关键词： AZ31镁合金   电塑性效应   再结晶   电流密度   Dynaform   拉深成形  

摘要： 帽形件作为基础零件广泛地应用于各种设备,其适用范围广泛并且往往会影响着机械设备的使用寿命。镁合金作为一种轻量化的金属结构材料,由镁合金制成的帽形件具有轻质的优点,因此在航空航天、汽车交通、电子通讯等领域具有极大的应用潜力。但由于镁合金具有六方晶体结构,因此室温下塑性成形性能较差,难以通过传统的冲压方法加工成形。近年来研究发现脉冲电流的电塑性效应可以有效改善金属的成形效果与成形质量,但是当电流密度较大时会产生更多的能耗,难以广泛应用。因此,降低电流密度是电塑性领域研究的重点之一。本文以AZ31镁合金作为实验材料,利用脉冲小电流的电塑性效应使帽形件在达到工艺要求的基础上降低能耗,扩大加工范围。首先,在不同电流条件(0A～35A、0V～0.94V)下对镁合金进行电辅助拉伸实验,以获得最优工艺参数,并对以脉冲电流预处理与无电油浴处理得到的镁合金进行拉伸实验,以验证电塑性效应,并通过金相分析探究脉冲电流处理后镁合金微观组织的演变;其次,利用Dynaform软件构建具有不同工艺参数(凸凹模间隙、凸凹模圆角半径、压边力)的镁合金帽形件拉深模具,通过对拉深件起皱与拉裂等缺陷和厚度分布进行了有限元分析,得到使帽形件具有最大减薄率最小与最大增厚率最小的工艺组合;最后,通过热拉深与热电耦合拉深实验,探究热效应与电效应对帽形件成形极限与质量的影响,进而得到最优工艺参数。研究结果表明:(1)当电流密度为3A/mm时,镁合金经脉冲电流处理后,组织中的孪晶组织基本消失,部分组织发生再结晶;当电流密度为5A/mm时,镁合金经脉冲电流处理后,组织中的孪晶完全消失,晶界比较连续,所有组织发生再结晶。(2)通过Dynaform有限元模拟得到拉深模具的最优工艺参数,其中使得帽形件最大减薄率最小与最大增厚率最小的工艺组合为:凸凹模间隙1.2mm,压边力10KN,凸凹模圆角半径6mm。(3)热电耦合拉深工艺在一定程度上能提高AZ31镁合金板材的成形性能,当温度达到240℃时,AZ31镁合金板料的极限拉深深度和最大减薄率增大,相比于同温度下的热拉深,极限拉深深度提高了0.6mm,极限拉深深度提高了7.4%。

