【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變形 過(guò)程。與常規(guī) 塑性變形相比，蠕變具有以下主要特征。⑴ 所有固體材料都能 發(fā)生蠕變。常規(guī)蠕變變形中，當(dāng)應(yīng)力在宏觀屈服應(yīng)力以下時(shí)材料幾乎不發(fā)生塑性變形；蠕變變形時(shí)，當(dāng)應(yīng)力低于材料的宏觀屈服應(yīng)力 時(shí)也可發(fā)生明顯的塑性變形。實(shí)際上，即使材料不受外力作用時(shí)也可發(fā)生蠕變。2 蠕變是能量驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，蠕變系統(tǒng)的能量降低。3 蠕變機(jī)制取決于應(yīng)力和溫度。彈塑性變形時(shí)，應(yīng)變僅是應(yīng)力的函數(shù)，即。蠕變時(shí)應(yīng)變不僅是應(yīng)力的函數(shù)，同時(shí)也是溫度和 時(shí)間的函數(shù)，即。蠕變時(shí)一個(gè)速度控制的過(guò)程，蠕變變形的大小可用蠕變曲線來(lái)表示，典型的蠕變曲線如圖21(a)所，其含義是在恒定溫度和載荷作用下應(yīng)變隨時(shí)間變化的關(guān)系。圖 21(b)所示為恒定應(yīng)變速率條件下蠕變時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。純金屬在高溫（T，Tm為金屬的熔點(diǎn)，用熱力學(xué)溫度表示）下蠕變時(shí)，根據(jù)蠕變應(yīng)力的 大小和應(yīng)變隨時(shí)間變化的規(guī)律，可將蠕變曲線分成三個(gè)階段：第一個(gè)階段為滑移蠕變階段，此時(shí)存在明顯的應(yīng)變硬化，流變應(yīng)力隨蠕變應(yīng)變的增加而增大，且應(yīng)變和時(shí)間t之間遵循Andrade定律 （21）式中，為常數(shù)。第二階段為穩(wěn)定蠕變階段，此時(shí)硬化與軟化速率 相當(dāng)，流變應(yīng)力保持恒定，應(yīng)變與時(shí)間t之間成線性關(guān)系，即 （22）式中，k為常數(shù)。第三階段為蠕變斷裂階段，此時(shí)軟化占主導(dǎo)地位 ，應(yīng)變隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大，直至材料最終發(fā)生斷裂。蠕變的快慢可用蠕變速率來(lái)表示，即單位時(shí)間內(nèi)的真實(shí)蠕變應(yīng)變，平均蠕變速率可表示為 （23）如圖22所示為蠕變速率與時(shí)間之間的關(guān)系曲線。由圖21和 圖21可知，蠕變速率并非常數(shù)，而是取決于應(yīng)力、溫度和時(shí)間等餓 因素。在滑移蠕變階段，蠕變速率隨時(shí)間的增加而減?。ǎ?）；在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，蠕變速率保持恒定（=0）。在蠕變斷裂階段，蠕變速率隨時(shí)間增加而增加（＞0）。在整個(gè)蠕變過(guò)程中，大部分變形發(fā)生在穩(wěn)態(tài)蠕變階段。設(shè)溫度和時(shí)間對(duì)穩(wěn)態(tài)蠕變速率的影響是相互獨(dú)立的，則穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度之間的關(guān)系可用Arrhenius則表示。圖21 恒定應(yīng)力和應(yīng)變速率條件下的蠕變行為圖22 蠕變速率與時(shí)間之間的關(guān)系曲線 （24）式中，為穩(wěn)態(tài)蠕變速率；Qc為蠕變激活能；R為 氣體常量；T為蠕變溫度。當(dāng)溫度恒定時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力之間符合Norton法則 （25）式中，n為應(yīng)變硬化指數(shù)。綜合上述兩式，可得穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度和應(yīng)力之間的關(guān)系式為 (26)式中，AA2和A均與材料有關(guān)的常數(shù)。