加工次數(shù)，節(jié)省工作時(shí)間。在鎂合金氣脹成形過(guò)程中，氣壓一般控制在0.2～1.0MPa之間，溫度則設(shè)定573～773K之間。2014/12/0224鎂合金的幾種超塑性加工方式在超塑性壓縮過(guò)程中，最佳超塑性壓縮變形溫度要比拉伸變形高50-80℃，壓縮時(shí)達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)階段的流動(dòng)應(yīng)力要比拉伸變形大2~8倍。利用超塑性壓縮加工成形相對(duì)于一般壓縮加工而言，壓力降低很多，只需要低噸位的設(shè)備和能量。超塑性壓縮2014/12/0225超塑性擴(kuò)散連接(SPF／DB)是利用高溫下材料表面的局部超塑性氣脹成形而使接觸面貼緊，以保證連接表面層上的互擴(kuò)散，產(chǎn)生原子量級(jí)上的結(jié)合，而獲得整體的接頭技術(shù)。超塑性鎂合金的發(fā)展方向從鎂合金研究熱潮和鎂合金的潛力來(lái)看，鎂合金在國(guó)防、民用工業(yè)上的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。超塑性鎂合金要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，那么必須達(dá)到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求，可以預(yù)計(jì)，將來(lái)的超塑性鎂合金從性能上應(yīng)該朝著低溫和高應(yīng)變速率的方向發(fā)展；從工業(yè)生產(chǎn)的角度來(lái)看，應(yīng)該朝著低成本化的方向發(fā)展；從工藝上來(lái)看，應(yīng)該朝著安全化和環(huán)保化的方向發(fā)展。2014/12/0226低溫超塑性鎂合金材料：低溫超塑性是指在熔點(diǎn)一半以下的溫度(鎂合金為473K)仍具有超塑性。多年來(lái)大量的研究表明，除非采用快速凝固和大變形使晶粒充分細(xì)化以降低反向應(yīng)力并通過(guò)晶界滑動(dòng)以增強(qiáng)晶體旋轉(zhuǎn)，否則結(jié)構(gòu)鎂合金室溫變形總呈孿生傾向。鎂合金一般在高溫下才會(huì)顯示出優(yōu)良的超塑性，而高溫加工必然對(duì)可操作性和模具壽命都造成極為不利的影響，所以低溫超塑性是鎂合金超塑性發(fā)展的一個(gè)重要方向。2014/12/0227高應(yīng)變速率超塑性是近年來(lái)超塑性研究領(lǐng)域的一個(gè)新方向。大部分高應(yīng)變速率超塑性材料是