热处理工艺对ZK60镁合金力学性能影响分析与研究

《热处理工艺对ZK60镁合金力学性能影响分析与研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理工艺对ZK60镁合金力学性能影响分析与研究（60页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1绪 论随着科技的发展，在21世纪，保护环境，实现人类的可持续发展，已经成为世界各个国家共同关心的问题。合理使用、节约和保护资源，提高资源的利用率，从传统的高消耗、粗放型模式向可持续发展、集约型模式转变，也已经受到社会各界的普遍重视。镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度、比刚度高，阻尼减震性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，铸造性能和尺寸稳定性好等优点，同时，镁资源在地球上也很丰富，且镁合金产品易于回收利用，具有环保特性。因此，镁合金被誉为21世纪的绿色工程金属，近年来在汽车工业、航空航天、电子工业等领域中获得了迅速的发展，而且发展前景越来越好。1.1选题的研究背

2、景及意义 与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，目前镁合金的产量只有铝合金的1。镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工成板、带、棒、型材等，因此镁合金主要采用铸件作为结构材料使用。随着航空、汽车、国防、电子工业的开发和进展，现有镁合金已难以满足某些特殊的要求，迫切需要开发各种新型的高性能镁合金。因此，积极探索改善镁合金的力学性能和成形性能的途径，对于推动镁合金材料的应用并发挥其性能优势具有重要意义。为了推动我国的镁工业，必须大力开发变形镁合金及其生产工艺。本研究以镁合金ZK60为研究对象，ZK60镁合金作为目前商用变形镁合金中强度最高者，提高塑性对扩大其应用至关重要。选择热挤压

3、做为处理ZK60镁合金的技术方法。设计出适用的热正挤压模具，根据模具准备好ZK60镁合金毛坯。选择不同的挤压温度和不同的挤压比对ZK60镁合金进行热挤压，研究热挤压出的ZK60镁合金在挤压温度和挤压比两个条件的同时作用下显微组织和力学性能上的变化，并分析显微组织和力学性能之间的关系。1.2课题研究的国内外现状与发展1.2.1镁及镁合金研究现状1808年，HumphreyDaveyl43首次从汞合金中分馏出汞和镁；接着在1852年Bunsen第一次使用电解法从氯化镁中电解得到镁。至此，镁及镁合金作为一种新型材料蹬上历史舞台。在两次世界大战期间镁及镁合金得到了突飞猛进的发展。Galiyev A等人

4、发现ZK60镁合金在环境温度下承受大塑性应变（intense plastic straining，简称IPS）时会发生LTDRX（低温动态再结晶），造成晶粒的显著细化和材料硬度的强烈升高。2001年，日本东北大学井上明久等采用快速凝固法制成的具有100200nm晶粒尺寸的高强镁合金Mg-2at% Y-1at% Zn，其强度为超级铝合金的3倍，还具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。德国汉诺威大学的F.W.Bach等人研究了变形镁合金的轧制工艺，采用新工艺，提高了其成形性能。Ei ji Yano等人研究了镁合金的半固态成形技术，利用预热的冷却斜槽近液相线铸造获得了半固态AZ90镁合金组织。Ninomi

5、ya Rojiro T等人研究发现，Ca有明显细化晶粒作用，可稍微抑制熔体金属的氧化，可以改善抗蠕变性能。J.C.F.Chan等人通过实验研究了应变强化及工艺参数对变形镁合金锻造性能的影响。日本的R.Matsumoto和K.Osakad a等人在镁合金温锻方面开展了相应的研究，并对镁合金温锻过程中的摩擦和润滑作了深入的研究。日本的T.Mohri等人研究了热轧AZ91镁合金在300和1.510-3s-1条件下的超塑性和微观组织演变，结果发现晶粒度为39.5m的热轧镁合金在应变量为0.6之后，晶粒尺寸减小为9.1m，说明在超塑变形的初始阶段发生了明显的晶粒细化。晶粒细化是由于动态连续再结晶造成的。

6、由于晶粒细化，使得晶界滑移显著发生，并导致了604%的大延伸率。沈阳航空工业学院的李秀华等人以工程上广泛应用的AZ91镁合金为研究材料，探讨了热挤压以及后续热处理所引起的AZ91镁合金的微观组织演化，确定了不同加工处理状态的AZ91镁合金在不同实验温度下的抗拉强度b、屈服强度0.2和断裂延伸率。洛阳工学院的陈拂晓等人对变形镁合金MB26进行了超塑性实验研究。哈尔滨工业大学的丁水等对轧制态MB15镁合金进行了超塑性能研究,得出在最佳变形温度340，应变速率=5.5610-4s-1时，获得应变速率敏感指数值为0.51，延伸率为415%，此时流动应力仅为11MPa，并分析了在最佳变形温度下应变速率对

7、材料超塑性能及晶粒尺寸的影响。重庆大学的麻彦龙等人较系统地研究了ZK60镁合金的铸态组织。光学显微分析表明，铸态组织中存在很明显的枝晶；有相当数量的共晶组织沿晶界或枝晶边界断裂分布1,2,3。1.2.2 ZK60镁合金的研究现状由于ZK60合金是20世纪40年代末首次开发成功的,60年代后期进入工程应用领域,到现在为止已经研究几十年。目前,世界各国对ZK60的研究主要集中在塑性，超塑性和复合材料的研究方面。另外,由于目前尚无Mg-Zn-Zr三元合金相图,所以人们对其组织的研究只能依靠Mg-Zn、Mg-Zr和Zn-Zr二元合金相图进行分析。1937年，德国人Sauerwaldt44-45偶尔发现

