低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造對AZ80鎂合金組織與變形性能的影響研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進程中，材料的性能與質(zhì)量對各行業(yè)的進步起著關鍵作用。鎂合金作為一種輕質(zhì)金屬材料，以其密度輕、強度高、剛性好、易加工等諸多優(yōu)良性能，在航空、汽車、電子等眾多領域得到了極為廣泛的應用，已然成為材料研究領域的焦點之一。在眾多鎂合金種類中，AZ80鎂合金憑借其較高的強度和良好的高溫穩(wěn)定性，在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，尤其是在對材料性能要求嚴苛的航空、汽車和兵器工業(yè)等領域，AZ80鎂合金發(fā)揮著不可或缺的作用。然而，AZ80鎂合金在鑄造過程中存在一些難以忽視的問題。其鑄造過程中極易產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷，這些缺陷嚴重影響了鑄件的質(zhì)量和性能。鑄造過程中的成型性能也受到限制，導致鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量難以達到理想狀態(tài)，進而限制了AZ80鎂合金在一些高精度要求領域的應用。因此，如何有效解決這些鑄造問題，提高AZ80鎂合金的鑄造質(zhì)量和成型性能，成為材料研究人員亟待攻克的難題。為了解決上述問題，低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)應運而生。這種新型鑄造技術(shù)通過在鑄造過程中施加低壓脈沖磁場，利用磁場的力效應、熱效應及磁勢能，對鎂合金熔體的凝固過程產(chǎn)生積極影響，從而顯著改善鑄造組織性能。相關研究表明，脈沖磁場能夠使熔體產(chǎn)生感應運動，促進枝晶破碎，增加形核率，進而細化晶粒，減少鑄造缺陷。在鋁合金半連續(xù)鑄造中，施加脈沖電磁場可使鑄錠心部晶粒尺寸大幅下降。低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)在提高鑄造質(zhì)量和成型性能方面展現(xiàn)出巨大潛力，但對于該工藝制備的AZ80鎂合金材料的變形性能，目前的研究還不夠深入。變形性能作為材料在加工和使用過程中的關鍵性能之一，直接關系到材料能否滿足各種復雜工況的要求。深入研究低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造AZ80鎂合金的變形性能，不僅能夠豐富鎂合金材料的基礎理論研究，還能為該工藝在實際生產(chǎn)中的應用提供堅實的科學依據(jù)，具有重要的理論意義和實際應用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在低壓脈沖磁場方面，國內(nèi)外學者對其在金屬凝固過程中的作用開展了大量研究。牛津大學的LiottiE等利用同步輻射定向凝固技術(shù)，深入探究了脈沖磁場作用下Al-15Cu熔體樹枝晶形貌的變化規(guī)律。通過施加0.1T的脈沖電磁場，計算得出枝晶受到的電磁力FL=±0.3mN，體系內(nèi)枝晶破碎率提高了4.5倍。他們認為熔體在一次和二次枝晶間隙的感應運動是枝晶破碎率增加的主要因素，而電磁力對枝晶的作用并非關鍵。內(nèi)蒙古科技大學的科研人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，在液相線以上施加特定的脈沖電磁場，并配合相應的凝固制度，可獲得優(yōu)良的組織細化效果。當以660℃為脈沖處理結(jié)束溫度，分別對熔體進行241mT脈沖電磁場處理1、2、3min后，緩慢冷卻，鑄錠心部晶粒尺寸相較于未電磁處理試樣分別下降了39%、35.8%及39.4%。這些研究表明，脈沖磁場能夠通過多種機制對金屬凝固組織產(chǎn)生影響，如促進體系自發(fā)形核、導致枝晶脫落形成結(jié)晶雨、改變凝固前沿溫度分布、影響溶質(zhì)原子躍遷規(guī)律以及引發(fā)塞貝克效應、帕爾貼效應與湯姆遜效應等，從而實現(xiàn)晶粒細化和組織改善。對于DC半連續(xù)鑄造技術(shù)，其在有色金屬鑄造領域應用廣泛。在鋁合金半連續(xù)鑄造中，通過控制鑄造工藝參數(shù)，如冷卻速度、拉鑄速度等，可以有效改善鑄錠的組織和性能。