專利名稱：鎂合金的兩步等通道角擠壓方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體的說，涉及一種鎂合金的兩步等通道角擠壓方法。
背景技術(shù)：
鎂合金是很有吸引力的最輕的一類金屬結(jié)構(gòu)材料，它們在汽車、機(jī)車和航空工業(yè)上的應(yīng)用具有廣闊的前景。這些工業(yè)中的結(jié)構(gòu)件往往是在承受正應(yīng)力和/或切應(yīng)力下失效，要求材料不但有高的比強(qiáng)度，還應(yīng)具有足夠的塑性，即要求有高的強(qiáng)韌性。由于鎂及鎂合金在凝固溫度以下至室溫沒有相變發(fā)生，合金元素的固溶度低，又缺乏有效的強(qiáng)化相，所以通常合金設(shè)計(jì)中采用的相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化及第二相強(qiáng)化方法對鎂合金都不能取得成效，限制了鎂合金比強(qiáng)度的大幅度提高。而且鎂是密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫時只有一組基面滑移系可以開動，因而只有有限的塑性。基于以上原因，細(xì)化晶粒成為優(yōu)先考慮用來提高鎂合金強(qiáng)度和塑性的一種有效手段。目前的很多研究表明，深度塑性變形有利于晶粒細(xì)化，而等通道角擠壓工藝(ECAE)由于不改變試樣的尺寸，容易實(shí)現(xiàn)深度塑性變形，從而獲得超細(xì)晶粒。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，(W.J.Kim)等在《Acta Materialia》(材料學(xué)報(bào))(第51期第3239-3307頁)上發(fā)表的(“Texture development and itseffect on mechanicai properties of an AZ61Mg alloy fabricated by equalchannel angular pressing”)(等通道角擠壓變形AZ61鎂合金的織構(gòu)演變及對合金力學(xué)性能的影響)，該文中提出常規(guī)等通道角擠壓方法，具體為在275℃下采用不同擠壓路線對AZ61合金等通道角擠壓變形，細(xì)化合金晶粒。其不足在于合金晶粒雖然明顯細(xì)化，合金的延伸率明顯提高，但合金的強(qiáng)度卻明顯降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種改進(jìn)的鎂合金的兩步等通道角擠壓方法，使其在等通道擠壓過程中降低變形溫度，綜合提高鎂合金的強(qiáng)韌性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明具體步驟如下(1)設(shè)計(jì)等通道擠壓模具，實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)材料的變形難易程度通道轉(zhuǎn)角φ在90-120°之間。轉(zhuǎn)角弧度ψ取0-45°，根據(jù)公式ϵ=(1/3)·[2cot(φ/2+ψ/2)+ψcosec(φ/2+ψ/2)]]]>可以計(jì)算每道次擠壓變形提供的變形程度。
(2)對于給定的鎂及各種鎂合金材料，進(jìn)行等通道擠壓變形，在變形速率(0.28mm/s)下調(diào)整等通道角擠壓變形溫度(225-350℃)，找到可以實(shí)現(xiàn)無裂紋變形1道次最低變形溫度。
(3)在上述無裂紋變形最低溫度下對合金實(shí)施多道次等通道角擠壓變形，并且變形道次間可以根據(jù)現(xiàn)有的幾種等通道擠壓路線中的一種旋轉(zhuǎn)試樣，分別是A每道次間試樣不旋轉(zhuǎn)，B每道次間試樣沿?cái)D壓軸順時針旋轉(zhuǎn)90°；C每道次間試樣沿?cái)D壓軸旋轉(zhuǎn)180°，D前一道次間試樣沿?cái)D壓軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，后一道次間試樣沿?cái)D壓軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°。
(4)合金經(jīng)等通道角擠壓變形2-4道次后，合金的流動性變好，變形抗力降低，在這一基礎(chǔ)上降低等通道角擠壓變形溫度至180-330℃，繼續(xù)采用不同的擠壓路線(A、B、C、D)中的一種對該鎂合金進(jìn)行等通道角擠壓變形4-8道次，即為兩步等通道角擠壓工藝，變形后獲得細(xì)晶粒鎂合金并且合金中含有較多的亞晶界和小角度晶界，綜合提高鎂合金的室溫強(qiáng)韌性。