8、Zr能强烈的细化镁合金晶粒，但是由于Zr的熔点(1852)较Mg的熔点(649)高出许多，再加上Zr极易与镁合金熔炼过程中出现的A1、Mn、Si等形成稳定的化合物，而起不到晶粒细化的作用，因此很难将Mg、Zr合金化。直到1948年，人们才找到了合适的含Zr的中间合金，成功地将Zr加入到镁合金。又由于Zn对镁合金有极强的强化作用，因此便诞生了新型的Mg-Zn-Zr合金，ZK60合金就是该合金系中性能最优越的一种。ZK60合金在20世纪40年代末首次开发成功后，60年代后期进入工程应用领域，到现在为止已经研究几十年。然而ZK60合金并不是无懈可击的材料，它还存在如热裂倾向严重、塑性差等诸多缺点。为

9、改善ZK60合金的力学性能，拓宽它的应用领域，许多材料工作者针对ZK60进行了晶粒细化、超塑性、复合材料的研究。 D.Y.Maeng,T.S.Kim等人对快速凝固(R/S)和挤压态的Mg-3Zn合金和Mg-6Zn合金进行了研究。光学显微观察表明。Mg-6Zn合金较Mg-3Z合金晶界区域有所增加；结合扫描电镜和光学显微分析,认为重金属Zn主要分布在Mg晶粒的边界上,富Zn相的形成主要是因为Zn在固液两相中溶解度不同,从而离异至晶界上。研究还对Mg-6Zn合金的峰时效(473K15h)和过时效(473K100h)的显微组织进行了对比，在峰时效的电镜样品中发现了针状的MgZn2相和球状的MgZn相,

10、而在过时效的样品中则发现了稳定的矩形状的MgZn相与针状的MgZn相相间分布。可见MgZn2相是早期形成的稳定相,在随后的时效过程中没有发生明显的变化；MgZn.相是亚稳相,随后转变成稳定的MgZn相，形状从颗粒状变为矩形状。 Mg-Zn二元合金的研究为ZK60合金的研究提供了有利的依据,但却不能简单地将Mg-Zn二元合金的情况应用于ZK60合金的研究。再者，Mg-Zn二元合金的研究和ZK60合金的研究本身也存在很多争议。这主要表现在：1）铸态情况下,晶界富Zn相是MgZn2相，Mg7Zn3(Mg51Zn20)还是MgZn相? 2）时效硬化效果是如何引起的,是细而长的杆状MgZn相还是由GP区

11、发展而来的MgZn相引起的Zr的加入,除了细化晶粒之外对合金相有何影响也不清楚。基于以上原因弄清楚铸态ZK60合金晶界富Zn相的类型以及Zr对Mg-Zn二元合金系的影响将对ZK60合金的合金相控制以及成分优化有非常重要的意义。对此目前仍然没有定论。由于镁的晶界滑移系数Dgb是铝的2倍,因此镁比铝有更强的低温超塑性能。许多材料工作者研究了ZK60合金的低温超塑性能,旨在改善ZK60的塑性,加速其在变形产品上的应用。ZK60合金具有较强的冷热变形能力,可以进行热处理强化,因而是理想的镁基复合材料的基体,从而受到广大材料工作者的关注。西安交通大学的张文兴用粉末冶金的方法制备了SiC增强的ZK60基复

12、合材料,并对其组织和性能进行了全面的研究，可以得出SiCw和SiCp能显著提高ZK60基复合材料的室温抗拉强度、屈服强度和弹性模量,但对塑性极为不利。 下表为制备的复合材料同基体ZK60的拉伸性能比较。从表中可以看出SiCW和SiCp能显著提高ZK60基复合材料的室温抗拉强度、屈服强度和弹性模量，但对塑性极为不利4,5。表1.1 SiC/ZK60复合材料同基本ZK60拉伸性能比较材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%弹性模量/MPa基体合金ZK6029521310.548.0SiCp/ZK60 1338285404.057.4SiCp/ZK60 23672954.755.8SiCw/Z

13、K60 13532694.058.8SiCw/ZK60未热压 2389304306.055.7SiCw/ZK60 13732844.859.0热挤压 23873023.962.21.2.3 镁合金热挤压变形的研究现状挤压是指放在挤压筒终的锭坯的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。挤压根据挤压金属相对于挤压杆的流动方向，可分为正挤压和反挤压。Murai等人对AZ31镁合金挤压棒材研究表明，铸态直接挤压的镁合金挤压棒表层晶粒比中心晶粒的细小，再结晶晶粒的取向并未与挤压方向保持一定的方向性。挤压前，其晶粒尺寸约70m；挤压后，挤压棒表层晶粒得到细化，而心部部分晶粒仍然保持其初

14、始形态，部分则沿挤压方向被拉长。当挤压比达到10时，挤压棒材心部也发生了动态再结晶，并且随着挤压比的增大，其表层晶粒进一步得到细化。当挤压比达到100时，心部晶粒也得到了细化。澳大利亚M. R. Barnett等人研究了铝含量对镁合金挤压成形极限的影响。大大加快了变形镁合金的应用，拓宽了镁合金的应用范围。北京科技大学的李鹏喜等人研究了变形工艺对AZ31镁合金薄板组织及力学性能的影响。将不同厚度的AZ31B镁合金挤压坯经多道次和单道次两种轧制工艺制备成厚度约为1mm的薄板、XRD结果表明，轧板出现了明显(0001)面织构。挤压和轧制过程中的大变形促使了再结晶的发生，进而形成了细小且均匀的显微组织

