Mg-Gd-Y合金管材热挤压工艺优化及变形机理探究

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镁合金是最轻的金属结构材料,镁合金挤压件,尤其是中空件能够进一步减轻结构重量,因而具有很好的应用前景,但是目前典型的商业镁合金(如AZ31)管材具有强烈的各向异性,低温下难以进行二次形成。本研究拟选取具有织构弱化潜力的Mg-8%Gd-3%Y(wt%)(GW83)合金,研究管材挤压成型性以及管材力学性能。本论文采用分流模挤压合金管材,光学显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM),原位或非原位背散射电子衍射(EBSD)以及透射电镜(TEM)对变形前后合金管材微观组织进行表征,采用单向拉伸及压缩实验分析管材的变形行为。充分讨论挤压前初始组织及挤压工艺对GW83合金管材的微观组织和力学性能的影响。对比分析强织构(AZ31)合金管材及弱织构(GW83)合金管材变形行为差异性;另外还分析了时效处理前后GW83管材的变形行为,讨论析出相对管材变形行为的影响。取得了如下结果:在370~420℃范围内能够实现给定日字型GW83管材的挤压成型,获得表面质量好,尺寸符合要求的合金管材。采用铸态材料为挤压坯料,挤压后空冷和采用挤压棒为挤压坯料,挤压后空冷或水冷得到的挤压管材,围观组织都很均匀,再结晶完全;挤压管材织构较为随机,与典型的挤压丝织构不同,GW83挤压管材发晶粒c轴与挤压方向呈60°左右的偏转。GW83挤压管材具有优良的综合力学性能,屈服强度(150-195)MPa,抗拉强度(270-295)MPa,延伸率(18-27)%。时效强化对GW83挤压管材的强度有很大的提升作用,时效处理过后,屈服强度提高到(240-295)MPa,抗拉强度(395-405)MPa,延伸率保持在(6-12)%。选取AZ31管材与GW83管材进行对比研究,由于AZ31合金具有强的丝织构,AZ31合金在沿挤压方向进行压缩变形过程中有大量孪生产生,在应力应变曲线上变现为一段平台区,随着孪生的长大并吞噬母晶粒,力学行为上应变硬化率增高;而织构较弱的GW83合金压缩过程中,产生的孪生的数量明显减少,当应变量达到0.15时,孪生的面积分数达到5%,从而应力应变曲线与拉伸变形的应力应变曲线相差不大。因此,GW83合金具有更好的拉压对称性。研究了挤压态和时效态GW83合金沿不同方向拉伸、压缩变形过程中的组织与织构演变过程发现,挤压态GW83合金在沿不同方向变形过程中,产生的孪生比较少,因而力学性能各向异性降低。但沿不同方向变形,当晶粒取向有利于基面滑移时,材料强度低而晶粒取向不利于基面滑移时材料强度高,仍会造成力学性能各向异性。时效处理过后,大量的析出相βˊ对基面滑移有很强的阻碍作用,提高了非基面滑移开动的可能性,时效态合金表现出更高的强度及更低的变形各向异性。
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