简介概要

往复挤压Mg-4Al-2Si镁合金的晶粒细化

来源期刊:中国有色金属学报2010年第4期

论文作者:宋佩维

文章页码:606 - 612

关键词:镁合金;Mg-4Al-2Si合金;往复挤压;动态再结晶;晶粒细化

Key words:Mg alloy; Mg-4Al-2Si alloy; reciprocating extrusion; dynamic recrystallization; grain refinement

摘    要:研究往复挤压Mg-4Al-2Si (AS42)合金的显微组织和晶粒细化机制。结果表明:挤压过程中发生受位错攀移控制的动态再结晶,随挤压道次的增加,合金的晶粒尺寸迅速减小;对合金挤压8道次后,得到晶粒细小、均匀分布的等轴晶组织,晶粒尺寸由铸态的45 μm减小至1.5 μm,此时,合金组织的细化趋于稳定,达到细化极限;晶粒细化机制是在往复挤压过程中通过累积动态再结晶,使再结晶得以彻底完成;增加位错密度和加剧晶界畸变使再结晶形核数目增多;大量挤压破碎、均匀分布的Mg2Si第二相颗粒成为再结晶形核核心,从而使晶粒得以细化;往复挤压11道次时,由于挤压温度过高,导致晶粒发生异常长大,最大尺寸约为10 μm。本试验条件下晶粒发生异常长大的温度阀值约为400 ℃。

Abstract: The microstructures and grain refinement mechanisms of Mg-4Al-2Si (AS42) alloy by reciprocating extrusion (RE) were investigated. The results show that the dynamic recrystallization controlled by dislocation climbing occurs during the RE process. The grain size of the alloy decreases rapidly with increasing RE pass. The grain size of the as-cast alloy deceases from 45 μm to 1.5 μm after RE 8 passes, here the grain refinement is up to the limit. The mechanisms of grain refinement are that, during RE, the recrystallization is completed thoroughly by accumulative dynamic recrystallization, the nucleation numbers of recrystallization increases with increasing dislocation density and grain boundaries distortion severity, and the massive broken Mg2Si particles become nucleating center of dynamic recrystallization, thus, resulting in the grain refinement. The grain begins to coarse up to 10 μm due to high temperature after RE 11 passes. Under the experimental conditions, the blow-threshold temperature of the grain coarse is about 400 ℃.

基金信息:陕西理工学院专项科研基金资助项目



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文章编号:1004-0609(2010)04-0606-07

往复挤压Mg-4Al-2Si镁合金的晶粒细化

宋佩维

(陕西理工学院 材料科学与工程学院,汉中 723003)

摘  要:研究往复挤压Mg-4Al-2Si (AS42)合金的显微组织和晶粒细化机制。结果表明:挤压过程中发生受位错攀移控制的动态再结晶,随挤压道次的增加,合金的晶粒尺寸迅速减小;对合金挤压8道次后,得到晶粒细小、均匀分布的等轴晶组织,晶粒尺寸由铸态的45 ?m减小至1.5 ?m,此时,合金组织的细化趋于稳定,达到细化极限;晶粒细化机制是在往复挤压过程中通过累积动态再结晶,使再结晶得以彻底完成;增加位错密度和加剧晶界畸变使再结晶形核数目增多;大量挤压破碎、均匀分布的Mg2Si第二相颗粒成为再结晶形核核心,从而使晶粒得以细化;往复挤压11道次时,由于挤压温度过高,导致晶粒发生异常长大,最大尺寸约为10 ?m。本试验条件下晶粒发生异常长大的温度阀值约为400 ℃。

关键词:镁合金;Mg-4Al-2Si合金;往复挤压;动态再结晶;晶粒细化

中图分类号:TG146.2;TG142.1       文献标志码:A

Grain refinement of Mg-4Al-2Si magnesium alloy byreciprocating extrusion process

SONG Pei-wei

 (School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

Abstract: The microstructures and grain refinement mechanisms of Mg-4Al-2Si (AS42) alloy by reciprocating extrusion (RE) were investigated. The results show that the dynamic recrystallization controlled by dislocation climbing occurs during the RE process. The grain size of the alloy decreases rapidly with increasing RE pass. The grain size of the as-cast alloy deceases from 45 ?m to 1.5 ?m after RE 8 passes, here the grain refinement is up to the limit. The mechanisms of grain refinement are that, during RE, the recrystallization is completed thoroughly by accumulative dynamic recrystallization, the nucleation numbers of recrystallization increases with increasing dislocation density and grain boundaries distortion severity, and the massive broken Mg2Si particles become nucleating center of dynamic recrystallization, thus, resulting in the grain refinement. The grain begins to coarse up to 10 ?m due to high temperature after RE 11 passes. Under the experimental conditions, the blow-threshold temperature of the grain coarse is about 400 ℃.