冷卻速度的提高能夠細化晶粒，減少偏析，從而提高鋁合金的強度和韌性；拉鑄速度的合理控制則有助于保證鑄錠的表面質(zhì)量和尺寸精度。該技術(shù)在鎂合金鑄造方面也有應用，通過優(yōu)化鑄造工藝，如調(diào)整澆注溫度、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)等，可以減少鑄造缺陷，提高鎂合金鑄件的質(zhì)量。適當降低澆注溫度能夠減少氣孔和縮松等缺陷的產(chǎn)生，而合理設計結(jié)晶器結(jié)構(gòu)則可以改善鎂合金的凝固過程，提高鑄件的致密度。在AZ80鎂合金變形性能研究方面，張治民、王強等學者在Gleeble-3800熱模擬機上對鑄態(tài)AZ80合金進行了等溫壓縮實驗，研究發(fā)現(xiàn)在溫度200-400℃、應變速率0.001-10s?1、最大變形程度60%的條件下，AZ80合金的變形屬于典型動態(tài)再結(jié)晶型，流變應力隨變形溫度的降低和應變速率的升高而增大。在兩相區(qū)（T＜300℃）時，合金已發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，隨著溫度升高（300℃以上），晶粒出現(xiàn)不同程度的粗化，而隨著變形速率的增大，動態(tài)再結(jié)晶晶粒逐漸減小。另有學者采用等溫擠壓對AZ80進行熱塑性變形，該方法能夠保證合金在變形過程中溫度穩(wěn)定，減少局部變形不均勻的情況，取得了較好的變形效果。通過特定的變形工藝條件，還可減少變形過程中的裂紋和缺陷。盡管上述各方面研究取得了一定成果，但對于低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造AZ80鎂合金的研究仍存在不足。目前對低壓脈沖磁場與DC半連續(xù)鑄造工藝協(xié)同作用下AZ80鎂合金的組織演變機制研究還不夠深入，未能全面揭示脈沖磁場參數(shù)（如磁場強度、脈沖頻率等）、鑄造工藝參數(shù)（如冷卻速度、拉鑄速度等）與AZ80鎂合金組織和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。關于該工藝制備的AZ80鎂合金在復雜變形條件下的變形行為和強化機制，也缺乏系統(tǒng)的研究。因此，深入開展低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造AZ80鎂合金及其變形性能的研究具有重要的科學意義和實際應用價值。1.3研究內(nèi)容與方法本研究主要采用低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)制備AZ80鎂合金，并對其微觀組織和變形性能展開深入研究。在實驗材料方面，選用純度較高的鎂、鋁、鋅等金屬原料，按照AZ80鎂合金的化學成分標準進行精確配比，確保實驗材料的成分準確性，為后續(xù)研究提供可靠基礎。在實驗設備上，采用專門設計的低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造裝置，該裝置能夠精確控制鑄造過程中的磁場參數(shù)和鑄造工藝參數(shù)。通過調(diào)節(jié)電源的輸出功率和頻率，可實現(xiàn)對脈沖磁場強度和頻率的精準控制；通過自動化控制系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定控制鑄造過程中的冷卻速度、拉鑄速度等工藝參數(shù)，保證實驗條件的穩(wěn)定性和可重復性。在微觀組織分析方面，運用金相顯微鏡對制備的AZ80鎂合金樣品進行金相組織觀察，詳細記錄晶粒的尺寸、形狀和分布情況。采用掃描電子顯微鏡（SEM）進一步觀察合金的微觀結(jié)構(gòu)，包括第二相的形態(tài)、分布和尺寸，通過SEM附帶的能譜分析儀（EDS）對合金中的元素分布進行分析，深入了解元素在合金中的存在形式和分布規(guī)律。利用X射線衍射儀（XRD）對合金的晶體結(jié)構(gòu)進行分析，確定合金中相的種類和晶格參數(shù)，通過XRD圖譜的分析，研究合金在不同工藝條件下的相組成變化，為深入理解合金的微觀組織演變提供依據(jù)。對于變形性能測試，在萬能材料試驗機上對AZ80鎂合金樣品進行拉伸實驗，測量樣品在拉伸過程中的應力-應變曲線，通過對曲線的分析，計算出合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率等力學性能指標，以此評估合金的拉伸變形性能。