关键词： 镁合金   微弧氧化   生物膜层   耐腐蚀性能   生物性能  

摘要： 镁（Mg）及其合金作为一种可吸收和可植入的生物材料,因其具有优异的机械性能、生物降解性和生物相容性等优点,近年来在医学应用领域中受到广泛关注。此外,镁植入体释放的镁离子可以在体内自然降解并促进成骨和血管生成,在骨骼固定方面明显优于其它生物惰性金属材料。然而,镁合金的临床应用受到高降解速率的限制。为了控制镁合金的降解速率并保持较高的生物活性,本文首先采用微弧氧化（Microarc Oxidation,MAO）工艺在磷酸盐和硅酸盐混合电解液中制备了MAO初始膜层;针对AZ91D镁合金MAO过程中出现的局部连续破坏性放电问题,利用搅拌摩擦加工（Friction Stir Processing,FSP）工艺调控镁合金表面的显微组织以实现成分再分配,发现了镁合金中β-Mg17Al12相间接诱导微弧均匀放电的规律;最后基于双极性脉冲软化火花放电（软火花放电）的模式,在调控后的镁合金MAO初始膜层内沉积含有F/Ca/Sr/Ag元素的粒子,获得具有微/纳结构和共掺杂生物活性元素的复合膜层,并评价了共掺杂复合膜层的物理特征、理化性能、生物活性和抗菌性能。主要研究结论如下:（1）电解液中PO43-促进了微弧放电和膜层内孔隙的形成,引起了细丝状放电现象,形成厚而多孔的MAO膜层。电解液中Si O32-形成的非晶Si O2相不溶于碱性电解液,且显著降低熔融氧化物的流动性,增大膜层表面的粗糙度;同时促使残留熔融氧化物堵塞了膜内放电通道,迫使微弧在相邻其它区域形核,增加了微弧放电数量,形成薄且致密的MAO膜层。当二元混合电解液中PO43-/Si O32-浓度配比达到0.06 mol·L-1/0.04 mol·L-1时,镁合金表面获得的MAO膜层具有较厚的内部致密层（4.46μm）、较大的表面粗糙度和比表面积(Sa为4.276μm,Sdr为37.262%)、较深的放电孔洞（Sv为31.427μm）以及较好的耐蚀性能(icorr为3.82377μA/cm2)。（2）挤压态AZ91D镁合金中网状结构的β相诱导形成了严重的“级联”放电现象,导致MAO膜层中Mg Al2O4含量增加,Mg3（PO4）2含量减少。FSP工艺细化了挤压态AZ91D镁合金内的α-Mg晶粒,并搅碎了β相的网状结构,导致β相弥散分布并有效减少微弧放电的“级联”现象。纳米Ti O2颗粒和Zr O2颗粒通过FSP工艺钉扎在镁合金的晶界处,促进β相在α-Mg晶界处的弥散析出,进一步细化了α-Mg晶粒。此外,纳米Zr O2颗粒还促进了β相在α-Mg晶粒内部的弥散析出,显著抑制微弧放电的“级联”现象。由此提出通过基体成分再分配来进行间接诱导调控微弧均匀放电的新方法。该方法制备的MAO膜层表面的放电孔洞均匀且内层致密,并且具有良好的润湿性和耐腐蚀性。（3）镁合金软火花放电主要发生在膜层内部,其表面由微弧放电形成的孔隙形貌基本不变,膜/基界面无严重“级联”放电形成的大尺寸凹坑出现。软火花放电促进了电解液中F/Ca/Sr/Ag元素沉积到放电孔内的片层状或粉末状熔融氧化物中,其中少量Sr O粒子沉积到了软火花层内部,但对MAO初始膜层表面的微/纳结构的影响很小。共掺杂F/Ca/Sr/Ag粒子的MAO复合膜层具有很好的润湿性和耐蚀性,较好的蛋白质吸附能力和MC3T3-E1成骨细胞粘附能力,以及极佳的抗金黄色葡萄球菌的能力,且未表现出明显的毒性。

关键词： 湿法纺丝   纤维电极   生物相容性   心电监测   可穿戴器件  

摘要： 随着人类社会生活水平的提高和高强度的工作方式,心脑血管疾病的发病率持续上升,它已成为危害人类健康的重大疾病,而对心脏的监测、诊断和预防治疗可以预防此类疾病的发生。可穿戴心电监测是利用生物可穿戴传感器采集和记录人体的生理参数,通过生物电采集电极(简称生物电极)采集人体表面的生物电信号,实现连续的无创诊断检测,从而帮助检查者实现健康管理。传统的心电监测设备通常体积较大,无法随身携带,且用于监测的心电电极贴片可能会导致皮肤过敏等问题。因此,为了满足长期的心电监测,设计一种轻便灵活、柔软弹性的生物电采集装备非常重要。针对以上问题与挑战,本文提出了以苯乙烯嵌段共聚物即苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)为弹性基底,炭黑(CB)和聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)为导电填料的复合纤维电极,它能同时具备高力学性能,稳定的电学性能和良好的细胞生物相容性等特征,在可穿戴生物电采集方面具有良好的优势。本文主要围绕以下三个方面展开工作:1.采用湿法纺丝技术,以苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯为基底,炭黑和聚3,4-乙烯二氧噻吩为导电填料,制备了SEBS/CB/PEDOT弹性纤维电极。通过调控PEDOT的含量,对纤维电极的综合性能进行优化。该电极具有稳定的极化电位,较低的界面阻抗(<4ⅹ10～4Ω)、高拉伸率(1400%)、高拉伸强度(7.5 MPa)和良好的生物相容性。将其应用于生物电极,能够准确地采集到人体内的生物电信号,在人体健康监测领域具有较大的潜力。2.设计制备了SEBS/CB/PEDOT织物电极基的可穿戴心电监测腕带和心电监测服,并从腕带织物电极的结构设计、心电监测服的电极尺寸和电极位置以及无线心电监测服的不同状态下的心电信号的采集三个方面综合描述了基于织物电极的心电采集器件的性能。在经历了1000次马丁代尔耐磨循环之后,织物电极的质量损失仅为1.3%。此外,与市售的另外两款心电监测服相比,SEBS/CB/PEDOT织物电极基心电监测服在外观、心电采集性能和穿戴舒适性方面具有更强的竞争优势。3.采用聚氯乙烯模具,构筑离子凝胶表面修饰的SEBS/CB/PEDOT芯鞘结构复合纤维电极。所制备的纤维具有较低的界面阻抗,小而稳定的极化电位(1分钟内的变化量低于0.001 V)、优良的保水性和良好的粘附性,为干式电极在皮肤-电极界面存在运动伪迹而导致心电信号的采集受到影响等问题提供了可行性方案。

