热处理多向锻造镁合金ZK60组织与性能的影响研究(3)
图1 多向锻造技术示意图
1.2.2 多向锻造晶粒细化机制
目前关于大塑性变形晶粒细化机制有形变诱导晶粒细化、热机械变形细化晶粒和形变组织再结晶导致晶粒细化等三种[12,13]。对于多向锻造工艺而言，前两种是其主要的晶粒细化机制[13]。由于累积的塑性变形很大，导致材料动态再结晶温度下降，发生动态再结晶的临界应变值降低，这是热机械变形细化晶粒的主要原因。Yang等人[14]认为形变诱导晶粒细化机制本质上类似于连续动态再结晶，即是一种非形核长大的过程。虽然该种机制一般只有在高层错能金属中才能发挥作用，但已有研究表明连续动态再结晶是镁合金中一种重要的形核机制[14,15]。
在进行多向锻造的低变形量时期，导致晶粒细化的主要原因为热机械变形细化晶粒，通过热机械变形将原始晶粒打碎或者拉长，观察变形后的材料微观组织可以发现有大量的残余粗大晶粒，大晶粒边缘处出现新晶粒，总体上表现为晶粒尺寸分布不均匀，并且新生成的晶界其晶界取向差多为小角晶界。然而尽管多向锻造工艺的变形温度低于再结晶温度Tm，但在随后的变形中由于反复锻造过程中累积的变形量很大，在材料内部积累了大量的变形畸变能，为再结晶提供额外的能量，导致发生再结晶所需温度下降，发生了动态再结晶过程。首先，由于塑性变形在晶界处形成了大量的位错塞积，能量升高，所以优先在原始晶粒边界处发生动态再结晶，晶粒尺寸得到进一步的细化。然后，随着变形量的增加，新生晶界由小角晶界向大角晶界逐步演化，晶界结构以及晶粒尺寸逐渐稳定，部分先形成的再结晶晶粒由于温度的原因发生长大，但是在整个进行多向锻造的材料内部呈现的是总店晶粒尺寸趋于均匀。
关于动态再结晶过程的机制的认识，现阶段认为主要存在两种机制:一种是山位错所主导的位错滑移塞积机制，位错在晶界处大密度塞积，首先形成位错胞，进而在晶内形成亚晶界，之后随变形量的增加演变成小角晶界乃至大角晶界，这与动态再结晶过程中观察到的在原始晶界处优先形成新晶粒的现象相符合;另一种是由孪晶所主导的变形机制，由二次孪晶的形成以及孪晶的相互交截形成新的再结晶晶粒。前一种动态再结晶机制在合金以及复合材料中比较常见，原因在于其材料中的合金第二相以及复合材料中的增强体提供了良好的位错塞积源[16]。
1.2.3 多向锻造影响因素
影响多向锻造组织和材料性能的因素很多，主要有：累积应变量、道次应变量、变形温度、应变速率和初始组织状态等。随着累积应变量的增加，加工软化起主导作用，流变应力降低，(亚)晶内平均位错密度逐渐降低并趋于稳定。(亚)晶粒尺寸在变形早期先迅速减小而后文持在某一范围，基本不随累积应变量变化。而应变诱发(亚)晶界平均位向差随着应变量的增加而不断增大，在大应变量下形成具有大角度晶界新晶粒，材料组织得到充分细化[17-19]。
在一定范围内，道次应变量越大，材料变形中的加工软化越显著，流变应力越快达到稳态。同时增加道次应变量能有效加快材料晶粒细化进程，在相近的累积应变量下，较大道次应变量变形的材料组织具有更高的应变诱发晶界密度，新晶粒平均位向差和体积分数增大，尺寸减小[20]。温度影响材料动态再结晶行为和晶粒细化进程，多向锻造工艺的变形温度一般低于0.5Tm，由于累积的塑性变形量很大，导致动态再结晶温度下降。在可变形范围内，相同条件下的变形温度越低，动态再结晶新晶粒尺寸减小，同时组织内大角度(亚)晶界的比例增大[21]。在同一变形温度下，应变速率越大，塑性变形时所需的变形时间减少，位错产生运动的数目增加，同时由动态再结晶等提供的软化过程缩短，塑性变形进行不充分，从而提高合金变形的临界切应力，导致流变应力增大[22]。
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