变形过程中发生了晶粒的长大 。
1. 2 镁合金的超塑性机制
镁合金的超塑性变形速率 q 一般通过式 (2) 来
描述[12] 。
ε=
A(
GbD0 )
(
b)
p (σ-
σ th )
n exp (
-
Q)
(2)
kT d
G
RT
式中 , A 为常数 , G 为剪切模量 ; b 为伯格斯矢量 ; k 为玻尔茨曼常数 ; T 为绝对温度 ;σth 为阀值应力 ; d
Abstract : Magnesium alloys generally have bad plasticity at ambient temperatures. The plasticity can be improved by heating the magnesium alloys to high temperatures. It has been reported that magnesium alloys like AZ31 ,AZ61 ,AZ91 have superplasticity at high temperatures with slow plastic deformation velocity. Recent researches indicate that superplasticity can be realized at relatively lower temperatures and higher deformation velocities. This suggests that magnesium alloys have good potentials for industrial applica2 tions. This paper reviews the researches on superplasticity of magnesium alloys. Main achievements of the researches are stated. Re2 maining issues and potential research subjects are analyzed. Key words : magnesium ;magnesium alloys ;superplasticity ;plastic processing
仔细分析这些数据可以看出 ,镁合金超塑变形 的激活能 Q 与合金种类及加工方法没有明显相关 性 ,但与变形温度之间有一定关系 。Watanabe 在分 析 AZ61 合金的超塑性行为时指出 ,超塑流动的激活 能在 585 K处有明显变化 ,即在该温度以下时接近晶 界扩散激活能 ,而在该温度以上时接近晶格扩散激 活能[8] 。尽管合金不同 ,但从文献 [ 1 ] 的结果来看 , AZ91 合金在423 K～523 K(小于585 K) 的温度范围 内 ,其超塑流动激活能接近晶界扩散激活能 。而文
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轻 合 金 加 工 技 术
2005 , Vol . 33 , №10
镁合金超塑性研究
曹 磊 ,丁汉林 ,刘六法
(上海交通大学 材料科学与工程学院 ,上海 200030)
摘要 :镁合金在室温下的塑性比较差 ,但在高温时塑性会有很大程度的改善 。AZ31 、AZ61 、AZ91 等合金在较高的温度 和较慢的拉伸速率下具有超塑性 。最新研究表明镁合金能够在低温和高变形速率下实现超塑性 ,因而具有工业化 应用的可能 。综述了镁合金超塑性研究领域的主要成果 ,分析了该领域研究中尚存在的一些问题 ,就今后的研究课 题及发展方向进行展望 。 关键词 :镁 ;镁合金 ;超塑性 ;变形加工 中图分类号 :TG146. 22 文献标识码 :A 文章编号 :1007 - 7235 (2005) 10 - 0008 - 05
料组织应力具有抑制晶粒长大的析出物的单相组织
或者是二相混合组织 。
塑性变形时 ,应力与应变速率之间一般有式 (1)
所示相关性 。
σ= K(ε) m
(1)
式中 ,σ为流变应力 , K 为材料常数 ,ε为应变速率 ,
m 为应变速率敏感系数 。与一般塑性变形时0. 1 ÷
m ÷ 0. 2不同 ,超塑性变形时 m 一般不小于 013 。研
Superplasticity of Magnesium Alloys
CAO Lei ,DING Han2lin ,LIU Liu2fa
( School of Materials Science and Engineering , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030 , China)
收稿日期 :2005 - 05 - 20 第一作者简介 :曹 磊 (1979 - ) ,男 ,山东苍山人 ,硕士研究生 。
2005 , Vol . 33 , №10
轻 合 金 加 工 技 术