圖23 應(yīng)變速率對(duì)屈服應(yīng)力及應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響蠕變是一個(gè)速度敏感的過(guò)程，材料在 高溫 下變形時(shí)的屈服應(yīng)力和應(yīng)力應(yīng)變曲線受應(yīng)變速度影響。如圖23所示，當(dāng)應(yīng)變速率為時(shí)屈服應(yīng)力為；而當(dāng)應(yīng)變速率為時(shí)，屈服應(yīng)力為。如圖24所示為AZ91D鎂合金在不同溫度和速率條件下的蠕變曲線，可見(jiàn)其激活能隨著溫度的升高而明顯下降：120℃時(shí)激活能為220kj/mol,180℃時(shí)的激活能則下降為94kj/mol，這也表明在試驗(yàn)條件下鎂合金的蠕變機(jī)制非常復(fù)雜。圖24 AZ91D鎂合金在不同溫度和速率條件下的入編曲線T為蠕變時(shí)間，tf為蠕變壽命 鎂合金的塑性變形特征大部分鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性低，其軸比（c/a），室溫滑移系少，冷加工困難。溫度是影響鎂合金塑性變形能力的關(guān)鍵因素，低于495K時(shí)，多晶鎂的塑性變形僅限于基面滑移和錐面孿生。因此，鎂合金變形時(shí)只有3個(gè)幾何滑移系和2個(gè)獨(dú)立滑移系（鋁 合金有12個(gè)幾何滑移系和5個(gè)獨(dú)立滑移系），易在晶界處產(chǎn)生大的應(yīng)力集中。當(dāng)變形量較大時(shí)沿孿生區(qū)域（尤其在壓縮時(shí)）或沿大結(jié)晶的基面產(chǎn)生局部穿晶斷裂，因而鎂合金的冷變形僅限于中等變形，一般在溫度的冷變形量越為10%到20%。高于498K時(shí)，溫度升高增加了院子震動(dòng)的振幅，最密排面和次密排面的差別小，因此會(huì)激活潛在的滑移面和滑移方向，使附加角錐滑移面啟動(dòng)，這時(shí)鎂呈現(xiàn)明顯的延性轉(zhuǎn)變，塑性大大提高；同時(shí)由于發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶而造成的軟化，也會(huì)使鎂及鎂合金具有較高的塑性，所以鎂合金的壓力加工通常在高溫下進(jìn)行。此時(shí)在 角錐面上產(chǎn)生滑移并抑制孿晶形成。 鎂合金塑性成形技術(shù) 軋制成形鎂合金的帶材及板材一般采用軋制成形的方法生產(chǎn)。軋制過(guò)程可以細(xì)化晶粒，改善鎂合金組織，顯著提高鎂合金的力學(xué)性能。軋制溫度是鎂合金軋制過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。軋制溫度過(guò)低時(shí)，高的應(yīng)力集中可以導(dǎo)致孿晶形核和切變斷裂；軋制溫度過(guò)高時(shí)，晶粒容易長(zhǎng)大而使板材熱脆傾向增大。Hosokawa等對(duì)軋制鎂合金的研究表明，軋制溫度在225到400攝氏度范圍內(nèi)，%以上而不出現(xiàn)裂紋；軋制溫度在200攝氏度以下時(shí)，成形性能較差，易出現(xiàn)裂紋。最近研究表明，MB22在較低的軋制應(yīng)變速率下鎂合的軋制溫度在180到260攝氏度之間比較合適；軋制溫度溫度為340攝氏度時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒已長(zhǎng)大，成形性能變差。近年來(lái),針對(duì)鎂合金軋板強(qiáng)烈的組織傾向和各項(xiàng)異性進(jìn)行了大量研究。研究表明，在常規(guī)軋制過(guò)程中，鎂合金板材內(nèi)通常形成強(qiáng)烈的基面組織結(jié)構(gòu)，給板材的強(qiáng)度、塑性和深沖性帶來(lái)很不利的影響。Watanabe H 等人對(duì)軋制AZ31鎂合金板材的研究表明，采用異步軋制工藝可使基面組織有效減弱，但也僅使c軸搓軋方向偏轉(zhuǎn)了大約5度，板材的性能提高不大。為了提高軋板的性能，基于等通道擠壓提出了等通道軋制。