在熱模擬試驗機上進行熱壓縮實驗，模擬合金在不同溫度和應變速率條件下的變形過程，測量熱壓縮過程中的流變應力，研究合金在熱變形過程中的變形行為和軟化機制。通過分析熱壓縮實驗后的微觀組織變化，探討熱變形參數(shù)對合金微觀組織和性能的影響規(guī)律。采用硬度測試設備，如布氏硬度計、洛氏硬度計等，對AZ80鎂合金樣品進行硬度測試，分析硬度在不同部位和不同工藝條件下的變化規(guī)律，探究硬度與微觀組織和變形性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。二、相關理論基礎2.1AZ80鎂合金概述AZ80鎂合金是一種以鎂（Mg）為基體，添加鋁（Al）、鋅（Zn）等合金元素的變形鎂合金。其化學成分中，鎂含量通常在91%左右，鋁含量為7.80-9.20%，鋅含量為0.20-0.80%，同時還含有少量的錳（Mn）等其他元素。各元素在合金中發(fā)揮著重要作用，鋁的加入能夠有效提高合金的強度和硬度，通過固溶強化和時效強化機制，增強合金的力學性能；鋅可以進一步提升合金的強度和韌性，改善合金的鑄造性能，促進晶粒細化，提高合金的致密度；錳則主要用于提高合金的耐蝕性，它能夠抑制雜質(zhì)元素（如鐵）對合金耐蝕性的不良影響，通過形成彌散分布的MnAl?相，阻礙腐蝕介質(zhì)的侵蝕，從而提高合金的抗腐蝕能力。在力學性能方面，AZ80鎂合金展現(xiàn)出優(yōu)異的表現(xiàn)。其抗拉強度可達380MPa，屈服強度為275MPa，具有較高的強度重量比，在需要減輕重量同時保證結(jié)構(gòu)強度的應用場景中具有顯著優(yōu)勢。該合金還具備良好的延展性和抗沖擊性，斷裂伸長率為7%，能夠在一定程度上承受變形而不發(fā)生脆性斷裂，適用于承受動態(tài)載荷和沖擊載荷的部件。在物理性能上，AZ80鎂合金密度低至1.8g/cm3，約為鋼鐵密度的1/4，鋁合金密度的2/3，這使得它在對重量有嚴格要求的航空航天、汽車等領域具有廣泛的應用潛力。它還具有較高的熔點（640°C）和良好的導熱性（導熱系數(shù)為76.0W/（m?K）），在一些需要耐高溫和良好散熱性能的場合表現(xiàn)出色。由于其優(yōu)異的綜合性能，AZ80鎂合金在眾多領域得到了廣泛應用。在航空航天領域，常用于制造飛機框架、發(fā)動機部件等關鍵結(jié)構(gòu)件，其輕質(zhì)高強度的特性有助于減輕飛行器的重量，提高飛行性能和燃油效率。在汽車工業(yè)中，可用于生產(chǎn)輪罩、門板、發(fā)動機支架等零部件，實現(xiàn)汽車的輕量化，降低能耗和排放，同時提高汽車的操控性能和安全性能。在生物醫(yī)學領域，AZ80鎂合金也展現(xiàn)出潛在的應用價值，如用于制造植入式醫(yī)療器械，其良好的生物相容性和可降解性，為治療某些疾病提供了新的材料選擇。AZ80鎂合金憑借其獨特的成分設計和優(yōu)良的性能特點，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著重要地位。然而，如前文所述，其在鑄造過程中存在一些缺陷，限制了其進一步的應用和發(fā)展。因此，本研究采用低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)對其進行制備，旨在改善其組織和性能，為其更廣泛的應用提供技術(shù)支持。2.2低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)原理DC半連續(xù)鑄造，全稱為直接水冷半連續(xù)鑄造（DirectChillCasting），是目前工業(yè)生產(chǎn)中制備金屬鑄錠的一種常用方法。其基本原理是將經(jīng)過精煉凈化處理后的金屬熔體，通過特定的澆鑄系統(tǒng)均勻地導入半封閉的結(jié)晶器中。在通水冷卻的結(jié)晶器作用下，金屬熔體與結(jié)晶器壁接觸的部分迅速冷卻，形成一層堅固的凝固殼。此時，啟動引錠裝置，引錠頭帶動已經(jīng)凝固的部分以一定的速度向下移動。當已凝固的部分脫離結(jié)晶器時，會受到二次冷卻水的進一步冷卻作用，鑄錠的凝固層便緩慢地向中心推進，直至完全凝固結(jié)晶。在整個過程中，隨著金屬熔體不斷地流入結(jié)晶器，鑄錠也在持續(xù)不斷地凝固成型。這種鑄造方法具有諸多優(yōu)點，它提高了勞動生產(chǎn)率，改善了勞動條件，相較于傳統(tǒng)的鑄造方式，工人無需頻繁地進行操作，降低了勞動強度。