鎂合金由于其密排六方晶格結(jié)構(gòu),通常在室溫下塑性較差。改善鎂合金的塑性變形性能是開發(fā)變形鎂合金的關(guān)鍵。在鎂金屬中添加鋰,可以形成BCC晶格的β相,與HCP晶格的α2Mg相比具有更高的冷、熱變形能力。然而這些鎂合金固溶強(qiáng)化效果不顯著,加工硬化效應(yīng)低,抗蝕性差,很難工業(yè)應(yīng)用。Agnew等認(rèn)為可以通過(guò)細(xì)化鎂合金的晶粒組織來(lái)改善鎂合金的延性。

一、劇塑性變形

通過(guò)劇塑性變形工藝來(lái)細(xì)化合金的晶粒組織已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。相對(duì)傳統(tǒng)的塑性變形工藝而言,SPD技術(shù)的設(shè)計(jì)目的是,在變形過(guò)程中保持坯料的外形基本不變,在不改變材料外形尺寸的基礎(chǔ)上對(duì)材料施加大的塑性變形,從而可達(dá)到的應(yīng)變不受材料外形的影響。材料經(jīng)過(guò)劇塑性變形可以獲得大的塑性變形,極大細(xì)化晶粒組織,SPD技術(shù)能制備的最小晶粒尺寸為亞微米的尺寸水平。大多數(shù)SPD過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種循環(huán)的變形過(guò)程,但通常會(huì)有變形路徑的變化。近20年來(lái)開發(fā)了幾種SPD技術(shù)來(lái)制備具有超細(xì)晶組織的塊材和板材,如等通道擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)和多軸壓縮/鍛造等技術(shù)用于制備塊體材料的超細(xì)晶組織；反復(fù)彎曲和矯直工藝、等通道擠壓2軋制、累積疊軋和連續(xù)剪切變形等技術(shù)用于制備具有超細(xì)晶組織的板帶材。

二、劇塑性變形技術(shù)在鎂合金上的應(yīng)用研究

1、等徑角擠壓

等徑角擠壓是近來(lái)研究中比較受重視的一種新的擠壓工藝,它能夠使材料獲得大的剪切應(yīng)變,從而使晶粒細(xì)化到微米、亞微米及納米尺度。文獻(xiàn)認(rèn)為ECAE使晶粒細(xì)化是由于在擠壓過(guò)程中出現(xiàn)了再結(jié)晶。等通道轉(zhuǎn)角擠壓鎂合金由于獲得了超細(xì)晶組織,因此在一定溫度下具有很好的超塑性能,如采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備的AZ91鎂合金晶粒尺寸為1μm左右,在200℃溫度獲得了661%的超塑性。Mu2kai等在研究中發(fā)現(xiàn),ECAE擠壓可使AZ31鎂合金在室溫下獲得約50%的高伸長(zhǎng)率。

本課題組也對(duì)一些鎂合金進(jìn)行了等通道轉(zhuǎn)角擠壓研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)ECAE擠壓的AZ31鎂合金(模角為120°及90°、應(yīng)變量為8)在室溫下伸長(zhǎng)率高達(dá)45%～55%,抗拉強(qiáng)度變化不大,屈服強(qiáng)度卻顯著下降。此外,不同ECAE工藝路徑對(duì)鎂合金的力學(xué)性能有不同影響。而對(duì)AZ80鎂合金及ZE10鎂合金進(jìn)行ECAE擠壓研究時(shí)發(fā)現(xiàn),盡管晶粒顯著細(xì)化,室溫下伸長(zhǎng)率沒有顯著增加,不過(guò)高溫下的超塑性能得到大量改善。此外,由于鎂合金在低于225℃以下塑性變形性能較差,羅蓬等的研究表明:為了使鎂合金ECAE過(guò)程在較低溫度下進(jìn)行,在ECAE模具出口處施加背壓可以有效提高鎂合金ECAE的加工穩(wěn)定性、抑制鎂合金變形過(guò)程中裂紋的形成與生長(zhǎng)。

盡管ECAE可以被用于制備晶粒細(xì)小的塊體材料,但材料的尺寸仍然較小。

2、累積疊軋工藝

在累積疊軋工藝中,厚度為1mm的板材被迭軋,道次壓下量為50%,然后剪斷材料再進(jìn)行疊軋,如此反復(fù)多次,材料的晶粒組織顯著細(xì)化,材料的強(qiáng)度和延性得到大的改善。ARB工藝可以制備晶粒小于1μm的細(xì)晶組織,ARB材料的抗拉強(qiáng)度通常是原始材料的2～4倍。ARB工藝的優(yōu)越性在于可以被工業(yè)應(yīng)用于制備超細(xì)晶組織的板材。ARB已被成功應(yīng)用于純鋁、鋁合金和IF(interstitialfree)鋼及少量的變形鎂合金,其中ARB鋁合金包括純鋁(1100)、Al2Mn(3003)、Al2Mg(5083)、Al2Mg2Si(6061)、Al2Cu合金和鋁基復(fù)合材料。

關(guān)于鎂合金ARB工藝及組織的研究較少,對(duì)AZ31、AZ91合金在400℃進(jìn)行ARB,初始晶粒分別為38μm和23μm。結(jié)果表明:AZ31經(jīng)過(guò)ARB后,晶粒呈等軸晶狀,晶粒尺寸為4μm,此后穩(wěn)定在3μm左右;AZ91經(jīng)過(guò)1道次后晶粒尺寸小于1μm,此后均勻化。隨Al含量增加,晶粒尺寸減小,可歸因于:①Al含量增加,析出相增加,小的析出相可阻止晶界運(yùn)動(dòng),使細(xì)晶穩(wěn)定化；②Al含量增加,Al在晶格中的固溶增加,可更好地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),阻礙回復(fù)的發(fā)生,使晶粒更細(xì)小。AM60鎂合金在375℃時(shí)、80%的道次變形量軋制后可以獲得微米級(jí)的晶粒組織。

大多數(shù)SPD工藝的局限性在于不能制備大尺寸的塊體材料。而恰恰是大尺寸的結(jié)構(gòu)材料對(duì)強(qiáng)度和韌性的要求較高。從這方面來(lái)看,ARB技術(shù)具有自身突出的優(yōu)越性。與ECAE工藝相比,ARB軋制工藝的優(yōu)勢(shì)在于成本較低,工藝簡(jiǎn)單,可以制備大規(guī)格的板帶材,可以比較容易地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

3、多軸壓縮/鍛造

多軸壓縮鍛造工藝中,模具的寬度和坯料的高度相同,因此變形過(guò)程中,材料發(fā)生壓縮變形,變形后材料的寬度變成原來(lái)高度的尺寸,總體外形尺寸不變,通過(guò)旋轉(zhuǎn)坯料90°,壓縮變形可以反復(fù)進(jìn)行,可以獲得很大的累積應(yīng)變。郭強(qiáng)等對(duì)AZ80鎂合金的多向鍛造研究表明,多向鍛造工藝可以制備1～2μm的晶粒組織,鍛造后材料的強(qiáng)度是鑄態(tài)的2倍。