【文章內(nèi)容簡介】 MgZn2590勻晶L+ MgZn2→Mg2Zn11 381包晶L→Mg2Zn11+（Zn） 364共晶L→（Zn）熔點由MgZr二元相圖我們又可知，MgZr二元系為包晶反應(yīng)，Zr在液態(tài)鎂中的溶解度很小(％)，合金凝固時Zr首先以aZr質(zhì)點的形式析出，在654℃時發(fā)生包晶反應(yīng)：L+aZr→aMg，aMg包覆在Zr質(zhì)點的外部形成包晶組織。由于aZr和aMg均為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)很接近(aMg=O．320hm，cMg=O．520nm；azr=0．323nm，Czr=0．514nm)，結(jié)構(gòu)尺寸匹配，因此aZr可成為aMg的結(jié)晶核心，從而細(xì)化晶粒[13,14,15]。 ZK60鎂合金的力學(xué)性能ZK60合金之所以受到人們的青睞，是因為它是現(xiàn)在所有商用鎂合金中強(qiáng)度最高的一種，又由于鎂合金本身輕的緣故，因此ZK60合金幾乎是所有材料中比強(qiáng)度最高的一種。ZK60合金的室溫力學(xué)性能以及和其它材料的比強(qiáng)度比較見表13，表14所示[16,17,18]。 ZK60鎂合金室溫力學(xué)性能材料品種材料狀態(tài)抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa延伸率/%斷面收縮率/%彈性模量/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa擠壓棒材T534529092443000470擠壓型材35530010/43000/擠壓帶材335285102543000鍛件32027012/43000/模鍛件33028014/43000/ ZK60鎂合金比強(qiáng)度對比表合金比重/gcm3屈服強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/比重ZK60擠壓型材（RS）300195AZ31擠壓型材（RS）2001157010A鋁合金，T62651107075鋁合金，T6490175鈦合金，全硬750160Q275鋼2753512Mn合金鋼3003845CrNiMoVA350170熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。 加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進(jìn)而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進(jìn)行間接加熱。 金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)加熱。 金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。 退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。 “四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝[19,20] 。 在迫切要求減少資源和能源的消耗以減少污染保護(hù)環(huán)境的今天，鎂合金以其獨特的優(yōu)異性能，以及其價格的下降和資源的豐富，越來越受到人們的青睞，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，世界鎂及鎂合金的消費量呈不斷增長的趨勢。我國鎂儲量居世界首位，原鎂生產(chǎn)量占全球1/3，出口占世界年產(chǎn)量的80%以上，但是我國并非鎂工業(yè)強(qiáng)國，鎂工業(yè)還處于起步階段，原鎂生產(chǎn)規(guī)模小而散，技術(shù)比較落后，質(zhì)量不夠穩(wěn)定，另一方面出口產(chǎn)品絕大多數(shù)是廉價的初級原料，高性能鎂合金及高質(zhì)量鎂合金產(chǎn)品的研制水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外許多國家，缺少先進(jìn)的制備及加工技術(shù)，應(yīng)用研究發(fā)展得還不夠，鎂加工技術(shù)等也還存在很多問題。