关键词： Ti13Nb13Zr   表面渗氮强化   电化学腐蚀   摩擦腐蚀性能   生物相容性  

摘要： Ti13Nb13Zr合金凭借其优异的生物相容性、良好的耐蚀性以及与人体骨骼接近的弹性模量在人工关节领域受到了越来越多的关注。然而,钛合金材料本身固有的较差的摩擦学性能严重限制了其在人工髋关节滑动摩擦界面的应用。因此,本文采用高温气体渗氮技术对Ti13Nb13Zr合金进行了表面渗氮强化处理,通过调控渗氮温度与保温时间实现了工艺参数的优化,系统研究了氮扩散规律,完成了渗氮层生长动力学分析,剖析了渗氮层生长机理,并对渗氮层的力学性能、腐蚀性能、摩擦学性能以及生物相容性开展了全面的评估。在Ti13Nb13Zr合金气体渗氮过程中,氮元素能够扩散到基体中形成α-Ti(N)过饱和固溶体,随着渗氮温度升高以及保温时间延长,α-Ti(N)逐渐向Ti N/TiN化合物转化,渗氮层最终演变为由Ti N组成的外部氮化物陶瓷层、由Ti N、TiN和α-Ti(N)组成的内部氮化物陶瓷层以及由α-Ti(N)固溶体组成的氮扩散区。在Ti13Nb13Zr合金表面渗氮层生长过程中,渗氮层的整体厚度随着保温时间的延长而增加,生长动力学分析表明氮化物层陶瓷层厚度与保温时间的平方根成正比,与保温时间符合抛物线关系,计算得到反应速率常数K为16.46。在渗氮层生长机理研究中,重点强调了合金元素及其再分布对氮元素扩散的影响。Nb元素作为β-Ti稳定元素在α-Ti(N)以及Ti N/TiN形成过程中被挤压到周围基体中,在外部氮化物陶瓷层与内部氮化物陶瓷层界面处偏析的Nb元素能够阻断氮扩散通道,使得偏析区域下方的α-Ti(N)难以向Ti N转化,导致了内部氮化物陶瓷层不均匀的物相组成。Ti13Nb13Zr合金经气体渗氮强化处理后表面硬度得到了显著提高,且随着渗氮温度及保温时间增加而上升,在1200℃条件下经10 h渗氮处理后能够达到1300 HV,约为Ti13Nb13Zr合金原样的5.3倍。硬质氮化物陶瓷层结合具有固溶强化效果的氮扩散区使得Ti13Nb13Zr合金渗氮层在整体上表现出优异的硬度以及断裂韧性,随着Ti N含量在深度方向上的递减,渗氮层的硬度和断裂韧性呈梯度下降趋势。在电化学腐蚀测试中,由于Ti13Nb13Zr合金表面渗氮层在化学稳定性以及厚度方面均优于钛合金表面自发形成的Ti O氧化膜,因此在PBS溶液中表现出更高的腐蚀电位、更低的腐蚀电流密度以及更低的腐蚀速率,能够很好的满足金属植入物腐蚀速率低于0.25μm/year的严苛要求。在摩擦腐蚀测试过程中,由于Ti13Nb13Zr合金表面渗氮层具有足够的硬度与强度抵抗塑性变形与破坏,因此其磨损机制主要为AlO陶瓷球机械去除和PBS溶液腐蚀协同作用导致的腐蚀磨损。随着渗氮温度提高与保温时间的延长,表面氮化物陶瓷层的Ti N含量逐渐增多,腐蚀磨损程度随之减弱。但是过长时间的渗氮会造成表面缺陷增多、强度下降,致使耐磨性降低。Ti13Nb13Zr合金在1200℃条件下经6 h渗氮处理后获得了最优的摩擦学性能,在相同的测试条件下,其磨损体积为0.005±0.002 mm,与Ti13Nb13Zr合金原样的2.371±0.47 mm相比降低了99.79%,即使将载荷增加到30 N,摩擦测试时长提升为12 h,其磨损体积仅增加到0.040±0.011 mm。在生物相容性测试过程中,Ti13Nb13Zr合金表面渗氮层表现为0级无毒,对MC3T3E1成骨细胞的生长与繁殖没有任何不利影响。此外,渗氮层也不会诱导巨噬细胞炎症因子的超水平释放,与Ti13Nb13Zr合金一样具有优异的生物相容性。综上所述,Ti13Nb13Zr合金经高温气体渗氮强化处理后其表面能够生成具有足够厚度的硬质耐磨涂层,并且表现出优异的断裂韧性、耐腐蚀性能、摩擦腐蚀性能以及生物相容性,实现了表面坚硬耐磨、心部强韧的钛合金人工关节材料的制备,这对于低摩擦、低磨损、长寿命的新型人工髋关节的开发具有重要的理论及现实意义。

