热处理多向锻造镁合金ZK60组织与性能的影响研究(2)
结 论 19
致 谢 20
参考文献 21
1 引言
镁作为一种轻金属，其密度为1.738g•cm-3，具有密排吹冰方的晶体结构，因此在室温下其滑移系较少，所以纯镁的加工性能受到了很大的限制。但同时镁的资源十分的丰富，其在地壳中的含量达到了2.7%，在工业金属中仅次于Al和Fe，居第三位[1]。为了形成不同性能和用途的镁合金，可以通过在镁中添加不同的合金元素。
镁合金作为一种最轻的金属结构材料, 由于具有密度低、比强度和比刚度高、抗震及减振能力强、导热性好、电磁屏蔽效果优异、机械加工性能优良及易回收等优点，在许多领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，因此，被誉为是21 世纪最具发展前途的商用金属工程结构材料[2]。
多向锻造技术是大塑性变形法中一种代表性工艺。所谓的大塑性变形法就是使材料产生剧烈的塑性变形以达到强烈细化晶粒的效果,其平均晶粒尺寸一般都在亚微米乃至纳米级。目前大塑性变形法已被国际材料学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的方法，正引起材料专家们越来越多的兴趣和关注[3-5]。与其它几种代表性大塑性变形法如等径角挤和高压扭转相比,多向锻造技术由于其工艺简单、成本低,使用现有的工业装备即可制备大块致密材料以及可使材料性能得到改善等优点,有望直接应用于工业化生产[6-8]。
1.2 多向锻造技术(Multi-direction Forging)
1.2.1 多向锻造原理
多向锻造是一种典型的自由锻造技术，多向锻造的工艺原理如图1所示。在材料随着外部载荷而进行轴向的形变，且材料不断的被压缩和拉长，通过这个不断重复的过程从而实现材料内部晶粒的细化，从而改善材料的综合性能。Salihchv是俄罗斯国家科学院的超塑性研究所的成员，他在对TiAl材料的研究中采用了这种工艺，TiAl是一种脆性较大的材料[9]。Salihchv首先让材料进行机械热变形，从而获取较细的晶体组织，此后采用超塑性变形来获取组织在材料内部的均匀性，最终通过机械热变形来获取到纳米级的晶体组织。Salihchv采用该方法制取的TiAl材料的晶粒的尺寸达到了100nm。
多向锻造工艺过程中材料的变形量可以由公式1-1表示：
式中 n----变形道次；
ε----变形量；
x1----材料变形后高度；
x2----材料变形前高度。
与常规的轧制或者单向的墩粗成形工艺相比较，多向锻造工艺的独特之处就在于材料在形变的过程中的外部载荷是沿着轴向顺序变化的，这样的加工工艺对于材料的性能有着很大的影响，因为它可以直接改变材料内的流变应力与显微组织。Sitikov[10]针对铝合金7475进行了多向锻造和单向形变的实验比较，这两种实验的结果的差别主要集中在体积分数和晶粒的尺寸上。在单向变形工艺中的晶粒尺寸为5.5μm左右，体积分数以较快的上升速度稳定在0.2，而在多向形变工艺中晶粒的尺寸略有增加，但是其体积分数却可以达到0.85。通过对比这两种实验的结果，一些研究人员[7,10]认为导致上述结果的原因主要是在形变过程中的第一次压缩中，材料内部的组织结构变形带大多处于平行状态，如果在原有载荷的方向上继续的压缩，随着变形程度的提高，这些变形带的位向会发生一定的变化，他们之间的距离原来越小，最后形成的组织是以高密度流线型的组织。这样的工艺手段使得新形成的晶粒主要沿着晶界慢慢形成，体积分数较低的原因是因为晶粒内部产生的晶粒很少。而如果采用多向成形的工艺手段，变形带的取向会因为外加载荷方向的不断变化而不断的变化，因此在晶粒内部形成综合交错，在变形带中位错堆积程度较重，因此位错的密度较大，位错之间由于相互交织从而形成了新的胞组织。如果此时继续增加变形量，胞状的组织就会继续演变成亚晶粒，从而进一步的形成大小晶界的新晶粒。这样条件下产生的新晶粒不仅能够在晶界处产生，而且还会在晶粒的内部集中出现，从而实现了材料组织的细化[6,7,11]。
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