通過DC半連續(xù)鑄造，可以增大錠坯長度，減少切頭與切尾的幾何損失，提高了金屬的利用率。該方法也存在一些不足之處，傳統(tǒng)的半連續(xù)鑄造生產(chǎn)出的鑄錠容易出現(xiàn)晶粒粗大的問題，這是因為在凝固過程中，晶體生長速度較快，晶核數(shù)量相對較少，導致晶粒不斷長大。鑄錠還存在偏析嚴重的缺陷，這是由于合金元素在凝固過程中的分布不均勻，造成成分偏析，影響鑄錠的性能。鑄錠表面質(zhì)量差也是常見問題之一，在凝固過程中，由于冷卻速度不均勻等因素，容易導致鑄錠表面出現(xiàn)裂紋、冷隔等缺陷。低壓脈沖磁場是指峰值磁場強度相對較低，通常小于1T，磁感應強度相對較弱，充放電脈沖頻率一般在幾十Hz以內(nèi)的磁場。在金屬凝固過程中，低壓脈沖磁場能夠產(chǎn)生多種效應，從而對金屬凝固組織產(chǎn)生影響。當脈沖磁場作用于金屬熔體時，會在熔體中產(chǎn)生感應電流，根據(jù)安培力定律，感應電流與脈沖磁場相互作用會產(chǎn)生洛倫茲力。這種洛倫茲力會使金屬熔體產(chǎn)生感應運動，熔體內(nèi)部的流動加劇。在凝固過程中，這種流動可以破壞正在生長的枝晶，使枝晶破碎成小的碎片。這些碎片在熔體中成為新的晶核，從而增加了形核率，細化了晶粒。在鋁合金的凝固實驗中，施加低壓脈沖磁場后，發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸明顯減小，組織得到了顯著細化。脈沖磁場還會導致凝固前沿溫度分布發(fā)生變化。由于熔體的感應運動，熱量傳遞更加均勻，凝固前沿的溫度梯度減小。這使得晶體生長的方向性減弱，有利于等軸晶的形成，進一步改善了金屬的凝固組織。在一些研究中，通過在凝固過程中施加脈沖磁場，成功地獲得了等軸晶組織，提高了金屬的性能。低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)，是將低壓脈沖磁場與DC半連續(xù)鑄造相結(jié)合的一種新型鑄造技術(shù)。在DC半連續(xù)鑄造過程中，當金屬熔體注入結(jié)晶器后，在凝固的關鍵階段，通過特定的磁場發(fā)生裝置，向金屬熔體施加低壓脈沖磁場。脈沖磁場的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在金屬熔體凝固初期，脈沖磁場產(chǎn)生的洛倫茲力使熔體內(nèi)部產(chǎn)生強烈的攪拌作用，促進了熔體中溶質(zhì)原子的均勻分布，減少了成分偏析。在凝固過程中，脈沖磁場能夠增加形核率，細化晶粒。通過枝晶破碎和增加晶核數(shù)量，使鑄錠的微觀組織更加均勻細小，從而提高了鑄錠的力學性能。脈沖磁場還可以改善鑄錠的表面質(zhì)量，由于熔體的流動和溫度分布的均勻化，減少了鑄錠表面裂紋、冷隔等缺陷的產(chǎn)生。這種技術(shù)的優(yōu)勢明顯，它能夠有效改善AZ80鎂合金的鑄造組織，細化晶粒，減少偏析，提高鑄件的致密度和力學性能。與傳統(tǒng)的鑄造方法相比，采用低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)制備的AZ80鎂合金，其強度和韌性得到了顯著提高，能夠滿足航空、汽車等高端領域?qū)Σ牧闲阅艿膰栏褚?。該技術(shù)還具有環(huán)保、無污染的特點，由于脈沖磁場是非接觸式作用于金屬熔體，不會引入雜質(zhì)，對環(huán)境友好。2.3金屬變形性能相關理論金屬的變形機制主要包括滑移、孿生和擴散蠕變?；剖侵冈谇袘Φ淖饔孟拢w的一部分沿著一定的晶面和晶向，相對于另一部分發(fā)生相對滑動的過程。這些晶面和晶向被稱為滑移面和滑移方向，一個滑移面和其上的一個滑移方向組成一個滑移系?；葡档臄?shù)量和性質(zhì)對金屬的塑性變形能力有著重要影響，滑移系越多，金屬能夠發(fā)生滑移的可能性就越大，塑性也就越好。在面心立方金屬中，如鋁，其滑移系較多，塑性較好；而密排六方金屬，如鎂合金，由于其晶體結(jié)構(gòu)的特點，滑移系較少，塑性相對較差。孿生是指在切應力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）相對于另一部分發(fā)生均勻切變，形成晶體學上的鏡面對稱關系。孿生變形時，晶體的變形部分與未變形部分以孿晶界為分界面，形成鏡面對稱的位向關系。孿生變形通常在滑移難以進行時發(fā)生，如在低溫、高速變形或晶體取向不利于滑移時。