关键词： 双相镁合金   力学性能   变形机制   非晶化   扩散   分子动力学模拟  

摘要： 镁(Mg)合金作为21世纪的绿色工程材料,由于其低密度、高比强度和阻尼能力等优异优势,已成为重要的轻合金材料。近年来,镁合金已用于航空航天、运输、电子通信和其他行业。然而,作为轻合金的潜在库存,镁合金必须面对这样一个现实:由于镁合金的六方紧密堆积(HCP)结构,室温下的滑移系统数量有限,导致镁合金的塑性变形能力较差,这限制了其在各个领域的广泛应用。因此,寻找提高镁合金塑性的有效措施已成为亟待解决的问题。传统上,稀土(rare-earth,RE)合金化通常用于防止镁合金的基滑移,并激活其潜在的锥面、柱面和锥面滑移,以获得五个独立的滑移系,从而提高镁合金的塑性。尽管通过合金化提高镁合金的塑性已经取得了一些成果,但仍然不能满足人们的要求。因此,迫切需要一种提高镁合金塑性变形能力的新途径。晶体/非晶(C/A)双相结构是一种改善镁合金力学性能的新设计策略。本文通过分子动力学模拟研究了稀土元素钇(Y)的含量对C/A Mg/(Mg Cu)Y双相镁合金在拉伸载荷下的变形机制和力学行为的影响。本文的主要研究内容如下:(1)研究了C/AMg/(Mg Cu)Y双相镁合金在拉伸载荷下的变形机制和力学行为,揭示了不同含量的Y元素和非晶厚度对C/A Mg/(Mg Cu)Y力学性能和变形行为的影响。研究结果表明,Y元素含量不同的双相镁合金在屈服点后都出现应力急剧下降,随着Y元素含量的进一步增加,双相镁合金的塑性变形过程中,应力降几乎消失,并且出现了近乎完美的塑性流动行为。结果还表明,双相镁合金的屈服应力随着Y元素含量的增加而降低。(2)研究了C/AMg/(Mg Cu)Y双相镁合金弛豫过程中非晶化现象的出现。结果首次表明,弛豫后合金的非晶相厚度明显增加,这主要是由于非晶相中Y元素的存在。随着Y元素含量的增加,非晶相的厚度增加。结果表明,元素Y从非晶相向非晶相/晶体相界面(ACI)的扩散促进了ACI向晶相的迁移(即晶相的非晶化)。结果进一步指出,镁合金的非晶化取决于两个因素:一是非晶相中含有一定浓度的Y元素,二是ACI的存在。温度对于非晶相厚度的增加也起一定的作用,随着温度得变大,非晶化现象更为明显。结果表明,双相镁合金存在一个临界非晶相厚度,即Y元素的临界含量。通过调整非晶相或晶相的强度并优化Y元素的含量(即非晶相厚度),可以提高双相镁合金的强度,同时保持其优异的塑性。