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)了世紀(jì)鎂材料發(fā)展的新潮流，而我國在鎂合金的研究和開發(fā)方面還十分薄弱。如何將我國的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢已經(jīng)成為一個備受矚目的問題。要想使我國在激烈的世界高新技術(shù)競爭中占據(jù)一席之地，必須盡快開展鎂合金產(chǎn)業(yè)化成套技術(shù)及裝備的研制開發(fā)。企業(yè)要通過與高等院校、科研院所建立穩(wěn)定的合作關(guān)系，使自身具備產(chǎn)品研制、開發(fā)能力。另外，還要集中力量開展鎂合金的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步挖掘鎂合金材料的性能潛力，拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。目前應(yīng)用最廣泛的是Al為主加元素的鎂合金，特別是用于鑄造成型的AZ91合金和用于變形用的AZ31合金，然而這些合金的強(qiáng)度都不夠高，在許多要求鎂合金具有高強(qiáng)度的情況下難以得到廣泛的應(yīng)用。因此，作為變形鎂合金中強(qiáng)度最高的ZK60合金便開始嶄露頭角。ZK60作為一種高強(qiáng)度變形鎂合金，其比強(qiáng)度已經(jīng)超過了高強(qiáng)度的7075鋁合金。因此，只要解決了ZK60的變形成形等關(guān)鍵問題，其極有可能取代相當(dāng)部分的鋁合金制品，為材料領(lǐng)域帶來繼鋁合金之后的又一次革命。因此本文通過擠壓和熱處理來研究ZK60合金的性能。2 實驗材料、設(shè)備及實驗方案2．1實驗材料本實驗所使用的ZK60鎂合金是采用的一般鑄態(tài)ZK60鎂合金，對其進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表2．1所示。 ZK60鎂合金的主要化學(xué)成分(wt％)ZnZrAlMn其他Mg～～余量ZK60鎂合金由鐵坩堝熔化后采用鐵模鑄造成錠，再經(jīng)過表面加工，對表面進(jìn)行機(jī)械打磨以去除表層氧化皮和污垢，處理成Ф30的圓柱形擠壓棒料，由擠壓之后力學(xué)實驗所需的棒料長度反求擠壓之前的坯料長度，截出這些尺寸的ZK60鎂合金棒料。2．2實驗設(shè)備由于在不同的溫度下、不同的擠壓比下對鎂合金進(jìn)行熱擠壓，鎂合金內(nèi)部微觀上，晶粒大小，晶界形狀以及織構(gòu)等可能會有不同的結(jié)果，反映到宏觀上就是力學(xué)性能有所不同，所以本文主要研究300℃的擠壓溫度以及15的擠壓比對ZK60鎂合金擠壓前后力學(xué)性能的影響。采用的熱擠壓模具，為簡易正擠壓模具，．實際實驗。墊板套桶加熱圈凹模固定板熱電偶凸模 圖2．1熱擠壓模具示意圖 實驗裝置照片為使鎂合金擠壓件獲得較佳的晶粒組織和理想的力學(xué)性能，必須使斷面收縮率保持在一定的范圍內(nèi)，即要確定合理的擠壓比。擠壓比G=A0/A1式中A0、A1為擠壓變形前坯料和擠壓變形后工件的橫斷面積（mm2）[2123]　　電子拉伸試驗機(jī)經(jīng)調(diào)速系統(tǒng)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速系統(tǒng)減速后通過精密絲杠副帶橫梁上升、下降，完成試樣的拉伸力學(xué)性能試驗，具有較寬的調(diào)速范圍。該機(jī)廣泛應(yīng)用于彈簧生產(chǎn)、建筑建材、航空航天、機(jī)械制造、電線電纜、橡膠塑料、紡織、家電等行業(yè)的材料檢驗分析。 電子拉伸試驗機(jī)特點：　　調(diào)速系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和減速機(jī)，性能穩(wěn)定可靠，具有過流、過壓、過載等保護(hù)功能。 　　傳動部分采用圓弧同步齒形帶，精密絲杠副傳動，傳動平穩(wěn)，噪音低，傳動效率高。 　　