15、。江西理工大学的蔡薇等人研究了镁合金型材的热挤压工艺与模具，实验结果表明：（1）经40020h的均匀化退火后的AZ31B镁合金铸锭，在挤压温度380400、挤压速度 1.02.5/min的工艺条件下，可以挤压出复杂断面的型材，证明其具有良好的热挤压性能。（2）模具结构形式影响挤压力的大小。华南理工大学的刘英等人采用模角为120的模具，研究了等通道转角挤压后AZ31镁合金的微观结构与性能，并对挤压过程中各道次试样的微观结构及性能进行了分析测试。结果表明，随着挤压道次的增加，晶粒得到不断细化，力学性能也发生显著的变化；当挤压12道次时，总的等效应变量约为8，晶粒得到显著细化，晶粒尺寸为15m，但合

16、金的抗拉强度变化不大，屈服强度则有所下降，约为100MPa，延伸率则提高了45以上。郝艳君等针对挤压态ZK60镁合金的高温力学性能及其超塑性行为进行了研究,结果表明,挤压态ZK60镁合金的高温力学性能与试验温度、应变速率密切相关;通常,屈服强度和抗拉强度随试验温度的降低和应变速率的增加而提高,而伸长率则随试验温度的升高和应变速率的降低而增大6,7,8。1.3 镁合金相关原理介绍1.3.1 镁及镁合金概述从19世纪末，随着工业文明的快速发展，地球矿产资源，尤其是金属矿产资源日益减少，一些金属甚至面临枯竭。资源和环境日益成为全世界普遍关心的热点，是21世纪可持续发展的首要问题。 世界镁矿资源极其丰

17、富，其在地壳中的储量丰富，约占地壳总蕴藏量的277。在大多数国家中都能发现镁矿石，已知含镁矿多达60余种，其中有工业价值的有菱镁矿(MgC03)、白云石(MgC03CaC03)和光卤石(MgCl2KCl6H20)等。此外，占地球表面积70的海洋也是一个天然的镁资源宝库，可谓取之不尽，用之不竭。 镁作为一种轻质工程材料具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于回收等优点，尤其可以满足21世纪航天、航空、现代交通工具对减重、节能和环保的要求，并可替代某些工程塑料以满足3C产品的重量轻、薄壁小型化和高集成的要求，已日益成为现代交通工具尤其是汽车以及3C

18、产业的最佳选材之一，被称为“21世纪的绿色工程材料”。镁合金弹性模量低。当受外力作用时，依据弹性变形功与弹性模量成反比原理，零件发生较大的弹性变形，吸收较大的形变功。镁及其合金的熔点低(如纯Mg为649)，由于熔点低，可以容易地获得较高的过热温度，所以大多数镁合金的流动性比较好，充型能力优于常用的其他金属。镁合金的比热值低。与铝合金相比，镁合金的单位热含量低，故可在模具内能更快速地凝固，从而有效地缩短了压铸件在型内的停留时间。镁合金具有高的散热性。其导热能力是ABS树脂的350-400倍，特别适合于制作元件密集的电子产品。镁合金的发展潜力和应用优势，引起了许多国家政府、企业和研究机构对镁合金及

19、其成形技术的高度重视，投入了大量的人力、财力进行开发研究，随着对镁及其合金的制备、加工技术及相关基础问题的研究，上述问题可望得到很好的解决9,10。1.3.2 镁合金的主要特点镁的元素符号是Mg，具有金属光泽，呈亮白色，原子序数12，相对原子质量为24.3050，原子体积为14.0cm3/mol，原子半径为3.20埃。镁是自然界中分布最广的元素之一，居第八位，约占地壳质量的2.35。镁的化学活性很高，在自然界只能以化合物形式存在，主要存在于白云石、菱镁矿、光卤石矿、橄榄石矿、蛇纹石、盐矿、地下卤水以及盐湖和海水中，在海水中的含量约为0.13。镁为密排六方晶格，室温变形时只有单一的滑移系0001

20、，因而镁的塑性比铝的低，各向异性也比铝显著。镁具有良好的物理性能，有比铝高30倍的减振性能； 比塑料高200倍的导热性能，其热膨胀性能只有塑料的1/2。镁合金可以在573873K温度范围内通过挤压、轧制和锻造成形。此外，镁合金还可以通过铸造成形，且镁合金的压铸工艺性能比大多数铝合金好。镁合金具有以下特点：（1）镁合金的比重小，是目前最轻的结构材料，密度在1.751.85g/cm3之间，约为铝的64%，钢的23%。镁合金比强度明显高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强材料；比刚度则与铝合金和钢相当但远高于纤维增强材料，具有很好的优越性。比弹性模量与高强铝合金、合金钢的大致相同。 （2）阻尼性

21、能好，适合于制备抗震零部件。镁合金具有良好的阻尼系数，有利于减震和降低噪音。（3）镁合金具有良好的铸造性和尺寸稳定性。镁与铁的反应性很低，压铸时压铸模的熔损少，使得铸模的使用寿命提高；镁在单位容量下的热焓低，其压铸速度可比铝高，且 镁铸件的铸造和加工精度高，可以进行高速机械加工，生产 图1.1 多种合金的密度和比强度效率高，成本低，适用于汽车工业的大批量生产。（4）切削加工性能优良，其切削速度大大高于其他金属。不需要磨削、抛光处理，不使用切削液即可以得到粗糙度很低的加工面。另外镁合金在受到冲击或者摩擦时，表面不会产生火花。（5）镁合金具有较好的热导性、热稳定性、抗电磁干扰性、屏蔽性能。（6）镁

22、合金可回收利用，回收成本低，回收利用率高。（7）由于镁在液态下容易剧烈氧化、燃烧，所以镁合金必须在溶剂覆盖下或者在保护气氛中熔炼。镁合金铸件的固溶处理也要在SO2、CO2或SF6气体保护下进行，或者在真空下进行。镁合金的固溶处理和时效处理时间均较长。1.3.3镁合金的加工性及经济性镁合金有相当好的切削加工性能，用价廉的切削工具就可以有效地控制公差,保证精度，切削时对刀具的损耗很低，切削功率很小。镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为1:1.8:3.5:6.3。部分镁合金在热加工范围内的塑性很好，如 MB 系列的大多数合金可挤压成各种规格的棒材、型材和带材；合金的锻造性能良好