关键词： Zn基复合材料   核壳结构   力学性能   腐蚀性能   生物相容性  

摘要： 随着我国人口结构老龄化进程的加快,骨损伤问题已经成为影响国民生命健康的重要因素。为减少二次手术对患者造成的创伤,发展新型可降解医用金属材料具有重大意义。目前,锌及锌合金因具有较低的降解速率和良好的生物相容性等特性,受到了科研工作者的广泛关注。然而,该合金存在力学性能较差、降解速率不匹配等问题。因此,亟需开发力学性能与腐蚀性能优异且兼具良好生物相容性的可降解锌基复合材料,为其产业化应用提供理论依据。在前期试验基础上,本文以材料设计和制备工艺为突破口,优选Zn-10Mg合金为基体,采用放电等离子烧结技术（Spark Plasma Sintering,SPS）制备了Zn-10Mg-x HAP（x=1～5wt.%）复合材料,分析了羟基磷灰石（Hydroxyapatite,HAP或HA）掺杂Zn基复合材料的显微组织、力学性能、体外动态降解行为和生物相容性。此外,采用SPS技术和激光选区熔化技术（Selective Laser Melting,SLM）制备了Zn-10Mg合金,探讨了制备工艺对合金的力学性能、腐蚀性能及生物相容性的影响规律。研究表明:Zn-10Mg-x HAP复合材料是以MgZn2相为壳、Mg为核芯的核壳结构分散于致密基体上的多相异质结构,掺杂的HA粉末主要富集于壳层边界处。增大HA的含量,将显著降低材料的致密度;添加HA对试样的宏观硬度略有提升,弹性模量的降低主要归结于脆性相的HA在试样中的分布。添加1 wt.%的HA,材料具有较好的综合力学性能,其抗压强度和压缩率分别为400 MPa和7.9%。降解过程中,超过1 wt.%的HA添加量可有效提高材料的降解速率;动态模拟环境下有利于材料与溶液进行离子交换,但由于HA促进Ca-P层的形成会减缓降解;核壳结构表现出不同的降解顺序,为生物可降解材料金属提供了设计思路。细胞毒性和增殖实验证实ZM-1HA具有良好的生物相容性。HA含量超过1 wt.%时,试样的细胞增殖受到抑制,主要归结于过量的HA促进Zn2+释放进而抑制了细胞增殖。总之,ZM-1HA具有合适的力学性能,同时兼具合适的降解速率和良好的生物相容性,符合医用可降解金属材料的要求。与SPS技术相比,SLM制备的试样融合质量较高,且平均晶粒尺寸从27.1μm（SPS）减小到0.68μm（SLM）。不同技术制备的Zn-10Mg合金均含有Mg2Zn11和MgZn2的硬质金属间化合物,硬质相对合金的强度具有促进效果;相对于SPS试样,SLM试样具有较优的力学性能,其性能的提升主要归结于SLM技术的细晶强化效果。随着晶粒尺寸的减小和MgZn2相分布均匀性的提高,SLM试样在SBF溶液中的降解速率升高,试样从非均匀降解向均匀降解的形式转变,与电化学测试结果一致;试样浸泡后的腐蚀产物以Zn O、Ca CO3、Mg（OH）2、Zn3（PO4）2·4H2O为主,表明腐蚀产物生成了对骨骼生长有益的物质。此外,不同制备技术制备的Zn-10Mg合金均表现出良好的生物相容性。