Key words: Mg alloy; Mg-4Al-2Si alloy; reciprocating extrusion; dynamic recrystallization; grain refinement

                    


镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量高、导热性好、电磁屏蔽效果佳和易回收等优点,在航空、航天和汽车等领域正得到日益广泛的应用[1-3]

晶粒细化是提高镁合金力学性能的重要方法,也是研发高性能镁合金材料的重要方向之一[4]。近年来,直接制备块体细晶材料的大塑性变形技术得到迅速的发展[5-6]。大塑性变形技术主要包括:等通道转角挤压、高压扭转、往复挤压和累积轧制等。其中,往复挤压工艺由于其独特的工作原理、较强的组织细化能力、连续变形并能够制备大体积试样而得到了较快的发展[7-8]。但是,关于往复挤压工艺的变形机制、细化机理和组织结构演变等核心问题至今仍然不清楚,而采用往复挤压工艺细化耐热镁合金的研究鲜见报道。

本文作者采用普通凝固法铸造Mg-4Al-2Si(AS42)合金,再采用往复挤压工艺对合金材料的组织、晶粒进行细化,研究挤压过程中组织演变特征和晶粒细化机制。

1  实验

研究所用Mg-4Al-2Si (AS42)合金的名义化学成分为Al4.0(质量分数,%),Si2.0,余量为Mg。合金中的Si以Al-Si中间合金形式加入。在SG2-5-10型井式坩埚炉中采用工业专用保护剂进行熔炼、精炼,最后铸成d 50 mm×120 mm的铸锭,并对铸锭进行均匀化处理。

使用专用模具,在YJ32-3150KN液压机上对铸态合金进行往复挤压。图1所示为往复挤压结构示意图。将试样3 装入挤压筒内,施加压力使两顶杆A、B以相同速度向同一方向运动,挤压筒静止不动。当试样3被完全压入筒5内时挤压停止,这时就完成一次挤压。在此挤压过程中,试样在筒2内受到正挤压变形,而在筒5内受到镦粗变形[9]

图1  往复挤压结构示意图

Fig.1  Schematic diagram of reciprocating extrusion apparatus: 1—Ram A; 2—Container; 3—Billet; 4—Neck die; 5—Container B; 6—Ram B

往复挤压工艺参数如表1所列。随挤压道次的增加,挤压温度逐渐升高,压力逐渐增大,挤压速度逐渐下降。试样浸蚀剂为60 mL乙醇+20 mL醋酸+19  mL H2O+1 mL HNO3;显微组织观察在Olympus光学显微镜上进行;用JEM-3010 型透射电镜对挤压态合金的位错组态进行观察与分析;用JEM-3010 型透射电镜对挤压态合金的位错组态进行观察与分析。

表1  挤压比λ=12.7时AS42合金的往复挤压工艺参数

Table 1  Processing parameters of reciprocating extrusion AS42 alloys at λ=12.7

2  结果及分析

2.1  合金的显微组织演变

XRD分析表明,铸态及挤压态合金均由α-Mg基体、Mg2Si相和β-Mg17Al12相组成[8]。铸态和往复挤压态合金的显微组织如图2所示。图2(a)中的灰色组织为α-Mg基体;灰黑色块状组织为初生Mg2Si相,灰黑色汉字状组织为共晶Mg2Si相;β-Mg17Al12相含量较少,且对铸锭进行的均匀化处理又使部分β-Mg17Al12相溶入到基体组织,使得剩余的β-Mg17Al12相与Mg2Si相混为一体,在普通光镜下难以分辨。

由图2可见,铸态合金的晶粒比较粗大,平均尺寸在45 ?m左右(见图2(a));挤压过程中发生了动态再结晶,随往复挤压道次由2道次增加到8道次,再结晶晶粒尺寸逐步减小(见图2(b)~(e)),Mg2Si相颗粒也得到细化(见图2(b)~(c));而挤压6道次时,Mg2Si相颗粒已开始出现粗化现象(见图2(d));但是,挤压11道次时,α-Mg基体晶粒出现粗化现象(见图2(f));图2(e)中Mg2Si相颗粒较少的原因是由于随着挤压道次由2道次增加到8道次,晶粒更加细小,使得晶界的显现非常困难,所以采用一定的方法只能显示出晶界,而无法同时清楚地显示出Mg2Si相颗粒之缘故。

图3所示为挤压道次与晶粒尺寸关系曲线。由图3可看出,挤压2道次后,晶粒尺寸减小至9 ?m左右,组织的均匀性和等轴性较差;挤压4道次后,等轴晶的尺寸更小了,约为6 ?m,组织的均匀性和等轴性大为提高;挤压6道次后,晶粒尺寸约为3 ?m;挤压8道次后,晶粒尺寸约为1.5 ?m,得到了非常细小、均匀分布的等轴晶组织;但挤压11道次时晶粒发生异常长大,最大尺寸约为10 ?m。

2.2  合金的晶粒细化机制

合金变形过程中组织的演化主要通过位错运动或晶界迁移导致晶粒长大。高温变形过程中位错的大量产生及运动可提高变形作用力,而且有利于高应变速率的实现。大量位错的产生及快速运动有利于动态再结晶的形核与长大。

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