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镁合金作为最轻的金属结构材料,被誉为“二十一世纪绿色结构材料”,在汽车、高铁以及3C产品领域的应用需求日益迫切。相对于铸造镁合金,变形镁合金板材具有优异的力学性能,且可以进行二次成形,故能够满足产品形状和性能多样性的要求。然而,目前,不仅具有高强度的镁合金板材种类少,具有室温高塑性并适合室温(或低温)二次成形的镁合金板材更少,限制了镁合金板材的广泛应用。同时,现有商业镁合金板材具有强烈基面织构,这种基面织构容易导致镁合金板材的拉压不对称性、高的各向异性以及低的塑性和成形性能,因此可以通过调控镁合金板材的织构来改善镁合金板材的力学性能和成型性能。本论文利用稀土元素对镁合金的强化效果、以及对塑性变形机制和再结晶过程的影响,设计了两类Mg-Zn-1％RE合金板材:一类是高锌的Mg-5.8%Zn-1%Y-0.48%Zr合金;另一类是低锌的的Mg-x(x=1,2,3)%Zn-0.8%Gd系合金。对这两类合金板材的组织、织构、力学性能和塑性变形机理进行了系统的研究。本论文研究内容主要分为以下五部分:
1.研究了高锌和低锌两类镁合金轧制板材的组织和力学性能。结果表明,高锌的Mg-5.8Zn-1Y-0.48Zr合金中存在大的准晶Ⅰ相(Mg3Zn6Y),随着轧制温度的升高,Ⅰ相被有效破碎为细小的颗粒,并均匀地分散在基体中,获得了均匀组织,板材具有强烈的基面织构,合金的室温强度达到340MPa,轧制板材在753K,应变速率为5.2×10-4 s-1时呈现很好的超塑性,伸长率达到1020%;晶界滑动和由原子扩散控制的位错蠕变是超塑性变形的主要机制。在低锌的Mg-xZn-0.8Gd合金中存在着大量的小于1μm的W相(Mg3Zn3Gd2)相颗粒和一些位于晶界处的条带状W相;随着Zn含量的增加,晶界处的条带状第二相颗粒数量明显增加。轧制实验结果表明Mg-1Zn-0.8Gd和Mg-2Zn-0.8Gd在350～450℃时都具有较好的轧制性能,而Mg-3Zn-0.8Gd的轧制性能较差,轧制后的板材呈现非基面织构和很高的延伸率。
2.研究了Mg-xZn-0.8Gd轧制板材的织构、室温塑性和各向异性的关系。结果表明,与商业AZ31合金板材的织构(基轴向轧向偏转10～20°)明显不同,Mg-xZn-0.8Gd板材具有非基面织构,其织构基轴向横向偏转±43°。室温拉伸实验结果表明该合金板材具有良好的室温伸长率(沿横向达到42%),低的平均各向异性因子(接近1)和高的硬化指数(0.25～0.40),这些特征共同表明,由于该板材织构基轴存在大的偏转角度,使其在室温下具有良好的二次成形性能。
3.研究并揭示了Mg-xZn-0.8Gd轧制板材在室温拉伸时的塑性变形机制。沿横向拉伸时不同应变处的组织分析表明,与AZ31合金板材以压缩孪生变形为主不同,新型合金板材在变形初期以基面滑移和拉伸孪生为主,不发生压缩孪生。分析表明,因为织构基轴的偏转角度达到±43°,晶粒基面滑移的Schmid因子高达0.46,所以基面滑移在整个变形过程中起着重要的作用;根据室温拉伸变形组织观察结果,提出了判定镁合金塑性变形中“织构基轴偏转角临界值”的概念。在Mg-Zn-Gd合金板材中,偏转角大于临界值,发生拉伸孪生变形,板材表现出优秀的拉伸塑性;而在商业AZ31合金,偏转角度小于临界值,因此发生压缩孪生变形,塑性较差。
4.阐明了Mg-2Zn-0.8Gd合金在轧制过程中的组织演变和再结晶机制。在粗轧时,在c轴平行于板面的晶粒内发生了拉伸孪生,并在孪晶内发生大量的再结晶,这一类晶粒内的组织相对均匀;而在c轴垂直于板面的晶粒内,则在局部发生剪切变形,形成剪切带,并在其内发生少量再结晶,这些剪切变形带将原晶粒分为变形区和非变形区,晶粒内部为不均匀组织;在精轧时,EBSD观察发现,粗轧过程中产生的剪切变形带的内部的晶粒沿着剪切方向继续产生小角晶界,发生连续再结晶,导致剪切变形带内的晶粒更加细小。
5.研究了Mg-x(x=1,2,3)%Zn=0.8%Gd合金以及Mg-1%Gd和Mg-1%Zn在等通道挤压过程中的组织和织构演变。结果表明,随着Zn含量的增加和挤压道次的增加,大尺寸第二相颗粒的数量、再结晶份数和组织均匀性都逐渐增加。挤压四道后,Mg-xZn-0.8Gd合金的组织由细小的再结晶晶粒和沿着剪切方向伸长的未再结晶晶粒组成的非均匀组织,其织构则是由强度相当的基面织构组分和基轴向挤压方向偏转38°的非基面织构组分组成。通过与Mg-1%Gd及Mg-1%Zn二元单相固溶体合金的组织和织构对比发现,固溶稀土原子是抑制再结晶,导致形成非均匀组织和特殊织构的主要原因。