关键词： AZ31镁合金   预制孪晶   绝热剪切敏感性   本构方程   数值模拟  

摘要： 镁及镁合金作为工业生产中使用常见的金属材料,在运输,航空航天等领域应用广泛,但由于镁合金常在实际应用中会受到冲击载荷的作用而产生失效,故研究镁合金在高应变速率载荷下的动态力学行为,并判断材料的绝热剪切敏感性,对于镁合金的使用与优化具有十分重要的意义。孪晶具有改变晶粒取向,细化晶粒等特点,预制孪晶常被用作改善镁合金力学性能的重要手段。本文使用轧制态AZ31镁合金,通过准静态压缩预制不同孪晶体积分数（分别记作0%、16.3%和29.1%）试样,使用分离式霍普金森压杆与电阻加热炉装置,沿法向（ND）,温度200℃,应变速率900～1100 s-1,对不同孪晶体积分数AZ31镁合金帽状试样进行高应变速率冲击实验,采用电子背散射衍射（EBSD）和光学显微镜（OM）对试样在高应变速率冲击前后的微观组织进行观察和分析,计算了试样发生绝热剪切时的吸收能量,比较了绝热剪切带的宽度及绝热剪切带内外的显微硬度。对不同应变速率下的实验数据,通过Johnson-Cook本构方程建立模型,应用Ansys下的Ls-dyna模块对帽状试样在高应变速率下的局域变形过程进行了仿真。结果如下: 不同孪晶体积分数AZ31镁合金帽状试样表现出正应变速率强化效应,峰值应力随应变速率增加而增大。随着孪晶体积分数的增加,16.3%试样以及29.1%试样的屈服强度明显降低,这是由于退孪生开动协调塑性变形所致,而29.1%试样屈服强度要高于16.3%试样是因为晶粒细化提高了强度所致。 在同一应变速率944 s-1下,不同孪晶体积分数的帽状试样内均观察到了绝热剪切带,对比绝热剪切带的微观形貌及计算绝热剪切失效前的吸收能量,随着孪晶体积分数增加,绝热剪切带的宽度随之减小,其吸收能量随之减小。不同孪晶体积分数的AZ31镁合金绝热剪切敏感性为:29.1%试样>16.3%试样>0%试样,绝热剪切敏感性随着孪晶体积分数增加而增加。不同孪晶体积分数试样剪切区显微硬度高于基体区。 根据真应力-应变数据,通过最小二乘法拟合修正不同孪晶体积分数AZ31镁合金的Johnson-Cook本构方程,基于Johnson-Cook本构方程对AZ31镁合金帽状试样变形过程进行了仿真。变形首先出现在帽状试样拐角及拐角连线的剪切应力集中区,在高应变速率载荷作用下,材料内部的塑性功转变成内能,剪切区温度上升,超过镁合金动态再结晶形成温度,在绝热剪切带内形成了细小的动态再结晶晶粒。

关键词： AZ31镁合金   轧辊偏移   轧辊交叉   有限元模拟  

摘要： 随着精密制造、智能通讯行业的兴起,极薄带材的需求量越来越大,极薄带材的制造技术也越来越重要。而镁合金具有低密度、高比强度和比刚度的特性,是目前工业生产中所广泛使用的最轻的结构金属之一,在轻量化领域具有广阔的前景。由于重载、振动造成的轴承磨损或更换轧辊时造成的安装误差存在,轧机在使用过程中,工作辊会出现相对偏移或交叉的情况,这将使轧机承受额外负荷,并且对轧制过程和成品板材的最终形貌产生影响。本文通过使用有限元模拟和实验相结合的方法,在轧辊偏移或轧辊交叉条件下,对AZ31镁合金板材轧制过程中轧辊偏移距离、交叉角度、轧制速度、轧制变形量等轧制参数对于应力场、应变场、轧制力变化及轧板变形行为的影响进行较为系统的研究,并通过进行金相显微组织观察,研究了轧辊偏移量对板材组织的影响。研究结果表明:(1)轧辊偏移量为0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm时,轧制区出口处板材厚度与作为对照区的常规轧制的出口处板材厚度很相近;(2)四组不同偏移量下轧板均发生下弯,引入偏移弯曲系数,发现除轧辊偏移0.5mm外,其余轧辊偏移量下的偏移弯曲系数≈0.99;(3)轧辊偏移条件下的等效应力结果显示,在轧辊偏移量为0.5mm时出现反常的跳跃式增长,峰值应力达到了1149.7MPa。为探明在偏移0.5mm附近出现反常的原因,增加几组偏移距离模拟,结果表明,在偏移0.6mm附近等效应力最大。在偏移0.5～0.6mm区间内,由于轧板进入变形区之前就发生了弯折,产生了加工硬化,等效应力发生明显增大;在偏移量超过0.6mm后,由于轧辊与轧板接触区域变长,加工硬化现象减弱,最终恢复到原始情况,等效应力峰值逐渐降低;(4)等效应变场结果表明,随着偏移量的增加,轧板上的等效应变均匀性下降,导致轧板的力学性能均匀性降低;(5)轧辊交叉轧制模拟结果显示,轧板镰刀弯的生成与轧辊交叉有关。交叉角度越大,镰刀弯越明显。但轧辊交叉轧制同时也有优点,在轧辊交叉的辊系下轧制,轧板上的等效应变场更加均匀,这会使轧板的力学性能更加均匀;(6)通过实验方式验证轧辊偏移模拟轧制结果,发现实验结果与模拟结果吻合。金相显微组织图显示当轧辊发生偏移时,轧板上部晶粒相较于下部晶粒拉长现象更加明显,且随着偏移量的增加,晶粒拉长区向下扩展。

