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1、镁合金的塑性变形及再结晶对其组织和性能的影响,余 琨中南大学材料科学与工程学院2013,Outline,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,Structure of 85%Cold worked metal,TEM of 85%Cold worked metal,Po
2、lygonization,Grain Boundaries,Structure of stressrelived metal,TEM of stressrelived metal,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,Nucleus of recrystallized grain,More deformed region,Expansion,Migration,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
3、成形性能和服役性能；,塑性变形力的作用；,退火热的作用；,1018-Cold Rolled,1018-Annealed,1、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
4、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（direct chilling）+热轧;,（2）EX:铸锭挤压开坯（Extruding）+热轧；,（3）TRC:连续双辊铸轧（ twin roll casting ）+热轧,2. Typical plastic deformation methods,Three typical production methods for Mg alloy sheets.1.Ingot: DC (dir
5、ect chilling)+ HR (hot rolling),The first is conventional Hot Rolling of DC ingots and has been used by many factories. it need many rolling steps and reheating to obtain a thin sheet.,The working efficiency is low and the price of the sheet is very high.,2. Typical plastic deformation methods,Three
6、 typical production methods for Mg alloy sheets.2. Ingot: EX (Extruding)+HR (hot rolling),Extrude,Roll,The second method, we can extrude and roll the ingot to obtain the sheet. This method is very helpful to obtain thin Mg sheets but it hard to get wide size sheet due to the size limit of the extrus
7、ion die.,2. Typical plastic deformation methods,Three typical production methods for Mg alloy sheets.3. TRC: (twin roll casting)+HR (hot rolling),CSIRO,CSU,The new developed method is twin roll casting and can obtain large size Mg sheets . It is a hopeful technology to increase the application of Mg
8、 sheets.,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,0.01 s-1,0.1 s-1,1 s-1,5s-1,10s-1,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,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,3.1 DC-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,3.1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,b,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.
9、1 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,5s-1,0.01s-1,0.1s-1,1s-1,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.2 DC-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺数值模拟,从165mm轧制到18mm厚度的数值模拟,轧件温度变化情况,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.2 DC-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,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
10、究,3.2 DC-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,3.2 DC-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,3.2 DC-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
11、),(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,3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,Typical plastic deformation methods,Microstructure of EX-AZ31B alloy sheet,Dynamic recrystallized (DRX) grains,Coarse elongated grains along the extruding direction.,Both the coarse elongated grains and the DRX grains e
12、xist in the EX-sheet,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,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. Typical plastic deformation methods,3.3 EX-AZ31B: tensile properties on different directions,The mechanical properties on different dire
13、ctions of extruded AZ31B alloy are different obviously.,Finding an appropriate subsequent rolling parameters is important for getting a thin sheet,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-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
14、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,3.3 EX-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,3.3 EX-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,3.3 EX-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,3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,400度,30%压下量热轧后不同退火工艺的金相照片 (
15、a)200度退火1h, (b)350度退火1h, (c)300度退火0.5h, (d)400度退火5min,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-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,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-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）,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
16、塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,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),3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,A L9(34) orthogonal array with 9 runs, 4 factors, 3 levels are designed for the orthogonal analysis.,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,The sheet heat at 450 for 3
17、0min, then they should be rolled with a reduction of 30% on the direction vertical to the extruded direction. This process is the run 8 of the test.,3、镁合金板材塑性加工工艺及材料性能研究,3.3 EX-AZ31B镁合金板材塑性加工工艺及材料性能,Introduction of TRC Mg strip,Hot-rolling slabs by direct chill (DC) casting; conventional ingot with
18、thicknesses of 200300 mm; require frequent intervening reheating during hot rolling; high price;TRC strip; strip with a thickness less than 10 mm ; eliminates several of the steps in the manufacture of the final sheet products; low price;,Introduction of TRC Mg strip,TRC Mg alloy; Mg alloy with narr
19、ow freezing ranges (AZ31,T=66); increase the solid solubility of alloying elements in Mg matrix; improve the strength and corrosion resistance of Mg alloys; coarse columnar grains;coarse deleterious intermetallic phases;surface/edge cracks,Materials & methods,Mg-3% Al-1% Zn-0.8% Ce-0.3% Mn alloy;A l
20、ab-scale version of a TRC machine with a pair of opposed steel rollers (400*500mm);The rollers featured an inner water-cooled system and had an adjustable rotation speed and roller gap;The width of the TRC experimental alloy strip was set to 260 mm;The contact length between the rollers and the molt
21、en metal was 45-46 mm.,TRC AZ31B strip,A TRC sheet with a thickness of 4 mm and a width of 260mm. The surface of the Mg strip is smooth and without obvious cracks.,Morphology of TRC Mg Strip,Morphology of TRC Mg Strip with UST,Properties of TRC Mg strip,TRC,Hot Rolling,Annealing,TRC,Hot Rolling,Annealing,Properties of TRC Mg strip with UST,Microstructure of TRC Mg strip,No UST,400 W,600 W,800 W,Microstructure of TRC Mg strip,Intermetallic modification,4、镁合金板材成形性能研究,4、镁合金板材成形性能研究,Works in the future,TRC 板材性能研究及工艺优化;对比DC，EX和TRC三种板材的特性;镁合金板材成形性能研究；镁合金板材超塑性研究。,Thanks for your attention!,