23、，可制成形状复杂的大型锻件和要求承受高载荷和高屈服强度的零件。和其它材料比，镁合金的制造成本很低，尽管每公斤镁锭的价格要比铝和铁贵一些，但它单位体积的成品价格几乎是一样的。因为镁合金密度小，对相同体积的零件，镁合金用量只占铝合金的三分之二，因此可用单位体积的价格而不是单位质量价格来衡量镁合金零件的材料成本更为合适。同一铸件，用镁合金铸造，原材料费用将比用铝合金铸造降低 10%20%，而质量减少 25%30%，这一差异可基本抵消镁合金较高的铸造工艺费用，使两者的铸件成本基本相当。有数据显示，如果每辆汽车上使用70公斤镁合金，二氧化碳的年排放量就能减少30%以上。这是因为镁合金比相同体积的铝合金轻

24、36%、钢轻77%，而汽车自重每减轻100公斤，百公里油耗就可减少0.7升左右，二氧化碳排放量相应减少。因此，在现代汽车不断高涨的减重、节能的要求下，镁合金成为汽车轻量化无可争辩的首选材料。而且与塑料类材料相比，镁合金具有可回收性，这对降低制品成本、节约资源、改善环境都是有益的。1.3.4 镁合金的应用领域镁合金作为目前密度最小的金属结构材料之一，应用于航空航天工业、军工领域、交通领域（包括汽车工业、飞机工业、摩托车工业、自行车工业等）、3C领域等。 镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。法国塞德航空公司

25、超级弗雷隆直升机的镁合金齿轮箱，铸件由Mg-Zn-RE-Zr合金ZE41制成，加银的镁合金可以使时效强化的Mg-RE-Zr合金较低的拉伸性能得到显著提高，例如飞机着落轮，齿轮箱盖和直升机水平旋翼附件。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件。与铸造镁合金相比，变形镁合金比铸造镁合金具有高强度和高延伸率等优点，同时在满足相同工作条件下比变形铝合金更轻。因此航空器特别是导弹、卫星以及航天飞机大量应用各种变形镁合金。在国外，B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板；喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼用镁板，使结构零件的数

26、量从47758个减少到16050个；“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600kg的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金。 汽车工业发展程度是一个国家发达程度的重要标志之一，镁合金作为最轻的结构材料，能满足日益严格的节能的尾气排放的要求，可生产出重量轻、耗油少、环保型的新型汽车。八十年代初，由于采用新工艺，严格限制了铁、铜、镍等杂质元素的含量，镁合金的耐蚀性得到了解决，同时，成本下降又大大促进了镁合金在汽车上的应用。从九十年代开始，欧美、日本、韩国的汽车商都逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。在过去十年里，其年增长速度超过15%。在欧洲，已经有300种不同的镁

27、制部件用于组装汽车，每辆欧洲生产的汽车上平均使用2.5kg镁。乐观的估计认为，出于减重的需求，每辆汽车对镁的需求将提高至70120kg。在国内，镁合金的优势已经被许多企业所认识，已成功开发出多种种镁合金摩托车零件和汽车零件，用户包括如上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等，例如，一汽铸造有限公司AM50镁合金方向盘骨架。 随着镁合金制备技术的发展，材料的性能如比强度、比刚度、耐热强度和蠕变等性能不断提高，其应用范围也不断扩大，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金产品的应用。3C（计算机类、通讯类、消费类电子产品）产品飞速发展，为了适应电

28、子器件轻、薄、小型化的发展方向，要求作为电子器件壳体的材料具有密度小、强度高和刚度高、抗冲击和减震性好、电磁屏蔽能力强，散热性能好、容易加工、表面美观、耐用、成本低、易于回收和符合环保等特点。镁合金在电子及家用电子产品上具有广阔的应用前景。现代工业的发展，使得镁合金的应用越来越广泛，电力行业、家庭消耗品、工业车床设备、医疗器械、运动器械等领域，镁合金都占有一席之地。在工业应用中，镁牺牲阳极主要用于用于城建中的供水、排水、煤气、天然气、供暖、热电厂输水、输气等各类管道；镁合金还应用于制造自行车部件、手提箱、头盔安全帽、割草机机盒、折叠椅、园林工具零部件、电动刀刀柄、书架托架等。 1.3.5 镁合

29、金分类及表示方法一般说来，镁合金大体上按以下三种方式进行分类：合金化学成分、成形工艺和合金是否含锆。根据合金化学成分的不同，由于大多数的镁合金都含有不只一种合金元素，而在实际的工业生产中，为了分析问题的方便，也为了简化和突出合金中的最主要元素，一般习惯上总是与其中一个主要合金元素划分成二元合金系，与两个主要合金元素形成三元合金系，以此类推。二元合金系主要有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn、Mg-RE、Mg-Zr、Mg-Th、Mg-Ag和Mg-Li合金等，三元合金系主要有Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Mn-Ce、Mg-RE-Zr、Mg-Zn-Zr合金等。根据成形工艺的不同，镁合金可

30、以分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上大不相同。前者一般通过铸造工艺获得产品，主要应用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等。铸造镁合金多用压铸工艺生产，其主要工艺特点是生产效率高、铸件质量好、组织优良、可生产薄壁及形状复杂的构件等。变形镁合金由于有良好的塑性变形能力和较高的强度，近年来得到了长足的发展，也形成了一些系列，比如变形镁合金可以根据是否能进行热处理强化，分成可热处理强化变形镁合金（如MB7、MB15）和不可热处理强化变形镁合金（如MB1、MB2、MB3、MB5和MB8合金）由于锆是镁合金中的主要合金元素，所以可以根据镁合金中是否含有锆而把镁合金分成含锆镁合金和无锆镁合金。近