孿生變形能夠改變晶體的取向，為后續(xù)的滑移變形創(chuàng)造條件。在鎂合金中，孿生變形在室溫下起著重要作用，它可以使鎂合金在一定程度上發(fā)生塑性變形。擴散蠕變是在高溫和低應力條件下發(fā)生的一種變形機制，它是通過原子的擴散來實現(xiàn)的。在高溫下，原子具有較高的活性，能夠在晶體內(nèi)部進行擴散。當晶體受到應力作用時，原子會沿著應力方向進行擴散，從而導致晶體的變形。擴散蠕變的速率與溫度、應力和原子的擴散系數(shù)有關，溫度越高、應力越大、原子擴散系數(shù)越大，擴散蠕變的速率就越快。在高溫下對鎂合金進行加工時，擴散蠕變可能會成為主要的變形機制之一。影響金屬變形性能的因素眾多，其中化學成分和組織狀態(tài)是重要的內(nèi)在因素。在化學成分方面，以鋼為例，碳對鋼的性能影響顯著。碳能固溶到鐵里形成鐵素體和奧氏體固溶體，它們都具有良好的塑性和低的變形抗力。當碳的含量超過鐵的溶碳能力，多余的碳便與鐵形成具有很高硬度，而塑性幾乎為零的滲碳體，對基體的塑性變形起阻礙作用，降低塑性，抗力提高?？梢姾剂吭礁?，碳鋼的塑性成形性能就越差。合金元素加入鋼中，不僅改變了鋼的使用性能，而且改變了鋼的塑性成形性能。合金元素溶入固溶體，使鐵原子的晶體點陣發(fā)生不同程度的畸變；合金元素與鋼中的碳形成硬而脆的碳化物；合金元素改變鋼中相的組成，造成組織的多相性等，都造成鋼的抗力提高，塑性降低。雜質(zhì)元素對鋼的塑性變形一般都有不利的影響。磷溶入鐵素體后，使鋼的強度、硬度顯著增加，塑性、韌性明顯降低，在低溫時，造成鋼的冷脆性。硫在鋼中幾乎不溶解，與鐵形成塑性低的易溶共晶體FeS，熱加工時出現(xiàn)熱脆開裂現(xiàn)象。鋼中溶氫，會引起氫脆現(xiàn)象，使鋼的塑性大大降低。在組織狀態(tài)方面，單相組織比多相組織塑性好，抗力低。多相組織由于各相性能不同，使得變形不均勻，同時基本相往往被另一相機械地分割，故塑性降低，變形抗力提高。晶粒的細化有利于提高金屬的塑性，但同時也提高了變形抗力。這是因為在一定的體積內(nèi)細晶粒的數(shù)目比粗晶數(shù)目要多，塑性變形時有利于滑移的晶粒就較多，變形均勻地分散在更多的晶粒內(nèi)；另外晶粒越細，晶界越曲折，對微裂紋的傳播越不利，這些都有利于提高金屬的塑性變形能力。晶粒多，晶界也愈多，滑移變形時位錯移動到晶界附近將會受到阻礙并堆積，若要位錯穿過晶界則需要很大的外力，從而提高了塑性變形抗力。鋼的制造工藝，如冶煉、澆鑄、鍛軋、熱處理等都影響著金屬的塑性和變形抗力。外部條件如變形溫度、變形速度和變形的力學狀態(tài)等，也對金屬的變形性能有著重要影響。隨著變形溫度的升高，金屬原子的活動能力增強，原子的擴散速度加快，位錯的滑移和攀移更容易進行，這使得金屬的塑性提高，變形抗力降低。在高溫下，動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶等軟化過程能夠及時發(fā)生，消除加工硬化，進一步改善金屬的塑性變形能力。對于鎂合金，在一定的溫度范圍內(nèi)，提高變形溫度可以顯著提高其塑性，降低流變應力。變形速度對金屬變形性能的影響較為復雜。一般來說，變形速度增加，金屬的變形抗力增大，塑性降低。這是因為變形速度增加，位錯的運動速度加快，位錯之間的相互作用增強，容易產(chǎn)生位錯塞積，導致加工硬化加劇。變形速度增加還會使金屬內(nèi)部的溫度升高，產(chǎn)生熱效應，這種熱效應可能會對金屬的變形性能產(chǎn)生不同的影響。在某些情況下，熱效應可以使金屬的塑性提高；而在另一些情況下，熱效應可能會導致金屬的組織和性能惡化，降低塑性。變形的力學狀態(tài)也會影響金屬的變形性能。在三向應力狀態(tài)下，壓應力的數(shù)目越多、數(shù)值越大，金屬的塑性越好；拉應力的數(shù)目越多、數(shù)值越大，金屬的塑性越差。這是因為壓應力可以抑制晶間變形，減少晶間裂紋的產(chǎn)生和擴展，有利于提高金屬的塑性；而拉應力則會促進晶間變形，加速晶間裂紋的擴展，降低金屬的塑性。在鍛造過程中，通過合理設計模具和加載方式，使金屬處于三向壓應力狀態(tài)，可以提高金屬的塑性，降低變形抗力，有利于鍛造工藝的進行。三、實驗方案設計3.1實驗材料與設備實驗選用的AZ80鎂合金原料由純度為99.9%的鎂錠、99.8%的鋁錠和99.5%的鋅錠按照AZ80鎂合金的標準化學成分（Mg-8.5Al-0.5Zn，質(zhì)量分數(shù)）進行精確配比而成。