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镁合金超塑性的变形机理﹑研究现状及发展趋势

来源期刊:中国有色金属学报2008年第2期

论文作者:陈振华 刘俊伟 陈鼎 严红革

文章页码:193 - 193

关键词:镁合金;超塑性;高应变速率超塑性;超塑性成形

Key words:magnesium alloys; superplasticity; high strain rate superplasticity; superplastic forming

摘    要:综述不同成形条件下的镁合金激活能及本构方程,对粗晶和细晶镁合金的超塑性变形机理予以详细的介绍。并对常见的几种镁合金超塑性加工方式进行探讨,并概述超塑性镁合金的发展趋势,认为未来超塑性镁合金将取得快速发展。获得高应变速率与低温超塑性镁合金并实现镁合金低成本化、安全化、环保化是目前研究的热点。

Abstract: The active energy and constitutive equations of magnesium alloys formed under different conditions were reviewed. The superplastic characteristics of coarse and fine-grained magnesium alloys were summarized. Then the ways of superplastic deformation were briefly analyzed. The results show that the development trend of superplastic magnesium alloys has been advanced remarkably and will be developed rapidly in the future. Obtaining high-strain rate and low-temperature superplastic magnesium alloys, deducing cost, safety and environmental protection are the researching focuses nowadays.



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文章编号:1004-0609(2008)02-0193-10

镁合金超塑性的变形机理﹑研究现状及发展趋势

陈振华,刘俊伟,陈  鼎,严红革

(湖南大学 材料科学与工程学院,长沙 410082)

摘  要:综述不同成形条件下的镁合金激活能及本构方程,对粗晶和细晶镁合金的超塑性变形机理予以详细的介绍。并对常见的几种镁合金超塑性加工方式进行探讨,并概述超塑性镁合金的发展趋势,认为未来超塑性镁合金将取得快速发展。获得高应变速率与低温超塑性镁合金并实现镁合金低成本化、安全化、环保化是目前研究的热点。

关键词:镁合金;超塑性;高应变速率超塑性;超塑性成形

中图分类号:TG 146.2       文献标识码:A

 

Deformation mechanisms, current status and development direction of superplastic magnesium alloys

CHEN Zhen-hua, LIU Jun-wei, CHEN Ding, YAN Hong-ge

(School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The active energy and constitutive equations of magnesium alloys formed under different conditions were reviewed. The superplastic characteristics of coarse and fine-grained magnesium alloys were summarized. Then the ways of superplastic deformation were briefly analyzed. The results show that the development trend of superplastic magnesium alloys has been advanced remarkably and will be developed rapidly in the future. Obtaining high-strain rate and low-temperature superplastic magnesium alloys, deducing cost, safety and environmental protection are the researching focuses nowadays.

Key words: magnesium alloys; superplasticity; high strain rate superplasticity; superplastic forming

                    

由于镁合金具有密度小,比强度和疲劳强度高,比弹性模量好以及优良的切削加工性能和抛光性能,使镁合金在一系列国防尖端领域及日常制造业中被广泛应用,如:导弹及鱼雷蒙皮、迫击炮底座、穿甲弹弹托、笔记本电脑壳体等[1-2]。但是由于镁具有密排六方结构,导致了镁合金的塑性变形能力较差,难以进行塑性加工。在这种情况下,镁合金超塑性变形受到越来越多国内外学者的关注,关于超塑性的理论研究也日新月异。国际先进材料超塑性会议是国际超塑性领域最重要的会议,从1982年起已连续举行了九届,2006年第九届先进材料超塑性国际会议由哈尔滨工业大学在中国成都成功举办,关于镁合金超塑性的研究是此次会议讨论的热点之一。

镁合金超塑性变形是利用镁合金在一定条件(温度、变形速度、组织等)下的超塑性特性(δ>200%)进行大变形成形的加工方式。具有一次成形结构复杂件成形精度高,省材、省时、设备吨位小、模具寿命长等优点[3-4]。这对镁合金的扩大应用和提高其技术经济效果都是有益的。尤其对中、大型镁合金构件的超塑性成形,其效果更好。本文综述镁合金的超塑性机理、超塑性成形方式以及超塑性成形的特点及应用前景,为镁合金超塑性成形的工业化应用提供参考。

1  镁合金超塑性成形理论

超塑性传统的可分为细晶超塑性与相变超塑性两种。相变超塑性要求动态热循环环境,操作上十分困难,只能成形小尺寸零件。因此目前关注的热点是镁合金的细晶超塑性成形。它的影响因素包括等轴(等轴比小于1.4)、超细(小于10 μm)、双相、稳定的晶粒以及应变速率(10-4~10-1 s-1)和变形温度(0.5~0.9Tm)等[3-5]。由于细晶超塑变形是微细晶粒在高温下变形,极其复杂,同时各研究者的实验条件不相同,其结果存在很大的差异,所以迄今为止,尚未能形成统一的超塑性变形理论。而且细晶是否是获得超塑性的必要条件,也引起极大的争议。目前多数研究者倾向于以晶界滑移为主的多机制迭加理论[6]

在镁合金超塑成形过程中,晶界滑移总会在晶界三叉区或材料增强相与基体的相界处产生应力集中,使晶界滑移受到阻碍,这就需要有另外的协调机制使应力集中得到松弛,协调晶界进一步滑移。图1所示为KIM等[7]获得的不同温度下根据本构方程得到的成形原理图。由图1可见,镁合金的超塑性变形机理与应变速率和温度密切相关。在超塑性变形范围内如果镁合金晶粒粗大或应变速率过高,则以伴随位错蠕变的晶界滑移为主并同时发生动态再结晶,若晶粒细小则伴随位错蠕变的晶界滑移起主要作用。其超塑变形激活能在523~573 K范围内与晶界扩散激活能相近;在598~673 K范围内与晶格扩散激活能相近,这说明镁合金在低温时的主要变形机制是晶界扩散控制的晶界滑移,而在高温时为晶格扩散控制的晶界滑移。

图1  成形原理图

Fig.1  Deformation mechanism maps for Mg alloys at 573 K(a), 623 K (b) and 673 K (c) (d is grain size, b is Burger’s vector. Diffusivities through lattice and grain boundary are designated as DL and DGB.)

1.1  超塑性成形的本构方程与激活能

当不考虑超塑性变形中的晶粒及孔洞长大等微观组织变化以及忽略应变硬化因素,本构方程[8]为Backofcen方程:

式中  σ为应力,k为常数,为应变速率,m为应变敏感指数。若仅考虑应变硬化因素则方程为Rosserd方程:

表1为不同变形机制控制下的本构方程,根据本构方程就可以计算不同变形机制的激活能(如公式4[9]),以决定变形是在那种机理控制下进行的。不同变形机理的激活能如表2所列。

表1  变形图中不同变形机理的本构方程[7, 10]

Table 1  Constitutive equations for different deformation mechanisms

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