31、年来，结合新的工艺方法，一些新型镁合金体系得到了开发和应用，出现了一些新的合金系：快凝(RSP)合金，如EA55RS；非晶镁合金，如著名的三元合金Mg-M-Ln，其中M为Cu或Ni，Ln为La系元素，如Y；金属基复合材料(MMC)，如以SiC、玻璃、Al2O3和石墨等作为纤维强化添加剂的AZ91，AZ31及Mg-Li系合金等。1.3.6 镁合金应用的主要问题镁合金之所以没有像铝合金那样在各行各业都有广泛的应用，主要有以下一些原因：（1）镁合金的生产技术还不是很成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展。目前镁合金的加工方法是以铸造为主，但是铸造出来的产品组织粗大，在铸造过程中，也会出现缩松

32、、气孔等缺陷，使铸造出来的产品强度不高，达不到实际应用中的要求。（2）镁合金的耐蚀性比较差，镁的标准电极电位是2.37V，比铝（1.71V）低，是电负性很强的金属，其耐蚀性很差，且镁的氧化膜一般都疏松多孔（MgO与Mg的密度比为0.81），故镁和镁合金具有极高的化学和电化学活性，在酸性、中性、弱碱性溶液中都不耐蚀。 （3）现有镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温（150350）场合的应用；（4）镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高；（5）镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同场合的要求10,11,12。1.3.7 ZK60镁合金组织

33、ZK60镁合金是MgZnZr系合金中最具代表性的合金，其合金主要成分为于3的Zn可提高镁合金强度，增加熔体流动性，有形成显微疏松倾向，是弱的晶粒细化剂，有沉淀硬化作用，对腐蚀性能影响较小。但含量大于3的Zn有产生疏松和高温脆性的危害。因此，MgZn合金需要寻找第三种合金元素来细化晶粒，减少显微疏松的产生倾向。Zr在镁合金中的极限溶解度为38，是高熔点金属，其熔点为1885。Zr与Mg具有相同的晶体结构，MgZr合金在凝固时，能够析出aZr，作为结晶时的非自发形核核心，细化晶粒。在镁合金中加入05-08的zr，其细化效果最佳。zr可减少热裂倾向，提高力学性能和耐蚀性，降低应力腐蚀敏感性。zr与S

34、i、A1和Mn不相容，可从熔体中清除Fe、舢和Si等杂质，改善室温抗拉性能。图1.2 图1.3由于目前尚无MgZnZr三元合金相图，所以人们对其组织的研究只能依靠MgZn、MgZr二元合金相图进行分析。Mg-Zn二元相图上文中已经分析，表1-2是MgZn二元相图中主要相转变和对应的温度和转变类型，合金成分为原子百分数(at)。表1.2 Mg-Zn相图中主要相转变和对应温度和转变类型反应合金成分Zn/%温度反应类L(Mg)0650熔点L(Mg)+Mg7Zn328.1 2.4 29.1340共晶Mg7Zn(Mg)+ MgZn30.0 2.3 51.4325共析L+ MgZnMg7Zn328.3 5

35、1.4 30.0342包晶L+ Mg7Zn3MgZn29.0 59.3 52.1347包晶L+ MgZn2Mg7Zn235.0 66.0 60.0416包晶LMgZn266.7590匀晶L+ MgZn2Mg2Zn1191.0 67.1 84.6381包晶LMg2Zn11+（Zn）92.2 85.7 99.7364共晶L（Zn）100.0419.58熔点由Mg-Zr二元相图我们又可知，Mg-Zr二元系为包晶反应，Zr在液态镁中的溶解度很小(O.6wt)，合金凝固时Zr首先以a-Zr质点的形式析出，在654时发生包晶反应：L+a-Zra-Mg，a-Mg包覆在Zr质点的外部形成包晶组织。由于a-Zr

36、和a-Mg均为密排六方晶体结构，晶格常数很接近(aMg=O320hm，cMg=O520nm；azr=0323nm，Czr=0514nm)，结构尺寸匹配，因此a-Zr可成为a-Mg的结晶核心，从而细化晶粒13,14,15。1.3.8 ZK60镁合金的力学性能ZK60合金之所以受到人们的青睐，是因为它是现在所有商用镁合金中强度最高的一种，又由于镁合金本身轻的缘故，因此ZK60合金几乎是所有材料中比强度最高的一种。ZK60合金的室温力学性能以及和其它材料的比强度比较见表1-3，表1-4所示16,17,18。 表1.3 ZK60镁合金室温力学性能材料品种材料状态抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/

37、%断面收缩率/%弹性模量/MPa抗压强度/MPa挤压棒材T534529092443000470挤压型材35530010/43000/挤压带材335285102543000锻件32027012/43000/模锻件33028014/43000/表1.4 ZK60镁合金比强度对比表合金比重/gcm3屈服强度/MPa屈服强度/比重ZK60挤压型材（RS）1.8300195AZ31挤压型材（RS）1.72001157010A铝合金，T62.82651107075铝合金，T62.8490175钛合金，全硬4.5750160Q275钢7.92753512Mn合金钢7.93003845CrNiMoVA8.03

38、501701.4热处理工艺简介热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。 加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。 金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。 金属热处理工艺大体可分为整

39、体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。 退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件

40、作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。 “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺19,20 。 1.5课题研究的目的及意义 在迫切要求减少资源和能源的消耗以减少污染保护环境的今天，镁合金以其独特的优异性能，以及其价格的下降和资源的丰富，越来越受到人们的青睐，其应用领域不断扩