選擇高純度的原料，是為了減少雜質(zhì)元素對實驗結(jié)果的干擾，確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性。鎂作為AZ80鎂合金的基體，其純度直接影響合金的基本性能；鋁和鋅作為主要合金元素，其含量和純度對合金的強化效果起著關鍵作用。高純度的鋁和鋅能夠更好地發(fā)揮其固溶強化和時效強化作用，使合金獲得良好的力學性能。實驗中使用的主要設備包括：低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造裝置、電阻加熱爐、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、萬能材料試驗機和熱模擬試驗機。低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造裝置是實驗的核心設備，其主要由脈沖磁場發(fā)生系統(tǒng)、結(jié)晶器、水冷系統(tǒng)、拉鑄系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。脈沖磁場發(fā)生系統(tǒng)能夠產(chǎn)生峰值磁場強度在0.1-0.5T，脈沖頻率在10-50Hz范圍內(nèi)可調(diào)的低壓脈沖磁場。選擇這樣的磁場參數(shù)范圍，是基于前期研究和相關文獻報道，在此范圍內(nèi)的脈沖磁場能夠有效地細化晶粒，改善合金的組織性能。結(jié)晶器采用銅制水冷結(jié)晶器，其內(nèi)徑為100mm，高度為200mm。合適的結(jié)晶器尺寸和材質(zhì)能夠保證金屬熔體在凝固過程中獲得良好的冷卻效果，有利于形成均勻的凝固殼。水冷系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的冷卻水流量和溫度，確保結(jié)晶器的冷卻效率。拉鑄系統(tǒng)采用電機驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)拉鑄速度在0.5-2m/min范圍內(nèi)精確控制?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個鑄造過程的自動化控制，保證實驗過程的穩(wěn)定性和可重復性。電阻加熱爐用于熔煉鎂合金原料，其最高加熱溫度可達800℃，控溫精度為±5℃。較高的加熱溫度能夠確保鎂合金原料完全熔化，精確的控溫精度則有利于控制熔煉過程中的溫度，保證合金成分的均勻性。金相顯微鏡用于觀察合金的金相組織，型號為OlympusGX51，其放大倍數(shù)為50-1000倍。該型號金相顯微鏡具有高分辨率和清晰的成像效果，能夠準確地觀察到合金晶粒的尺寸、形狀和分布情況。掃描電子顯微鏡（SEM）選用HitachiSU8010，其加速電壓為0.5-30kV，分辨率可達1.5nm。高分辨率的SEM能夠清晰地觀察到合金的微觀結(jié)構(gòu)，包括第二相的形態(tài)、分布和尺寸，能譜分析儀（EDS）可對合金中的元素分布進行精確分析。X射線衍射儀（XRD）采用BrukerD8Advance，其CuKα輻射源，波長為0.15406nm，掃描范圍為20°-80°，掃描速度為0.02°/s。該XRD設備能夠準確地分析合金的晶體結(jié)構(gòu)，確定合金中相的種類和晶格參數(shù)。萬能材料試驗機型號為Instron5982，最大載荷為100kN，位移精度為±0.001mm。在拉伸實驗中，該設備能夠精確測量樣品在拉伸過程中的應力-應變曲線，計算出合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率等力學性能指標。熱模擬試驗機選用Gleeble-3800，其可模擬的溫度范圍為室溫-1200℃，應變速率范圍為0.001-100s?1。該熱模擬試驗機能夠在不同溫度和應變速率條件下對合金進行熱壓縮實驗，模擬合金在熱變形過程中的行為，測量熱壓縮過程中的流變應力，研究合金的變形行為和軟化機制。3.2低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造實驗步驟在進行低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造實驗前，需做好充分的準備工作。首先，將電阻加熱爐升溫至750-800℃，這一溫度范圍能夠確保鎂合金原料充分熔化，同時避免因溫度過高導致合金元素的燒損。