热处理方式及加载条件对不同孪晶结构组态镁合金再结晶行为的影响

摘要

作为目前最轻的金属结构材料，镁合金在电子通讯、航天航空、汽车制造等行业都有广阔的应用前景。但镁合金在室温下存在塑形性差、强度低等缺点。再结晶作为一种有效的软化和细化晶粒的手段，在改善金属材料织构强度和晶粒尺寸进而调控镁合金变形性能方面有重要意义。变形条件和热处理方式均会影响金属的再结晶行为和组织演变过程，进而影响金属的力学性能。对于变形过程中极易发生孪生变形的镁合金来说，孪晶组态与再结晶行为之间关系已受到广泛关注，孪晶组态如孪晶类型、孪晶变体位相关系等因素均会对镁合金再结晶行为产生影响，但其中的影响规律尚不明确。{10-12}孪晶是镁合金变形过程中最常见的孪晶类型，目前对含有不同组态{10-12}拉伸孪晶的镁合金的再结晶行为的研究尚存在分歧。此外，现有镁合金的热处理方式大多为等温退火。感应加热淬火作为一种加热快、短时间内可输入高密度能量的热处理方式，其对镁合金再结晶行为的影响尚有待研究。　　本文以挤压退火态Mg-0.087Mn(wt%)合金棒材为实验材料，沿挤压方向进行不同应变路径的压缩和压缩-拉伸测试（累计压缩应变均为1%）,使组织发生不同程度的滑移和孪生-退孪生行为，获得含有不同{10-12}孪晶结构组态的组织。接下来，对不同加载条件的试样采取等温退火和感应加热淬火两种不同的热处理方式，并利用准原位金相和准原位EBSD技术对热处理过程中的显微组织进行表征，对组织中晶粒及孪晶相关特征参量进行统计分析并进行力学性能测试，探究加载条件及热处理方式对不同孪晶结构组态的镁合金再结晶行为和力学性能的影响。主要结论如下：　　①相比于单次加载，往复加载在保持相同的累计应变量的条件下，可增加合金中的孪晶体积分数、孪晶发生率以及孪晶界和晶界附近的位错密度，同时减小孪晶的平均尺寸。初始压缩6%再反向拉伸5%的试样与仅压缩1%的试样相比，孪晶体积分数增加了1.4%，孪晶发生率增加了21.7%，孪晶平均尺寸减小了3.5μm。　　②在等温退火和感应加热淬火过程中，镁合金中的孪晶均发生退孪生。在等温退火中，孪晶消退的速度和程度与加载条件以及孪晶尺寸存在相关关系。总应变路径越长，孪晶界的热激活迁移能力越强；孪晶尺寸越细小，被基体吞噬的倾向越大，在退火过程后中越容易发生退孪生。在感应加热淬火过程中，退孪生的速度和程度与加载条件、感应加热淬火温度以及孪晶尺寸密切相关。总应变路径越长、温度越高、孪晶越细小，越容易发生退孪生。　　③在等温退火和感应加热淬火过程中，再结晶形核发生在等温退火及感应加热淬火初期，形核位点主要位于晶界附近，在{10-12}孪晶附近没有发现再结晶形核现象。说明当累计应变量为1%时，通过孪生-退孪生往复加载的方式，减小孪晶尺寸、增加孪晶界附近的位错密度不能使{10-12}拉伸孪晶成为有效的再结晶形核位点。　　④在等温退火及感应加热淬火过程中，发生退孪生的同时伴随着晶粒长大。在等温退火过程中，晶粒长大程度随总应变路径和退火温度的增加而增加。总应变路径为1%和7%（先压缩4%再反向拉伸3%）的试样，在350℃等温退火120min后晶粒只发生微弱长大；总应变路径为11%（先压缩6%再反向拉伸5%）的试样在300℃等温退火后晶粒发生微弱长大，在350℃等温退火后长大的晶粒尺寸可达110-250μm。在感应加热淬火过程中，总应变路径为1%和7%的试样，晶粒长大程度随感应加热温度的增加而增加，总应变路径为7%的试样在各温度进行感应加热淬火后组织中出现的大晶粒尺寸可达：22-23μm(275℃)，50-85μm(300℃)，60-95μm(325℃)，90-200μm(350℃)。总应变量为11%的试样，晶粒长大的程度随感应加热的温度先增加后下降，在各温度进行感应加热淬火后组织中出现的大晶粒尺寸为：50-90μm(275℃)，86-160μm(300℃)，70-110μm(325℃)，60-105μm(350℃)。　　⑤与等温退火热处理相比，感应加热淬火提高了孪晶界和晶界的热激活迁移能力。先压缩6%再反向拉伸5%的试样，在300℃下等温退火50min，孪晶体积分数减少了3.7%；退火时间增加至120min组织中没有出现明显长大的大晶粒。而在较低的275℃进行感应加热淬火时加热仅时间15s，孪晶体积分数减少了4.3%；第4次感应加热后（单次加热时间15s，累计加热时间为60s）组织中就出现了快速长大的大晶粒。　　⑥加载条件和热处理方式影响晶粒大小，进而显著影响合金的抗拉强度和延伸率。在等温退火和感应加热淬火过程中，随着组织中发生长大的晶粒尺寸增加，镁合金抗拉强度和延伸率下降。总应变量为11%的试样在300℃等温退火2h后晶粒大小约为21.8μm，抗拉强度和延伸率分别为220MPa和12%；在350℃等温退火后晶粒长大至110-250μm，抗拉强度和延伸率为154MPa和7.3%；在350℃进行感应加热淬火后，长大的晶粒尺寸约为60-105μm，平均晶粒大小为83μm，抗拉强度和延伸率为173MPa和8.5%。

