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等通道转角挤压(ECAP)技术是众多严重塑性变形加工技术中最具有工业应用潜力的工艺,可以方便地制备出大块、致密、无污染的超细晶金属材料。利用ECAP来处理镁合金不仅可以有效地细化其晶粒尺寸,还可能调整其织构。通过合理地调整ECAP参数可以制备出具有较好强度、塑性相匹配力学性能的镁合金。
本文选用了三种不同特点的镁合金,即单相的AM60,含有稀土第二相的GW123及超轻型LS31镁合金,来进行多道次ECAP处理,系统地研究了这三种镁合金在ECAP过程中微观组织演化过程、织构演化过程以及不同状态下的拉伸性能。通过上述结果分析,试图揭示镁合金强韧化的理想途径。与此同时,针对不同的微观组织与力学性能之间的关系提出了不同的ECAP强韧化策略。此外,利用背散射电子衍射(EBSD)技术研究了AZ31镁合金在不同应变路径时的室温压缩变形行为,并详细分析了影响孪生变形的因素及孪晶产生后对镁合金组织、织构的影响。主要结论如下:
1.对AZ31镁合金的孪生行为有重要影响的因素有:晶体取向、晶粒尺寸及塑性应变量。当沿垂直于晶粒c轴方向进行压缩时,该晶粒将容易发生{1012}<1011>孪生变形,且晶粒越大孪生越容易。当应变量增加到大约10％时,孪晶将饱和,此时合金的织构与原织构大约转动90°,而织构强度相当。
2.ECAP不仅可以成功地细化单相镁合金AM60的晶粒尺寸还能有效地改变其织构。ECAP四道次挤压后该合金的平均晶粒尺寸基本保持不变,大约为2.5μm,同时形成了基面与挤出方向成大致45°的强烈剪切型织构。比较该合金不同状态时的室温拉伸性能,发现ECAP三道次处理样品的强度与塑性匹配性能最好,这是细晶强化和织构弱化相互竞争的结果。
3.ECAP能非常有效地细化GW123镁合金的晶粒与第二相尺寸,并能提高该合金的综合力学性能。ECAP四道次挤压后,该合金的平均晶粒尺寸大约为490nm,而第二相颗粒的平均尺寸大约为290 nm,同时处于亚微米尺度范围。与此同时,由于稀土元素的加入及第二相对再结晶机制的影响致使该合金在ECAP前后的织构较弱。ECAP过程还能使第二相分布更加均匀。以上三个因素导致了该合金在ECAP挤压四道次后具有良好的力学性能。
4.ECAP能细化超轻型镁合金LS31的晶粒尺寸,但是在四道次挤压后并没有形成均匀的再结晶组织,而是再结晶与变形组织同时存在的复合组织。在ECAP四道次挤压以后,该合金的强度得到大幅度提高,而原始态的良好塑性也得到保持。强度的提高归结为晶粒细化及位错硬化作用；而塑性良好是因为复合组织中的变形晶粒能产生大量滑移带,再结晶晶粒也具有良好的加工硬化能力,且四道次后形成的45°剪切型织构有利于塑性变形。
5.由于AM60、GW123及LS31镁合金都是在较高温度下进行ECAP处理,因此非基面滑移系得到大量激活,其晶粒细化机制主要为位错分割机制,只有在少数应力集中严重的晶粒中有少量变形孪晶。
6.对于单相镁合金AM60与LS31来说,其再结晶机制为旋转再结晶机制,该机制导致在ECAP变形后形成了强烈的基面织构。而含有稀土第二相的GW123镁合金在ECAP变形时主要的变形机制为颗粒诱导形核的再结晶机制,该机制不会在合金中形成强烈的织构。
7.采用ECAP来强韧化镁合金时需要注意以下三个方面:1)由于霍尔-佩奇关系,晶粒越细强度越高;2)基面剪切型织构会带来软化作用,因此降低剪切织构的强度有助于保持细化晶粒带来的强化作用；3)添加稀土元素所带来的析出相有助于提高镁合金的强度,同时利用ECAP处理使析出相分布均匀,还能有效提高其塑性变形能力。