41、大，世界镁及镁合金的消费量呈不断增长的趋势。我国镁储量居世界首位，原镁生产量占全球1/3，出口占世界年产量的80%以上，但是我国并非镁工业强国，镁工业还处于起步阶段，原镁生产规模小而散，技术比较落后，质量不够稳定，另一方面出口产品绝大多数是廉价的初级原料，高性能镁合金及高质量镁合金产品的研制水平远远落后于国外许多国家，缺少先进的制备及加工技术，应用研究发展得还不够，镁加工技术等也还存在很多问题。发达国家已经领导了世纪镁材料发展的新潮流，而我国在镁合金的研究和开发方面还十分薄弱。如何将我国的资源优势转化为技术优势、经济优势已经成为一个备受瞩目的问题。要想使我国在激烈的世界高新技术竞争中占据一席之

42、地，必须尽快开展镁合金产业化成套技术及装备的研制开发。企业要通过与高等院校、科研院所建立稳定的合作关系，使自身具备产品研制、开发能力。另外，还要集中力量开展镁合金的应用基础研究，进一步挖掘镁合金材料的性能潜力，拓宽镁合金的应用领域。目前应用最广泛的是Al为主加元素的镁合金，特别是用于铸造成型的AZ91合金和用于变形用的AZ31合金，然而这些合金的强度都不够高，在许多要求镁合金具有高强度的情况下难以得到广泛的应用。因此，作为变形镁合金中强度最高的ZK60合金便开始崭露头角。ZK60作为一种高强度变形镁合金，其比强度已经超过了高强度的7075铝合金。因此，只要解决了ZK60的变形成形等关键问题，其

43、极有可能取代相当部分的铝合金制品，为材料领域带来继铝合金之后的又一次革命。因此本文通过挤压和热处理来研究ZK60合金的性能。2 实验材料、设备及实验方案21实验材料本实验所使用的ZK60镁合金是采用的一般铸态ZK60镁合金，对其进行成分分析，结果如表21所示。表2.1 ZK60镁合金的主要化学成分(wt)ZnZrAlMn其他Mg5.06.00.30.90.050.100.30余量ZK60镁合金由铁坩埚熔化后采用铁模铸造成锭，再经过表面加工，对表面进行机械打磨以去除表层氧化皮和污垢，处理成30的圆柱形挤压棒料，由挤压之后力学实验所需的棒料长度反求挤压之前的坯料长度，截出这些尺寸的ZK60镁合金棒

44、料。22实验设备2.2.1挤压模具简介由于在不同的温度下、不同的挤压比下对镁合金进行热挤压，镁合金内部微观上，晶粒大小，晶界形状以及织构等可能会有不同的结果，反映到宏观上就是力学性能有所不同，所以本文主要研究300的挤压温度以及15的挤压比对ZK60镁合金挤压前后力学性能的影响。采用的热挤压模具，为简易正挤压模具，示意图如图2.1所示实际实验装置照片如图2.2所示。1、垫板2、套桶3、加热圈4、凹模5、固定板6、热电偶7、凸模 图21热挤压模具示意图图2.2 实验装置照片为使镁合金挤压件获得较佳的晶粒组织和理想的力学性能，必须使断面收缩率保持在一定的范围内，即要确定合理的挤压比。挤压比G=A0

45、/A1式中A0、A1为挤压变形前坯料和挤压变形后工件的横断面积（mm2）21-232.2.2拉伸仪器简介电子拉伸试验机经调速系统控制伺服电机转动，经减速系统减速后通过精密丝杠副带横梁上升、下降，完成试样的拉伸力学性能试验，具有较宽的调速范围。该机广泛应用于弹簧生产、建筑建材、航空航天、机械制造、电线电缆、橡胶塑料、纺织、家电等行业的材料检验分析。 电子拉伸试验机特点：1、调速系统采用伺服电机和减速机，性能稳定可靠，具有过流、过压、过载等保护功能。 2、传动部分采用圆弧同步齿形带，精密丝杠副传动，传动平稳，噪音低，传动效率高。 3 配有微机接口，可外接微机实现试验过程的控制及数据的存储、打印。

46、图2.3 拉伸试验装置照片2.3 实验方案2.3.1 镁合金热挤压简介挤压是指放在挤压筒终的锭坯的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。挤压根据挤压金属相对于挤压杆的流动方向，可分为正挤压和反挤压。Murai等人对AZ31镁合金挤压棒材研究表明，铸态直接挤压的镁合金挤压棒表层晶粒比中心晶粒的细小，再结晶晶粒的取向并未与挤压方向保持一定的方向性。挤压前，其晶粒尺寸约70m；挤压后，挤压棒表层晶粒得到细化，而心部部分晶粒仍然保持其初始形态，部分则沿挤压方向被拉长。当挤压比达到10时，挤压棒材心部也发生了动态再结晶，并且随着挤压比的增大，其表层晶粒进一步得到细化。当挤压比达到1

47、00时，心部晶粒也得到了细化。澳大利亚M. R. Barnett等人研究了铝含量对镁合金挤压成形极限的影响。大大加快了变形镁合金的应用，拓宽了镁合金的应用范围24,25。2.3.2挤压成形工艺试验简介镁合金坯料一般在电炉里加热时，最好带有空气强制循环的装置，以保证炉温均匀，炉内温差不超过10，不使镁合金与加热元件接触，使其相隔一定的距离，防止过热和引起燃烧。坯料均匀地放置在炉底或架子上，相互保持一定的距离。镁合金的导热性良好，所以任何尺寸的镁合金坯料，都可以直接高温装炉，但是镁合金中的原子扩散速率慢，不容易获得均匀组织，保证在较好的塑性状态下挤压，因此实际所用的加热时间还是比较长的。镁合金挤压

