镁合金的塑性变形及再结晶热处理对其组织性能的影响

余琨中南大学材料科学与工程学院2013Outline背景知识;变形镁合金板材塑性加工原理及方法;镁合金塑性加工工艺及材料性能研究;镁合金塑性加工工艺的数值模拟;镁合金板材成形性能研究;值得继续的研究方向1、背景知识金属材料的回复和再结晶冷变形后的金属材料变得更硬和脆重新加热后通过回复、再结晶和二次再结晶，改变冷变形金属材料的特性，称为退火(annealing)1、背景知识应变时的储能是发生再结晶的驱动力Structureof85%ColdworkedmetalTEMof85%ColdworkedmetalPolygonizationGrainBoundariesStructureofstressrelivedmetalTEMofstressrelivedmetal回复时微观结构的变化1、背景知识再结晶的过程及其微观结构NucleusofrecrystallizedgrainMoredeformedregionExpansionMigration再结晶晶粒的形核+长大1、背景知识金属材料的塑性变形和退火是直接影响材料加工性能和使用性能的重要过程，在轻合金加工过程中起非常重要的作用；通过塑性变形与退火处理的组合，可以使铝合金、镁合金、钛合金获得不同的成形性能和服役性能；塑性变形——力的作用；退火——热的作用；1018-ColdRolled1018-Annealed1、背景知识动态回复：高层错能材料动态再结晶：低层错能材料金属材料的塑性变形过程中热、力共同作用的影响1、背景知识镁合金被称为21世纪的“绿色工程材料”；变形镁合金强度高、塑性好，性能具有多样性和可靠性的特点，产品成本低；使用变形镁产品的潜力比用其它方式生产的镁产品更大，要使镁合金大量的应用于结构件上，必须发展变形镁合金产品；有色金属材料制品中70%以上是板、带材，轧制变形镁合金板材的研究和加工技术的突破对开发变形镁合金产品有重要促进作用。2、变形镁合金塑性变形原理镁合金的塑性变形特征：HCP晶体结构及c/a轴比值造成镁的塑性变形困难。塑性变形机制：滑移、孪生、超塑性；板材塑性加工方法：热加工、温加工、冷(常温)加工；板材塑性加工工艺：（1）DC:半连续铸锭（directchilling）+热轧;（2）EX:铸锭挤压开坯（Extruding）+热轧；（3）TRC:连续双辊铸轧（twinrollcasting）+热轧2.TypicalplasticdeformationmethodsThreetypicalproductionmethodsforMgalloysheets.1.Ingot:DC(directchilling)+HR(hotrolling)ThefirstisconventionalHotRollingofDCingotsandhasbeenusedbymanyfactories.itneedmanyrollingstepsandreheatingtoobtainathinsheet.Theworkingefficiencyislowandthepriceofthesheetisveryhigh.2.TypicalplasticdeformationmethodsThreetypicalproductionmethodsforMgalloysheets.2.Ingot:EX(Extruding)+HR(hotrolling)ExtrudeRollThesecondmethod,wecanextrudeandrolltheingottoobtainthesheet.ThismethodisveryhelpfultoobtainthinMgsheetsbutithardtogetwidesizesheetduetothesizelimitoftheextrusiondie.2.TypicalplasticdeformationmethodsThreetypicalproductionmethodsforMgalloysheets.3.TRC:(twinrollcasting)+HR(hotrolling)CSIROCSUThenewdevelopedmethodistwinrollcastingandcanobtainlargesizeMgsheets.ItisahopefultechnologytoincreasetheapplicationofMgsheets.3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能0.01s-10.1s-11s-15s-110s-12118033.52121055.58033.51121055.5ln02278201ZZ.σ3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能abcd100μm100μm100μm100μmDRXgrains50μma50μmb50μmd50μmc铸锭开始第一道轧制后续道次轧制3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能开始第一道轧制后续道次轧制3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能b50μmab50μmc50μm3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.1DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能5s-10.01s-10.1s-11s-13、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟012345678400420440460480500520T/t/s从165mm轧制到18mm厚度的数值模拟轧件温度变化情况(b)(a)3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2DC-AZ31B镁合金板材塑性加工温度场数值模拟第一道次热轧变形区内温度分布第一道次热轧过程中温度变化曲线a-表面节点b-中部节点c-心部节点(b)(c)(d)(a)不同道次变形中温度变化曲线(a)第1道次(b)第3道次(c)第6道次(d)第9道次3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)11道次轧制变形后温度沿板材厚度方向分布图3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟11道次轧制变形后等效应力沿板材厚度方向分布图(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.2DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟11道次轧制变形后等效应变沿板材厚度方向分布图(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能TypicalplasticdeformationmethodsMicrostructureofEX-AZ31BalloysheetDynamicrecrystallized(DRX)grainsCoarseelongatedgrainsalongtheextrudingdirection.BoththecoarseelongatedgrainsandtheDRXgrainsexistintheEX-sheet3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能EDTDND图挤压板材三维光学显微照片(ND,法向;TD,横向;ED,挤压方向)由图中可见，板材晶粒由较细小的等轴动态再结晶晶粒组成，但晶粒大小分布不是很均匀，平均晶粒尺寸约为37um.3.Typicalplasticdeformationmethods3.3EX-AZ31B:tensilepropertiesondifferentdirections0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20050100150200250300350Stress/MPaStrainEDTD45oEDTD45EDTDorientationσb/MPaσ0.2/MPaδ/%ED280.0200.413.245°258.0125.219.0TD276.0107.416.2ThemechanicalpropertiesondifferentdirectionsofextrudedAZ31Balloyaredifferentobviously.Findinganappropriatesubsequentrollingparametersisimportantforgettingathinsheet3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(b)挤压薄板在不同退火工艺条件下的金相照片(a)300度退火0.5h;(b)450度退火3h挤压态薄板在退火过程中晶粒长大不明显，图1a平均晶粒尺寸为38um，图1b平均晶粒尺寸约42um，板材退火之后的室温力学性能相比挤压态略有下降。3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(b)(c)(d)压下量15%压下量30%压下量45%压下量55%3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(b)(c)(d)400度,30%压下量热轧后的TEM照片(a),(b)胞状亚结构及亚晶;(c),(d)孪晶3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能(a)(c)(b)(d)400度,30%压下量热轧后不同退火工艺的金相照片(a)200度退火1h,(b)350度退火1h,(c)300度退火0.5h,(d)400度退火5min3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能400度,30%压下量热轧后退火的TEM照片abcd3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能400度不同压下量热轧后经不同退火工艺的平均晶粒尺寸（截线法）压下量退火工艺15%30%45%55%200度退火1h8.9um6.9um5.8um4.9um400度退火5min12.1um8.2um7.5um7.1um350度退火1h12.5um9.2um7.8um7.0um10203040506002468101214annealing1hat2000cannealing1hat3500cAveragegtainsize(microns)%reduction热轧后经不同退火工艺的平均晶粒尺寸轧制前的平均晶粒尺寸约40um，15%压下量轧制并退火后平均晶粒尺寸约10-12um；当压下量超过30%以后，晶粒细化效果减弱。3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究3.3EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20050100150200250300350Stress(MPa)Strainhotrollingas-extrudedannealing1hat2000C薄板不同状态的拉伸应力应变曲线对比(均沿挤压/轧制方向)状态σb(MPa)σ0.2(MPa)δ(%)挤压态280.0200.413.2400度热轧态301.0231.72.6热轧后200度退火1h278.9181.618.33、镁合金板材塑性