关键词： Mg-Gd-Zn-Zr合金   热挤压   时效析出相   再结晶行为   织构演变  

摘要： 随着航空航天、国防军工、汽车和新能源产业等领域对高性能轻质结构材料的需求日益增多,导致对高性能镁合金的开发与研究更加迫切。但镁合金目前难以实现大规模应用,主要是由于存在腐蚀性能差、变形困难以及因缺乏有效地析出相而导致的力学性能不足等问题。在镁合金中添加稀土元素,可提高镁合金的力学、耐热、阻燃、耐腐蚀等性能。稀土元素的添加能够在镁合金中形成有效的金属间化合物,起到强化效果。其中,在Mg-Y/Gd-Zn等体系中能够形成一种长程有序(LPSO)相,这种LPSO相在镁合金中展现出优异的强化效果。近年来,含LPSO相的稀土镁合金受到了国内外学者的广泛关注,如何有效的利用LPSO相,实现镁合金强度与塑性的同步提高,是开发高强高韧含LPSO相镁合金一个急需解决的关键科学问题。本文通过常规铸造的方法成功制备出含LPSO结构相的Mg-6Gd-1Zn-0.5Zr(wt.%)合金。首先,在500℃下对铸态合金进行变形前热处理,即高温均匀化处理,研究热处理过程中合金的微观组织演变。结果表明,随着均匀化时间的延长,合金中含有的块状(Mg,Zn)Gd相逐渐回溶入α-Mg基体,晶粒内部片层状LPSO结构相逐渐析出并生长,直至500℃均匀化12 h后,片层状长满整个晶粒,合金硬度也达到峰值。随着均匀化时间的进一步延长,LPSO结构相发生回溶,由片层状转变为点状。最终,选取500℃均匀化12 h为最佳变形前热处理工艺。对均匀化态合金进行不同挤压方式(正挤压和复合挤压)及参数下(挤压温度和挤压比)的热挤压,研究合金在热挤压过程中的微观组织演变及室温拉伸性能。结果表明,正挤压合金由沿挤压方向被拉长的变形组织组成,而复合挤压合金发生了不同程度的动态再结晶行为,由细小且具有随机取向的动态再结晶晶粒和粗大的变形组织组成的典型双峰结构。复合挤压合金的动态再结晶机制主要为连续动态再结晶、粒子激发形核机制和扭折协助再结晶机制。挤压态合金都形成了典型的纤维织构,正挤压合金织构强度较高,合金强度较高,但延伸率较低。复合挤压合金极限抗拉强度为290MPa,延伸率为20.68%。经过后续固溶时效处理后,合金中弥散析出了大量条纹状β’相,合金强度提高,但其强化效果有限,由于β’相的共格且易剪切性促进合金中滑移带的形成,因此时效析出强化效果有限。固溶时效处理后,合金的KAM值降低,位错密度减少,合金发生静态再结晶行为,再结晶晶粒逐渐消耗变形组织。合金织构类型未发生变化,但织构强度由于再结晶行为的发生,显著降低,合金强度降低,塑性提升。