48、前加热时间，可以参照镁合金锻造时加热时间的计算方法来计算，在此实验中，毛坯薄而且体积不大，根据毛坯温度即300，加热到所需要的温度后保温几分钟即可。 镁合金变形温度范围狭窄，导热性良好，遇到冷模会产生急冷而产生裂纹。所以挤压前要对模具进行预热，其作用是，减少模具与毛坯接触时的温差，使挤压毛坯放入模具时毛坯降温不至于过大而使塑性降低，变形抗力增加；同时可避免毛坯表面和中心层温差过大，使变形不均匀增加，以至于造成挤压件和模具的损坏。由于考虑到安装模具时间长，在空气中散失的热量多，模具必须加热到比坯料稍高的温度，故综合考虑，本次实验的模具预热温度为32026,27。2.3.3热处理方案铸锭经过460

49、均匀化退火10 h后，在300进行挤压，挤压比为15。挤压后的合金棒材进行了T4、T5、T6 3种热处理，并进行了比较。热处理制度的确定参照Mg-Zn合金相图2.4，具体见表2.2。表2.2 ZK60合金的实验热处理制度状态固溶温度/固溶时间/h时效温度/时效时间/hT443510T517010T64351017010图2.4 Mg-Zn 二元合金相图2.3.4硬度测试实验测量硬度时，将热处理之后的试样用砂纸将上下表面磨平，为使测得的硬度具有普遍性(如果直径偏小，则所测得值只是反应了某个点的硬度)与准确性(如果直径偏大，则会受到缺陷的影响)得到较好的平衡。本实验采用布氏硬度，由莱州市华银仪器有

50、限公司提供的HV-50维氏硬度机，取载荷为5KG，加载时间t=10s以及压头直径D=5mm，每个试样测试三个点，取其平均值作为最终结果。2.3.5拉伸性能测试实验拉伸实验是测定材料在静载荷下机械性能的最基本、最重要的实验之一。按照图2.5 拉伸试样示意图国家标准件GB228-76所规定的拉伸试样，对于圆棒试样，比例试样按公式l0=K,K通常为5.65和11.3，据此，短、长圆棒试样的l0则分别为5d0和10d0。在本次实验中，采用d05mm，l0=5d0的比例试样28,29,30。具体尺寸如下：本次实验所要测量的力学性能数据：抗拉强度：MN/(MPa)延伸率：式中：L0试样初始标距长度 L1试

51、样断开后加以对紧后所量得得标距端点间得长度 Pb外加载荷（即实验机拉力）A0试样初始截面积试样初始标距：25mm试样初始直径：10mm实验设备：WEW-E100D型电子万能实验机横梁速度：3.26mm/min图2.6 拉伸试样实际图图2.7 拉伸后试样断裂图2.4实验模拟方案2.4.1 有限元Ansys分析软件介绍 在实际工程技术领域，存在许多力学问题和场问题，例如固体力学中的应力应变场、传热学中的温度场、电磁学中的电磁场、流体力学中的流场以及涉及多学科的耦合场等，这些问题的求解都可以看作是在一定的边界条件和初始条件下求解其基本微分方程或微分方程组的问题。但由于控制微分方程组的复杂性以及边界条

52、件和初始条件的难以确定性，我们一般不能得到系统的精确解。对于这类问题，一般需要采用各种数值计算方法获得满足工程需要的近似数值解，这就是数值模拟技术。目前解决实际工程问题的主要数值方法包括两大类：有限差分法和有限元法。使用有限差分法，需要针对每一节点写微分方程，并且用差分方法代替导数，这一过程产生一组线性方程，求解该线性方程组便可得到问题的近似数值解。有限差分法对于简单工程问题的求解是易于理解和行之有效的，但是对于具有复杂几何条件和边界条件的实际工程问题的有限差分法就显得困难和无能为力。相比之下，有限元方法使用公式方法（直接公式法、最小总势能公式法和加权余数法）而不是微分方法建立系统的代数方程组

53、，而且，有限元法假设代表每个元素的近似函数是连续的，假设元素间的边界是连续的，通过结合各单独的解产生系统的完全解，因此适合于各类工程问题的求解。有限元方法是目前应用最为广泛的一种数值模拟计算方法。2.4.2 模拟方案及步骤通过应用软件ANSYS模拟挤压比为1.5不施加温度时的力学性能与挤压比为15不施加温度之间的对比，再与加压比为15的ZK60镁合金在施加温度300前后力学性能的变化。来分析挤压比和温度对ZK60镁合金力学性能的影响。2.5本章小结本章对试件在T4 T5 T6三种热处理状态下的硬度、挤压后的拉伸力学性能进行了测试，还想对挤压比不同和温度不同的状态下进行模拟，证实热处理对ZK60

54、镁合金的力学性能的影响。3 热处理及挤压工艺对变形ZK60镁合金力学性能的研究3.1 变形ZK60镁合金不同状态下硬度ZK60合金在铸造、挤压和各种热处理状态下硬度值如图3.1所示。由图3.1可见，在铸造和均匀化退火状态下，合金的硬度比较低。经过挤压变形后，合金硬度明显提高。而经过挤压后固溶处理的较高温度下(T4)，合金的硬度会明显降低。而经过T5和T6处理后，合金的硬度会重新升高，这说明ZK60合金的力学性能受热处理的影响很明显。另外，挤压变形也是影响到合金力学性能的重要参数，经过挤压后合金的硬度值几乎提高了一倍。图3.1不同状态下ZK60合金的维氏硬度变化情况3.2 ZK60镁合金在不同状