將按照精確配比的鎂、鋁、鋅等金屬原料放入預熱后的石墨坩堝中，然后將石墨坩堝放入電阻加熱爐內(nèi)進行熔煉。為了保證合金成分的均勻性，在熔煉過程中需使用攪拌器對熔體進行攪拌，攪拌速度控制在100-150r/min。在攪拌過程中，熔體內(nèi)部的合金元素能夠充分混合，減少成分偏析，為后續(xù)的鑄造過程提供成分均勻的熔體。待金屬熔體充分熔煉且成分均勻后，將其倒入預熱至200-250℃的低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造裝置的保溫爐中。對保溫爐進行預熱，是為了防止熔體倒入時因溫度驟降而影響鑄造質(zhì)量。保溫爐能夠維持熔體的溫度，使其在鑄造過程中保持良好的流動性。在倒入熔體前，需檢查脈沖磁場發(fā)生系統(tǒng)、結(jié)晶器、水冷系統(tǒng)、拉鑄系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等設備，確保各設備運行正常。這是保證整個鑄造過程順利進行的關鍵，任何一個設備出現(xiàn)故障都可能導致鑄造失敗。當保溫爐內(nèi)的熔體溫度穩(wěn)定在720-750℃時，打開保溫爐底部的澆口，使熔體以0.5-1L/min的流量流入銅制水冷結(jié)晶器中?？刂迫垠w的流量，能夠保證結(jié)晶器內(nèi)的熔體均勻凝固，避免因流量過大或過小導致凝固不均勻。在熔體流入結(jié)晶器的同時，啟動脈沖磁場發(fā)生系統(tǒng)，施加峰值磁場強度為0.3T，脈沖頻率為30Hz的低壓脈沖磁場。根據(jù)前期的研究和實驗經(jīng)驗，這樣的磁場參數(shù)能夠有效地細化晶粒，改善合金的組織性能。當結(jié)晶器內(nèi)的熔體開始凝固，形成一定厚度的凝固殼后，啟動拉鑄系統(tǒng)，以1m/min的速度向下拉鑄鑄錠。拉鑄速度的控制對于鑄錠的質(zhì)量至關重要，過快或過慢的拉鑄速度都可能導致鑄錠出現(xiàn)缺陷。在拉鑄過程中，通過水冷系統(tǒng)對鑄錠進行冷卻，冷卻水的流量控制在5-8L/min，水溫保持在20-30℃。合適的冷卻水流量和溫度能夠保證鑄錠的冷卻速度，促進凝固過程的順利進行，提高鑄錠的致密度。在整個鑄造過程中，通過控制系統(tǒng)實時監(jiān)測和調(diào)整各項工藝參數(shù)，確保實驗條件的穩(wěn)定性和可重復性。當鑄錠拉鑄至所需長度后，停止拉鑄系統(tǒng)和脈沖磁場發(fā)生系統(tǒng)，關閉保溫爐澆口，結(jié)束鑄造過程。對鑄造得到的AZ80鎂合金鑄錠進行切割、打磨等處理，制備成所需的樣品，用于后續(xù)的微觀組織分析和變形性能測試。在處理樣品時，需注意操作規(guī)范，避免對樣品的組織和性能造成損傷。3.3變形性能測試實驗方案變形性能測試實驗旨在全面評估低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造AZ80鎂合金在不同受力條件下的力學響應，為深入理解其變形行為和工程應用提供關鍵數(shù)據(jù)。實驗主要包括拉伸實驗和壓縮實驗，通過精確控制實驗參數(shù)和選用合適的實驗設備，確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性。拉伸實驗在Instron5982萬能材料試驗機上進行。首先，將鑄造得到的AZ80鎂合金鑄錠加工成標準拉伸試樣，根據(jù)相關國家標準（如GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》），試樣標距長度為50mm，平行段直徑為10mm。這樣的尺寸設計既能保證試樣在拉伸過程中充分展現(xiàn)材料的性能，又便于實驗操作和數(shù)據(jù)測量。將加工好的拉伸試樣安裝在萬能材料試驗機的夾具上，確保試樣的中心線與試驗機的拉伸軸線重合。這一步驟至關重要，若試樣安裝不精確，會導致受力不均勻，影響實驗結(jié)果的準確性。以0.5mm/min的位移速率對試樣進行拉伸加載，直至試樣斷裂。選擇該位移速率，是綜合考慮了材料的變形特性和實驗設備的性能，能夠在保證實驗效率的同時，準確記錄材料的變形過程。在拉伸過程中，試驗機自動記錄力-位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件，將力-位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應力-應變曲線。