本發(fā)明通過研究鎂合金等通道角擠壓變形過程中變形溫度對鎂合金晶粒大小和力學(xué)性能的影響，可得出這一規(guī)律，變形溫度越低，細(xì)化效果越明顯，變形后合金的強(qiáng)度較高。從而在這一基礎(chǔ)上提出了兩步等通道角擠壓變形工藝，通過在等通道角擠壓變形過程中進(jìn)一步降低變形溫度，獲得了強(qiáng)韌性綜合性能較高的鎂合金材料。本發(fā)明克服了等通道角擠壓變形后雖然延伸率提高，但屈服強(qiáng)度明顯下降的特點(diǎn)，為提高鎂合金的強(qiáng)韌性提供了有效的方案。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在探明變形溫度及變形程度對鎂合金微觀組織及力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，利用等通道擠壓實(shí)現(xiàn)深度塑性變形，根據(jù)材料的初始性能，調(diào)節(jié)等通道擠壓的變形溫度，有效細(xì)化了鎂合金晶粒和優(yōu)化鎂合金的組織結(jié)構(gòu)，提高了鎂合金的室溫強(qiáng)韌性。


圖1為等通道角擠壓模具示意2為原始態(tài)合金與常規(guī)等通道角擠壓合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖3為原始態(tài)合金與兩步等通道角擠壓合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖4為兩步等通道角擠壓變形后合金的TEM形貌具體實(shí)施方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供本發(fā)明在AZ31、AZ61及Mg-Zn-Y鎂合金應(yīng)用的實(shí)施例，具體過程如下實(shí)施例一1.根據(jù)圖1設(shè)計(jì)并制造模具，選取模具的通道轉(zhuǎn)角φ為90°，轉(zhuǎn)角弧度ψ為0°，每道次變形的應(yīng)變量為1.15。
2.給定的鎂合金材料為常規(guī)擠壓態(tài)AZ31鎂合金，平均晶粒尺寸為16μm，合金的力學(xué)性能分別為延伸率為21％、屈服強(qiáng)度為152MPa、抗拉強(qiáng)度為256MPa。對該合金實(shí)施ECAE變形，試樣尺寸為10×10×90cm，進(jìn)行ECAE變形，變形速率設(shè)定為0.28mm/s，變形第一道次調(diào)整變形溫度的范圍是200-300℃，結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)無裂紋的最低變形溫度為225℃。
3.在225℃下對合金實(shí)施多道次變形，變形路線采用B，即每道次間試樣沿?cái)D壓軸順時針旋轉(zhuǎn)90°。
4.經(jīng)4道次變形后，合金的晶粒細(xì)化為2μm，合金的力學(xué)性能分別為延伸率26％，屈服強(qiáng)度136MPa，抗拉強(qiáng)度271MPa(見圖2)。經(jīng)5道次變形后，合金晶粒尺寸變?yōu)?.9μm，力學(xué)性能分別為延伸率29％，屈服強(qiáng)度為105MPa，抗拉強(qiáng)度為255MPa(見圖3)。說明經(jīng)225℃等通道擠壓變形后合金的延伸率雖然明顯提高了，但是屈服強(qiáng)度卻明顯降低。而對在225℃下經(jīng)4道次變形后的合金，由于變形抗力降低和金屬的流動性好，變形溫度可以降低至180℃，在180℃繼續(xù)ECAE變形1道次后，合金晶粒細(xì)化到0.5μm，并且合金中含有明顯的亞結(jié)構(gòu)(見圖4)，力學(xué)性能分別為延伸率29％，屈服強(qiáng)度231MPa，抗拉強(qiáng)度303MPa(見圖3)。說明經(jīng)兩步等通道角擠壓后，相對于原始擠壓態(tài)合金，合金的強(qiáng)度和延伸率都同時得到明顯的提高。
實(shí)施例二1.根據(jù)圖1設(shè)計(jì)并制造模具，選取模具的通道轉(zhuǎn)角φ為120°，轉(zhuǎn)角弧度ψ為45°。
2.給定的鎂合金材料為常規(guī)擠壓態(tài)AZ61鎂合金，平均晶粒尺寸為20μm，合金的初始力學(xué)性能為延伸率為19％、屈服強(qiáng)度為202MPa、抗拉強(qiáng)度為302MPa。對該合金實(shí)施ECAE變形，試樣尺寸為10×10×90cm，進(jìn)行ECAE變形，變形速率設(shè)定為0.28mm/s，變形第一道次調(diào)整變形溫度的范圍是200-300℃，結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)無裂紋的最低變形溫度為250℃。
3.在250℃下對合金實(shí)施多道次變形，變形路線采用D，即前一道次間試樣沿?cái)D壓軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，后一道次間試樣沿?cái)D壓軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°。
4.經(jīng)4道次變形后，合金的晶粒細(xì)化為2μm，合金的力學(xué)性能分別為延伸率20％，屈服強(qiáng)度174MPa，抗拉強(qiáng)度310MPa。而對在250℃下經(jīng)4道次變形后的合金，由于變形抗力降低和金屬的流動性好，變形溫度可以降低至190℃，在190℃繼續(xù)ECAE變形4道次后，合金晶粒細(xì)化到0.3μm，力學(xué)性能分別為延伸率26％，屈服強(qiáng)度274MPa，抗拉強(qiáng)度370MPa。