3 配有微機(jī)接口，可外接微機(jī)實現(xiàn)試驗過程的控制及數(shù)據(jù)的存儲、打印。 拉伸試驗裝置照片 實驗方案 鎂合金熱擠壓簡介擠壓是指放在擠壓筒終的錠坯的一端施加壓力，使之通過?？滓詫崿F(xiàn)塑性變形的一種壓力加工方法。擠壓根據(jù)擠壓金屬相對于擠壓桿的流動方向，可分為正擠壓和反擠壓。Murai等人對AZ31鎂合金擠壓棒材研究表明，鑄態(tài)直接擠壓的鎂合金擠壓棒表層晶粒比中心晶粒的細(xì)小，再結(jié)晶晶粒的取向并未與擠壓方向保持一定的方向性。擠壓前，其晶粒尺寸約70181。m；擠壓后，擠壓棒表層晶粒得到細(xì)化，而心部部分晶粒仍然保持其初始形態(tài)，部分則沿擠壓方向被拉長。當(dāng)擠壓比達(dá)到10時，擠壓棒材心部也發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，并且隨著擠壓比的增大，其表層晶粒進(jìn)一步得到細(xì)化。當(dāng)擠壓比達(dá)到100時，心部晶粒也得到了細(xì)化。澳大利亞M. R. Barnett等人研究了鋁含量對鎂合金擠壓成形極限的影響。大大加快了變形鎂合金的應(yīng)用，拓寬了鎂合金的應(yīng)用范圍[24,25]。鎂合金坯料一般在電爐里加熱時，最好帶有空氣強(qiáng)制循環(huán)的裝置，以保證爐溫均勻，爐內(nèi)溫差不超過177。10℃，不使鎂合金與加熱元件接觸，使其相隔一定的距離，防止過熱和引起燃燒。坯料均勻地放置在爐底或架子上，相互保持一定的距離。鎂合金的導(dǎo)熱性良好，所以任何尺寸的鎂合金坯料，都可以直接高溫裝爐，但是鎂合金中的原子擴(kuò)散速率慢，不容易獲得均勻組織，保證在較好的塑性狀態(tài)下擠壓，因此實際所用的加熱時間還是比較長的。鎂合金擠壓前加熱時間，可以參照鎂合金鍛造時加熱時間的計算方法來計算，在此實驗中，毛坯薄而且體積不大，根據(jù)毛坯溫度即300℃，加熱到所需要的溫度后保溫幾分鐘即可。 鎂合金變形溫度范圍狹窄，導(dǎo)熱性良好，遇到冷模會產(chǎn)生急冷而產(chǎn)生裂紋。所以擠壓前要對模具進(jìn)行預(yù)熱，其作用是，減少模具與毛坯接觸時的溫差，使擠壓毛坯放入模具時毛坯降溫不至于過大而使塑性降低，變形抗力增加；同時可避免毛坯表面和中心層溫差過大，使變形不均勻增加，以至于造成擠壓件和模具的損壞。由于考慮到安裝模具時間長，在空氣中散失的熱量多，模具必須加熱到比坯料稍高的溫度，故綜合考慮，本次實驗的模具預(yù)熱溫度為320℃[26,27]。鑄錠經(jīng)過460℃均勻化退火10 h后，在300℃進(jìn)行擠壓，擠壓比為15。擠壓后的合金棒材進(jìn)行了TTT6 3種熱處理，并進(jìn)行了比較。 ZK60合金的實驗熱處理制度狀態(tài)固溶溫度/℃固溶時間/h時效溫度/℃時效時間/hT443510T517010T64351017010 MgZn 二元合金相圖測量硬度時，將熱處理之后的試樣用砂紙將上下表面磨平，為使測得的硬度具有普遍性(如果直徑偏小，則所測得值只是反應(yīng)了某個點的硬度)與準(zhǔn)確性(如果直徑偏大，則會受到缺陷的影響)得到較好的平衡。本實驗采用布氏硬度，由萊州市華銀儀器有限公司提供的HV50維氏硬度機(jī)，取載荷為5KG，加載時間t=10s以及壓頭直徑D=5mm，每個試樣測試三個點，取其平均值作為最終結(jié)果。拉伸實驗是測定材料在靜載荷下機(jī)械性能的最基本、最重要的實驗之一。按照 拉伸試樣示意圖國家標(biāo)準(zhǔn)件GB22876所規(guī)定的拉伸試樣，對于圓棒試樣，比例試樣按公式l0=K,，據(jù)此，短、長圓棒試樣的l0則分別為5d0和10d0。在本次實驗中，采用d0＝5mm，l0=5d0的比例試樣[28,29,30]。具體尺寸如下：本次實驗所要測量的力學(xué)性能數(shù)據(jù)：抗拉強(qiáng)度：MN/㎡(MPa)延伸率：式中：L0—試樣初始標(biāo)距長度 L1—試樣斷開后加以對緊后所量得得標(biāo)距端點間得長度 Pb—外加載荷（即實驗機(jī)拉力）A0—試樣初始截面積試樣初始標(biāo)距：25mm試樣初始直徑：10mm實驗設(shè)