[发明专利]一种弱化变形镁合金产品各向异性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能有效减弱变形镁合金产品各向异性的方法。

背景技术

采用“参考坐标系”来描述宏观多晶体材料，它是一个直角坐标系，由三个相互垂直的坐标轴x、y、z组成；采用“晶体坐标系”来描述单晶体，其坐标轴由[100]、[010]和[001]组成。当单晶体的[100]、[010]和[001]分别与“参考坐标系”的x、y和z轴平行且同向时，人们称该单晶体具有“初始取向”。取向描述了一个晶粒（单晶体）从“初始取向”出发相对于“参考坐标系”的转动状态，取向也表达了一个晶粒的“晶体坐标轴”在“参考坐标系”内的排布方式。当许多晶粒的取向集中分布在某一或某些取向位置附近时，则该材料具有了织构。

用铁模或砂型铸造等常规工艺制备的镁合金铸锭，其内部晶粒通常无明显的织构，但在随后的锻造、挤压、轧制、拉拔等塑性变形过程中，会由于滑移和孪生使晶粒发生转动而形成变形织构。其原因在于：按照Von Mises准则，多晶体的塑性变形需要五个独立的滑移系，在具有密排六方晶体结构的镁合金中，<c+a>滑移能提供五个独立滑移系（沿c轴的应变只能由孪生和<c+a>滑移来提供），而基面<a>滑移仅能提供两个；然而，镁合金中<c+a>滑移的临界分切应力大约是基面<a>滑移的2.5倍，因此镁合金在塑性变形过程中基面<a>滑移所占的比重远远超过锥面<c+a>滑移，于是在外加压应力场的作用下，基面<a>滑移使变形晶粒发生转动，并逐渐使（0001）基面垂直于压应力方向，这就导致塑性变形后的组织出现强烈的基面织构。

镁合金在挤压过程中，（0001）基面和<10-10>晶向会与挤压方向（ED）平行；在轧制过程中，（0001）基面会平行于轧板表面，<10-10>晶向会平行于轧向(RD)。上述变形织构的产生会导致力学性能出现各向异性。由于密排六方晶体结构的对称性低于立方晶体结构，因此，与变形铝合金相比，变形镁合金的力学性能各向异性更加严重，这成为制约镁合金大型挤压材和轧制板材发展的主要因素。有文献报道：对于AZ81镁合金挤压材，其ED的拉伸屈服强度明显高于TD（垂直于挤压方向）；对于AZ31镁合金轧制板材，RD（轧向）的拉伸屈服强度低于TD（垂直于轧制方向）。值得一提的是，添加稀土元素的镁合金,因<c+a>滑移容易被激活，所以最终的变形织构强度较弱，这可能源于稀土元素改变了体系的层错能。通常情况下，提高变形温度和加快变形速率能弱化织构，从而减弱力学性能各向异性，这是因为，随着变形温度的提高，特别是在225℃以上时，除基面<a>滑移和锥面孪生外，柱面和锥面的潜在滑移系被激活，且各滑移系的临界分切应力的差值减小，镁合金的变形能力大幅提升，织构的强度随之减弱。提高变形速度一方面会导致温升，另一方面，温度较高时，多晶镁合金的塑性变形机制包含位错滑移、晶界滑动、晶界和晶内的回复和动态再结晶，这些过程都受速度控制，因此变形速度会对这些过程产生重要影响。根据文献报道，AZ81镁合金的（0001）基面织构随着变形速度的增大而减弱。

多向锻造工艺属于大塑性变形，能够制备超细晶组织，该工艺的实质为：从不同方向对镁合金坯料进行反复的镦粗和拔长。对于塑性差的镁合金材料可选用等温多向锻造，即：每一道次变形之后都回炉退火，目的是消减残余应力和通过静态再结晶细化晶粒，提高塑性，但要控制好保温时间，防止严重的晶粒长大；对于塑性较好的合金，可以采用降温多向锻造，即：减少道次间退火的次数。多向锻造开坯过程中，由于外加载荷方向是变化的，材料内部形成取向各异、彼此交错的变形带，变形带交汇处位错塞积严重，有利于引发动态再结晶。多向锻造后，铸锭中的各种缺陷和晶粒尺寸的表里不一被大幅减弱，反复动态再结晶能非常有效地细化晶粒，此外，多向锻造工艺不会引起新的变形织构。有文献报道，铸态AZ80合金经过7个道次的多向锻造后，平均晶粒尺寸由126μm减小到1~2μm，屈服强度由128MPa提升到259MPa，延伸率由3%提升到7%。本发明旨在将多向锻造工艺用作开坯手段，服务于后续挤压和轧制等塑性变形，从而实现弱化变形织构和减弱各向异性的目的。由于晶粒细化增加了晶界的表面积，从而使“晶界滑动变形机制”在总变形量中占足够大的份量，除基面滑移和孪生之外，大量晶界的滑移协调了变形，从而使织构弱化。因此，多向锻造作为开坯手段不仅能有效弱化变形镁合金的“力学性能各向异性”，还能有效抑制变形过程中出现无法矫正的宏观扭曲（如：变形材的弯曲、波浪、侧弯和扭转等），从而提高产品合格率。

发明内容