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鎂科研:可室溫成形Mg-Al-Mn合金板材的強塑性協同提升機理研究 ...

來自: JMACCMg 收藏 邀請

在全球能源和環境問題的嚴峻形勢下,節能與減排的技術變革迫在眉睫,汽車輕量化的發展越來越迫切,因此,變形鎂合金由于其低密度和高比強度而受到極大的關注。然而,由于鎂合金的塑性和室溫成形性較差,導致其難以大規模商業應用,如何提升鎂合金的塑性和室溫成形性則一直是國內外學者關注和研究的重點。由于強基面織構導致商業鎂合金板材的塑性和成形性較差,且具有明顯的各向異性,因此,可通過降低基面織構強度來改善鎂合金的塑性和拉伸成形性。為此研究人員通過常規工藝制備得到的Mg-Al-Mn合金板,其具有良好的強度和塑性組合。為了進一步改善性能,通過雙輥鑄軋(TRC)細化晶粒尺寸和第二相來提高鎂合金板材的機械性能。而退火條件對控制軋制鎂合金板材的機械性能也很重要,因此期望優化鑄造方法和退火條件進一步增強板材的拉伸性能。

最近,日本長岡技術科學大學鐮土重晴(Shigeharu Kamado)教授課題組中田大貴(Taiki Nakata)博士等人和哈爾濱工業大學徐超教授通過TRC和低溫退火,開發了一種具有高強度和塑性協同效應的室溫可成形Mg-3Al-0.4MnAM30)合金板材。研究結果表明,0.2%彈性極限應力(170 MPa)和斷裂伸長率(33.1%)的綜合性能高于近期具有高拉伸成形性的鎂合金板。此外,AM30合金板材具有面內各向同性拉伸性能,這是汽車結構部件所不可或缺的。從微觀結構表征還發現,具有圓形分布的(0001)極的均勻細小晶粒結構有助于其優異的性能,有望推動鎂合金在汽車車身上的應用。

本文對比了沿RDTD方向拉伸的退火態直接冷鑄(DC)和TRC試樣的拉伸應力-應變曲線,結果如圖1所示。表1總結了極限抗拉強度(U.T.S.)、0.2%彈性極限應力(P.S.),斷裂伸長率(El.)和埃氏杯突深度值(I.E.)。在170 ℃下退火8h的樣品均顯示出較高的U.T.S.P.S.,且TRC樣品的El.超過20%,但所有樣品的I.E.都很低。在170 ℃下退火64 h后,DCTRC樣品的塑性和拉伸成形性都得到顯著改善。盡管長時間退火降低了強度,但DCTRC樣品都保持了160-170 MPa的良好P.S.。與170 ℃退火8h的樣品相比,在200 ℃退火后,DCTRC樣品的拉伸成形性和塑性均增強,但會導致拉伸性能下降??傮w而言,所有AM30樣品都表現出面內各向同性拉伸性能。


1沿RDTD方向拉伸的退火態DCTRCAM30合金板材的拉伸應力-應變曲線

1退火后的AM30合金板材的極限抗拉強度(U.T.S.)、0.2%彈性極限應力(P.S.),斷裂伸長率(El.)和埃氏杯突深度值(I.E.

通過微觀組織表征研究了不同退火工藝下DCTRC樣品的晶粒尺寸、織構以及KAM值的變化,并探究了其對拉伸性能的影響,結果如圖2和表2所示。在170 ℃下退火8hDCTRC樣品的組織均由再結晶晶粒和細長的未再結晶晶粒組成,KAM值較大,表明在170 °C退火8h后仍存在高密度的位錯,因此由于位錯強化導致P.S.最高,但拉伸成形性、塑性很差。在170 ℃下退火64 h后,DCTRC樣品中盡管仍存在少量粗大的未再結晶晶粒,但大部分為再結晶晶粒,KAM值降低至0.47°。長時間退火導致DCTRC樣品的基面織構變弱,(0001)極顯示出遠離ND的圓形分布,這有利于降低屈服各向異性,且DC樣品的(0001)極在TD明顯加寬。在200 ℃下退火8h導致晶粒輕微的生長,退火時間的增加至64 h也導致晶粒生長。在200 ℃退火后,(0001)極的圓形分布仍保留在DCTRC樣品中,而在DC樣品中,(0001)極在TD的寬度減小。且200 ℃退火后,KAM值進一步降低,但與170 ℃退火64h的樣品相比,變化較小。這表明樣品在170 ℃退火64h200 ℃退火之后幾乎再結晶。在所有退火條件下,TRC樣品的再結晶晶粒尺寸比DC樣品的更小,導致P.S.較高。除了在170 ℃下退火8 h的板材外,AM30合金板材顯示出良好的拉伸成形性,主要歸因于基面織構弱化和晶粒尺寸細化。

不同退火條件下的DCTRC AM30合金板材的微觀組織變化 

退火AM30合金板材中的平均再結晶晶粒尺寸和平均取向差值


本研究還探究了拉伸過程中的變形行為,如圖3所示。對比兩個樣品的雙孿晶(DTW)、壓縮孿晶(CTW)和拉伸孿晶(TTW)的比例,發現兩個樣品中TTW的比例相近,但TTW對裂紋萌生的影響很小,因此TRC合金板材保持良好的塑性。然而,在DC樣品中,DTWCTW的分數是TRC樣品的兩倍多,這是由于DC樣品中晶粒尺寸較粗,促進了CTWDTW的形成,盡管(0001)極分散,但也導致沿TD方向的塑性有限。

170°C下退火64hDCTRC 10%變形樣品的微觀組織

綜上所述,本研究通過雙輥鑄軋、均勻化處理、熱軋等工藝生產的AM30合金板材在170 ℃下低溫退火64 h后,再結晶晶粒均勻且細小,(0001)極遠離板材法向分布成圓形,從而表現出良好的強度、塑性和拉伸成形性的性能結合,同時具有平面內各向同性。因此AM30合金板材在汽車板材應用方面具有前景。

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本文作者2022-9-26 14:16
鎂途
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