實(shí)施例三1.根據(jù)圖1設(shè)計(jì)并制造模具，選取模具的通道轉(zhuǎn)角φ為110°，轉(zhuǎn)角弧度ψ為30°。
2.給定的鎂合金材料為常規(guī)擠壓態(tài)Mg97Zn2Y1鎂合金，初始力學(xué)性能為延伸率2.3％，屈服強(qiáng)度352MPa，抗拉強(qiáng)度413MPa。對該合金實(shí)施ECAE變形，試樣尺寸為10×10×90cm，進(jìn)行ECAE變形，變形第一道次調(diào)整變形溫度的范圍是300～400℃，結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)無裂紋的最低變形溫度為350℃。
3.在350℃下對合金實(shí)施多道次變形，變形路線采用C，即每道次間試樣沿?cái)D壓軸旋轉(zhuǎn)180°。
4.經(jīng)4道次變形后，合金的力學(xué)性能分別為延伸率8％，屈服強(qiáng)度376MPa，抗拉強(qiáng)度413MPa。而對在350℃下經(jīng)4道次變形后的合金，由于變形抗力降低和金屬的流動性好，變形溫度可以降低至330℃，在330℃繼續(xù)ECAE變形2道次后，合金晶粒細(xì)化到0.2μm，力學(xué)性能分別為延伸率10％，屈服強(qiáng)度400MPa，抗拉強(qiáng)度449MPa。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金的兩步等通道角擠壓方法，其特征在于，具體步驟如下(1)設(shè)計(jì)等通道擠壓模具，根據(jù)對要實(shí)施變形的材料的進(jìn)行通道轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角弧度的設(shè)定；(2)對于給定的鎂及各種鎂合金材料，根據(jù)材料的初始性能，調(diào)整變形速率和變形溫度，找到無裂紋變形1道次的最低溫度；(3)在上述無裂紋變形最低溫度下對合金實(shí)施多道次等通道角擠壓變形，變形道次間根據(jù)等通道擠壓路線中的一種旋轉(zhuǎn)試樣；(4)合金經(jīng)等通道角擠壓變形2-4道次后，合金的流動性變好，變形抗力降低，在這一基礎(chǔ)上降低等通道角擠壓變形溫度，繼續(xù)采用等通道擠壓路線中的一種對該鎂合金進(jìn)行等通道角擠壓變形4-8道次。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金的兩步等通道角擠壓方法，其特征是，步驟(1)中，通道轉(zhuǎn)角φ在90-120°之間，轉(zhuǎn)角弧度ψ取0-45°，根據(jù)公式ϵ=(1/3)·[2cot(φ/2+ψ/2)+ψcosec(φ/2+ψ/2)]]]>計(jì)算每道次擠壓變形提供的變形程度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金的兩步等通道角擠壓方法，其特征是，步驟(2)，對于給定的鎂及各種鎂合金材料，進(jìn)行等通道擠壓變形，在設(shè)定的變形速率0.28mm/s下調(diào)整等通道角擠壓變形溫度到225-350℃，找到實(shí)現(xiàn)無裂紋變形1道次最低變形溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金的兩步等通道角擠壓方法，其特征是，步驟(3)，所述的等通道擠壓路線，是指以下的任意一種A.每道次間試樣不旋轉(zhuǎn)；B.每道次間試樣沿?cái)D壓軸順時針旋轉(zhuǎn)90°；C.每道次間試樣沿?cái)D壓軸旋轉(zhuǎn)180°；D.前一道次間試樣沿?cái)D壓軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，后一道次間試樣沿?cái)D壓軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金的兩步等通道角擠壓方法，其特征是，步驟(4)中，降低等通道角擠壓變形溫度至180-330℃。
全文摘要
一種材料加工技術(shù)領(lǐng)域的鎂合金的兩步等通道角擠壓方法。具體為(1)設(shè)計(jì)等通道擠壓模具，包括通道轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角弧度的設(shè)定；(2)根據(jù)材料的初始性能，調(diào)整變形速率和變形溫度，找到無裂紋變形1道次的最低溫度；(3)在上述無裂紋變形最低溫度下對合金實(shí)施多道次等通道角擠壓變形，變形道次間根據(jù)等通道擠壓路線中的一種旋轉(zhuǎn)試樣；(4)合金經(jīng)等通道角擠壓變形2－4道次后，降低等通道角擠壓變形溫度，繼續(xù)采用等通道擠壓路線中的一種對該鎂合金進(jìn)行等通道角擠壓變形4－8道次。本發(fā)明克服了等通道角擠壓變形后雖然延伸率提高，但屈服強(qiáng)度明顯下降的特點(diǎn)，為提高鎂合金的強(qiáng)韌性提供了有效的方案。
文檔編號B21C31/00GK1792487SQ20051011180
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者林棟樑, 靳麗, 陳彬, 曾小勤, 丁文江, 毛大立 申請人:上海交通大學(xué)