目录

1 绪 论

1.1.1 镁合金的性质

1.1.2 镁合金的应用

1.2 镁合金的塑性变形机理

1.2.1 镁合金的滑移

1.2.2 镁合金的孪生

1.2.3 孪晶界与位错的相互作用

1.3 孪生-退孪生对孪晶组态的影响

1.4 镁合金再结晶

1.4.1 孪晶组态对镁合金再结晶行为的影响

1.4.2 热处理条件对镁合金再结晶行为的影响

1.5 感应淬火热处理

1.6.1 研究意义

1.6.2 主要研究内容

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 技术路线

2.3 预应变实验

2.4 金相显微组织观察

2.5 热处理实验

2.5.1 等温退火实验

2.5.2 真空感应加热实验

2.6 EBSD组织观察

2.7 拉伸测试实验

3 加载条件及等温退火温度对镁合金孪晶再结晶行为的影响

3.1 不同加载条件试样热处理前的力学性能及微观组织观察

3.2 等温退火过程中的再结晶行为

3.2.1 300℃退火时的显微组织演变

3.2.2 320℃退火时的显微组织演变

3.2.3 350℃退火时的显微组织演变

3.2.4 350℃退火时的EBSD实验结果

3.3 拉伸力学性能试验结果

3.4 分析与讨论

3.4.1 微观组织演变

3.4.2 拉伸力学性能

3.5 本章小结

4 加载条件及感应加热淬火温度对镁合金孪晶再结晶行为的影响

4.1 感应加热淬火过程中的再结晶行为

4.1.1 275℃下感应加热淬火时的显微组织演变

4.1.2 300℃下感应加热淬火时的显微组织演变

4.1.3 325℃下感应加热淬火时的显微组织演变

4.1.4 350℃下感应加热淬火时的显微组织演变

4.1.5 325℃感应加热淬火时的EBSD实验结果

4.2 拉伸力学性能试验结果

4.3 分析与讨论

4.3.1 显微组织演变

4.3.2 拉伸力学性能

4.4 本章小结

5 结 论

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