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1 镁合金的超塑性现象及机制研究
1. 1 镁合金的超塑性现象
超塑性一般指多晶体材料在拉伸变形过程中 ,
变形应力对应变速率有显著相关性 ,没有明显颈缩
而伸长率达到百分之百以上的塑性变形现象[6] 。它
发生在绝对温度为合金熔点的一半以上 ,应变速率 较慢 (约 1024 s21 ) ,及变形应力较低的条件下 。超塑性
材料一般要求其晶粒为等轴晶 ,晶粒尺寸较小 ( 在
10μm以下) 。为保证变形过程中晶粒不会长大 ,材
究表明 ,镁合金具有超塑性特征时其 m 值一般在0. 3 以上 ,往往达到0. 5左右[1～5 ,7 ,8 ,10] 。从目前的研究成
果看 , m 的值跟应变速率有一定的关系 (如图 1[1] 所
示) 。对某种镁合金而言 ,在其他试验条件相同时 ,
在超塑性最为显著的应变速率范围内 , m 具有最大
值 ,而在该应变速率范围两侧其值均有不同程度的
减小 。m 值大代表随应变速率的变化 ,体现材料超
塑性的最大断裂伸长率有显著的增长 ,反之则增长
不明显 。因此 ,确定 m 值的大小及对确定适用于工
业生产的应变速率范围具有指导作用 。
与其他合金类似 , 镁合金的超塑性对晶粒大小
有显著依赖关系。图 2 为镁合金超塑性随晶粒细化 的增长趋势[6] 。由图 2 可见 ,晶粒细化可以使镁合金 的超塑性得到明显增强 ,尤其当晶粒大小为几微米数 量级时 ,晶粒细化对超塑性的提升效果非常显著 ,在 1μm左右时最高可达 1 500 %以上 。Mabuchi 等在研究 AZ91 镁合金在473 K的超塑性时 ,发现了与上述规律 不同的现象 ,即退火处理尽管使 ECAE ( Equal Channel Angular Extrusion 等角转挤压) 处理后的试样晶粒长大 了约 4 倍 (由0. 7μm长大到3. 1μm) ,但其超塑性没有 降低反而有大幅度提高[1] 。作者将这种特殊现象归 因于 as2ECAE 试样中能够对晶界滑移产生调节作用 的许多 位 滑 移 被 非 平 衡 晶 界 引 起 的 长 程 应 力 所 阻 碍[1] 。而当退火处理使其晶粒进一步长大到37μm时 , 合金的流变应力大大增大 ,而最大断裂伸长率大大减 小 ,即其超塑性迅速下降[4] 。这说明退火过程中非平 衡晶界转化为平衡晶界对 as2ECAE 试样超塑性的提 高作用与晶粒长大的作用相反 ,当后者的作用强于前 者时 ,材料的超塑性会显著降低 。因此 ,对经过 ECAE 处理的具有非平衡晶界的材料而言 ,确定最佳退火工 艺使材料达到最大超塑性的研究具有非常重要的价 值。另一方面 ,研究并确立既能使材料晶粒得到细化 又能使其晶界具有平衡状态的方法同样具有极其重 要的意义 。
表 1 基于式 (3) 求得的扩散激活能 Q 的值[1 ,3 ,8]
合金
加工方法
AZ91 AZ91 ZK61 ZK60 AZ91 AZ91 AZ61 AZ61
PM( Powder Metallurgy) 铸锭冶金 PM IM as2ECAE ECAE + annealing as2extrusion as2extrusion
献[ 3 ]中的几种材料由于变形温度较高 ,其 Q 值均大
晶粒尺寸 ; p 为晶粒尺寸指数 ; D0 为扩散常数 ; Q
为扩散激活能 ; R 为气体常数 。
当 (σ- σth )ΠG 为常数时 , Q 可以通过式 (3) 来
计算[3 ,13 ] 。
Q=
-
R
9[ lnε( TΠG) ( dΠb) 9 (1ΠT)
p
]
(3)
基于式 (3) 所求得的 Q 值如表 1 所示 。
由于传统高温塑性加工具有变形温度高 ,工艺 控制复杂等缺点 ,迫切需要提高镁的低温塑性加工 性能 ,开发新的镁合金塑性加工方法 。晶粒细化可 以大幅度改善镁合金的室温力学性能 ,改善合金的 塑性加工性能 。镁合金的超塑性及利用其超塑性进 行塑性加工成形的研究越来越受到重视 。最新的研 究表明 ,当镁合金的晶粒尺寸达到1μm甚至更小时 , 能够在高应变速率 ( ≥1022 s21 ) [1 ,2] 或温度较低 (≈0. 5 Tm , Tm 为合金的熔点) [1～5] 的变形条件下实现超塑 性 。本文叙述最近镁合金超塑性的研究成果 ,并就 今后的发展方向进行展望 。
镁作为一种蕴藏量丰富的 ,对环境和人类没有 危害的再生型金属 ,在资源和环境问题日益变得突 出的状况下 ,其在汽车 、航空航天等迫切需要轻量化 的工业领域中的应用正受到前所未有的关注 。目前 镁合金零部件的制造方法主要还是压铸 、半固态铸 造等方法 。为了适应交通工具零部件等性能要求更 高的产品的制造要求 ,迫切需要开发镁合金的锻造 、 轧制 、挤压等塑性加工及成形技术 。
从图 2 也可以看出 ,变形温度对镁合金的超塑 性具有较大的影响 。当初始晶粒尺寸及应变等变形 条件相同时 ,较高的变形温度能使镁合金具有更佳