55、态下的拉伸性能ZK60合金经过挤压后图不同状态下ZK60合金维氏硬度变化情况的材料在不同热处理状态下进行了拉伸实验，实验具体情况见图3.2-3.4图3.2 T4情况下的的拉伸力与位移曲线图3.3 T5情况下的的拉伸力与位移曲线图3.4 T6情况下的的拉伸力与位移曲线图3.5 在不同热处理状态拉下0.2/Mpa值图3.6 在不同热处理状态下b/Mpa值图3.7 在不同热处理状态下的拉伸率表3.1 挤压后不同状态下ZK60合金拉伸力学性能状态0.2/Mpab/Mpa/%挤压203.0283.97.5T4200.1242.115.1T5249.4290.69.7T6241.8268.814.6在不同

56、的热处理状态下，合金力学性能有一定的变化，挤压后合金的强度较高而伸长率较低。在固溶处理时(T4)，合金在高温下停留了10 h，此时合金中除了合金元素锌向镁基体中固溶，产生一定的固溶强化作用外，同时也相当于合金在高温下退火，这样会造成合金的强度有明显的降低。但由于镁属于密排六方晶体结构，合金元素在镁基体中的扩散速率较小，要获得充分固溶的合金固溶体，必须使合金在高温下保温较长的时间，这样才能使第二相充分溶解到基体中形成固溶体，在后续时效过程中析出更多的沉淀相来增强合金。经过固溶处理后的合金再进行时效后(T6)，其强度与固溶状态比较会有所提高，伸长率基本保持一致。而在几种热处理状态中，挤压后直接时效

57、的T5态合金强度最高，伸长率适当。这是因为在固溶处理的长时间高温停留时，使挤压过程中产生的有利于第二相析出的亚结构消失，因此T6状态需要进适当的时效温度(170)，才能促进第二相弥散沉淀析出。而T5状态直接时效，不但挤压效应可以保持，而且挤压过程中产生的位错、亚晶界等还可以促进第二相弥散析出，从而提高合金的强度。对T5、T6处理后合金性能比较可知，两种处理状态下合金强度T5态高，但塑性T6态好。因此，在塑性可接受的范围内，采取T5处理，可以在提高合金性能的同时减少热处理时间，尤其避免了在高温固溶处理时镁合金过烧、表面氧化等严重缺陷的产生。3.3 挤压工艺参数对ZK60镁合金的影响挤压温度和挤压

58、比是镁合金挤压工艺参数中最重要的两个参数，它们对于镁合金的成形过程及挤压材料的组织和性能有很大影响。ZK60镁合金的挤压首先要保证挤压过程的顺利进行，研究在低的挤压比的情况下，挤压温度对于其挤压过程的影响，然后在选定的挤压温度范围内，研究挤压比合金在不同温度下挤压过程的影响。通过对T6热处理下不同挤压比、不同温度挤压后的试样进行拉伸试验，得到温度和挤压比对ZK60镁合金力学性能的影响。图3.8 ZK60镁合金挤压后所得棒材试样图3.4 挤压工艺对变形镁合金ZK60挤压+T6后力学性能影响研究图3.9为不同状态下挤压后T6态镁合金在不同的温度下抗拉强度的变化曲线，从图中可以看出曲线的趋势是，随着

59、温度的升高，抗拉强度先减小，再增加，然后再减小，分别在300和380有峰值，但总体是在低温时抗拉强度是最大的。图3.10为不同状态下镁合金在不同温度下延伸率的变化曲线，从图中可以看出曲线的趋势是，延伸率曲线呈现逐渐降低的趋势，说明挤压随温度的增加能呈现一定的趋势，在低温时比较大，而随着温度的增加，晶粒逐渐长大，使得塑像变差，延伸率应此也降低。在图中还可以发现，在挤压比为60，温度300，挤压后T6态的材料的延伸率达到了17.8，说明在低温与大挤压比的共同作用下，镁合金的韧性能有效地得到提高。图3.11为在热处理状态和温度一定的情况下抗拉强度随挤压比变化的曲线图，从图中可以看出，随着挤压比的增加

60、，材料的抗拉强度逐渐增。结合图3.11也可以看出，挤压比的增大，抗拉强度都得到了提高。说明挤压比的增大，晶粒得到充分的细化，金属间力增强，抗拉强度应此得到提高。图3.12为T6态后在380与420时通过不同的挤压比得到的材料的延伸率曲线图。从图中可以看出，随着挤压比的增加，材料的延伸率也呈现增长的趋势，结合图3.12可以看出，曲线的总体趋势是，随着挤压比的增加，延伸率得到提高。挤压比对镁合金的力学性能的影响主要与变形程度、应力状态以及变形组织特征有关。随着挤压比的增加，金属变形程度增大，变形流线更加细密，晶粒更加细化，镁合金的抗拉强度和延伸率都得到了提高。图3.9 ZK60B镁合金抗拉强度温度

61、曲线图3.10 ZK60B镁合金延伸率温度曲线图3.11 ZK60镁合金抗拉强度挤压比曲线图3.12 ZK60镁合金延伸率挤压比曲线3.5 模拟不同条件挤压ZK60镁合金对力学性能的影响3.5.1无温度、挤压比为1.5时的模型模拟过程（1） 定义单元类型Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete定义平面单元为PLANE182，定义接触单元为TARGE169、CONTA172。（2） 定义材料性能参数Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models定义挤压材料参数依次双击Structral、

62、Liner、Elastic、Isotropic设置材料的弹性模量为4E10，泊松比为0.26。接着双击Structral、Nolinear、Inelastic、Rate Independent、Isotropic Harding Plasticity、Mises Plasticity、Multilinear定义挤压材料的应力应变的变化范围为0.025，250E6和0.1,300E6依次双击Structral、Friction Confficient设置材料的摩擦系数为0.1。单击MaterialNew Model设置新材料性能，依次双击Structral、Liner、Elastic、Isotropic设置挤压模具的参数，弹性模量为3.6E11,泊松比为0.3。依次双击Structral、Friction Confficient设置材料的摩擦系数为0.1。（3） 创建