圖25為JaeChul Lee等人利用等通道軋制工藝，對(duì)制備MB22鎂合金板材進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，經(jīng)等通道軋制后基面組織結(jié)構(gòu)減弱，晶粒取向由原來(lái)的基面取向轉(zhuǎn)變?yōu)榛嫒∠蚺c非基面取向共存；板材強(qiáng)度 明顯提高，抗拉強(qiáng)度由等通道軋制前的240N/mm2增大到275N/。結(jié)果表明，與單向軋制相比較，交叉軋制可減輕軋板的各向異性，為深沖變形提供良好的組織結(jié)構(gòu)條件。圖 25 基于ECAP的等通道軋制裝備示意圖為降低變形鎂合金的生產(chǎn)成本，連續(xù)鑄軋工藝是目前研究的熱點(diǎn)。連續(xù)鑄軋是冶金及材料領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿技術(shù)，其特點(diǎn)是：可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，縮短生產(chǎn)周期，降低能耗，降低成本。在幾種連續(xù)鑄軋機(jī)中，雙輥（原理圖見(jiàn)圖26）較適宜于大規(guī)模、商業(yè)化是生產(chǎn)，目前已成功應(yīng)用于鋁業(yè)和鋼鐵 行業(yè)。在鎂合金連續(xù)鑄軋領(lǐng)域，澳大利亞Commonwealth Sc ientific amp。 Industrial Research Organization(CSIRO)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。目前，CSIRO采用水平式雙輥鑄軋機(jī)，成功鑄軋常規(guī)鎂合金與一批新鎂合金帶材。最近，有科研人員利用鑄軋?jiān)嚿L(zhǎng)線（見(jiàn)圖26）成功鑄軋出了寬700mm、總重達(dá)4t的鎂合金帶材。并利用工業(yè)化軋制實(shí)驗(yàn)，成功生產(chǎn)出了寬度為2000mm。國(guó)內(nèi)也開(kāi)始鎂合金鑄軋的研究工作，并在實(shí)驗(yàn)條件下制備了1mm~3mm的帶坯。圖26 雙輥鑄軋薄帶示意圖 擠壓成形目前,鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產(chǎn)品主要采用擠壓方法加工成形。金屬在擠壓變形區(qū)中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),可以充分發(fā)揮其塑性提高其變形能力,獲得大變形量。因此,對(duì)于鎂合金這類塑性較差的金屬,擠壓成形是最容易實(shí)現(xiàn)的塑性變形。由于鎂合金在低溫下滑移系較少，塑性變形能力差。因而，其塑性變形多在加熱條件下進(jìn)行。鎂合金的典型擠壓溫度范圍為300 ℃～ 460 ℃。同時(shí)，合理的擠壓溫度的選擇還和特定的合金牌號(hào)和擠壓形狀有關(guān)。例如，在有背壓的情況下，AZ31 合金在150 ℃以下即可擠壓成形,而AZ61 和ZK60 合金的擠壓溫度則必須在150 ℃以上。此外，鎂合金的成形性還受擠壓速度的影響，速度過(guò)高易導(dǎo)致表面熱裂。研究表明，鎂合金的極限擠壓速度，主要取決于材料成分。一般而言,合金元素含量越高則極限擠壓速度越低。圖XX 為極限擠壓速度與材料種類的關(guān)系，其中AM10 、AZ11 、M1和ZM21鎂合金擠壓速度可達(dá)到40mm/s而不開(kāi)裂。擠壓成形可顯著細(xì)化晶粒、改善組織,提高材料的強(qiáng)度和塑性。例如,ZK60合金經(jīng)150℃擠壓后抗拉強(qiáng)度上升到500N/mm2以上,這可歸因于晶粒細(xì)化。因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)擠壓參數(shù)來(lái)控制材料微觀組織。通常,降低擠壓溫度和擠壓速度,可獲得更細(xì)小的晶粒；增加擠壓比也能進(jìn)一步細(xì)化晶粒,從而獲得更好的力學(xué)性能。近年來(lái),隨著鎂行業(yè)的迅速發(fā)展,鎂合金的擠壓成形技術(shù)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步,但仍存在一些不足。在擠壓工藝方面與鋁合金相比,鎂合金擠壓所需的擠壓力較高、擠壓速度低、成本高。在擠壓件性能方面，鎂合金在擠壓過(guò)程中易形成基面取向的纖維織構(gòu)，導(dǎo)致材料嚴(yán)重的