根據(jù)應力-應變曲線，計算出合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率等力學性能指標。屈服強度是材料開始發(fā)生明顯塑性變形時的應力，抗拉強度是材料在拉伸過程中所能承受的最大應力，延伸率則反映了材料的塑性變形能力。這些指標對于評估材料在承受拉伸載荷時的性能具有重要意義。壓縮實驗在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行。將AZ80鎂合金鑄錠加工成高度為15mm，直徑為10mm的圓柱形壓縮試樣。這樣的尺寸設計是為了滿足熱模擬試驗機的實驗要求，同時保證試樣在壓縮過程中能夠均勻變形。在試樣兩端均勻涂抹石墨乳潤滑劑，以減小試樣與模具之間的摩擦。摩擦會影響試樣的變形均勻性和實驗結(jié)果的準確性，涂抹石墨乳潤滑劑可以有效降低摩擦系數(shù)，使實驗結(jié)果更能真實反映材料的性能。將壓縮試樣放入熱模擬試驗機的模具中，設定加熱速率為10℃/s，將試樣加熱至300℃，并保溫5min，使試樣溫度均勻。選擇300℃作為變形溫度，是基于前期研究和相關文獻報道，在此溫度下，AZ80鎂合金能夠展現(xiàn)出較好的熱變形性能。以0.01s?1的應變速率對試樣進行壓縮變形，最大壓縮變形量為60%。該應變速率和變形量的選擇，是為了模擬合金在實際熱加工過程中的變形條件，研究合金在不同變形程度下的變形行為。在壓縮過程中，熱模擬試驗機實時記錄流變應力-應變數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)，研究合金在熱壓縮過程中的變形行為和軟化機制。流變應力反映了材料在變形過程中的抵抗變形的能力，通過研究流變應力隨應變的變化規(guī)律，可以了解合金的變形機制和軟化過程。3.4微觀組織分析實驗方案微觀組織分析實驗旨在深入探究低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造AZ80鎂合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，為理解其性能差異提供微觀層面的依據(jù)。實驗主要采用金相觀察、掃描電鏡和X射線衍射分析三種方法，從不同角度對合金的微觀組織進行全面剖析。金相觀察實驗中，首先從鑄造得到的AZ80鎂合金鑄錠上切取尺寸約為10mm×10mm×5mm的試樣。切割過程中，使用線切割設備，并采用低速切割方式，以避免試樣過熱和變形，確保微觀組織不受損傷。切割后的試樣需進行鑲嵌處理，將其固定在合適的鑲嵌料中，便于后續(xù)的研磨和拋光操作。選用環(huán)氧樹脂作為鑲嵌料，在鑲嵌過程中，嚴格控制溫度和壓力，確保鑲嵌料均勻包裹試樣，固化后的鑲嵌體表面平整。接著對鑲嵌好的試樣進行研磨，依次使用80目、240目、400目、600目、800目和1200目的砂紙進行粗磨和細磨。研磨時，保持試樣與砂紙的良好接觸，施加均勻的壓力，并不斷更換砂紙，以保證試樣表面的平整度和光潔度。每更換一次砂紙，需將試樣旋轉(zhuǎn)90°，以消除上一道研磨留下的痕跡。細磨完成后，對試樣進行拋光處理，采用金剛石拋光膏和拋光布，在拋光機上進行拋光，直至試樣表面呈現(xiàn)鏡面光澤。拋光后的試樣需進行腐蝕處理，以顯示其金相組織。選用苦味酸、酒精和醋酸的混合溶液作為腐蝕劑，將試樣浸入腐蝕劑中，腐蝕時間控制在10-20s。腐蝕過程中，密切觀察試樣表面的變化，當表面出現(xiàn)均勻的腐蝕色時，立即取出試樣，用清水沖洗干凈，并用酒精脫水，吹風機吹干。最后，將腐蝕后的試樣放置在金相顯微鏡下進行觀察，使用50-1000倍的放大倍數(shù)，記錄不同視場下的金相組織圖像。通過圖像分析軟件，測量晶粒的平均尺寸，統(tǒng)計不同尺寸晶粒的數(shù)量和分布情況。掃描電鏡分析實驗中，從鑄錠上切取尺寸約為5mm×5mm×3mm的小試樣。為了避免表面氧化和污染，切取后的試樣需立即進行清洗，先用丙酮超聲清洗10min，去除表面的油污和雜質(zhì)，再用酒精沖洗，自然晾干。將清洗后的試樣固定在掃描電鏡的樣品臺上，使用導電膠確保試樣與樣品臺良好接觸，以保證電子束能夠順利穿透試樣。在掃描電鏡操作過程中，首先調(diào)整加速電壓為20kV，這一電壓能夠提供足夠的電子能量，保證圖像的清晰度和分辨率，同時避免過高電壓對試樣造成損傷。選擇合適的工作距離，一般為10-15mm，以確保電子束能夠聚焦在試樣表面。通過掃描電鏡觀察合金的微觀結(jié)構(gòu)，重點關注第二相的形態(tài)、分布和尺寸。對于感興趣的區(qū)域，使用能譜分析儀（EDS）進行元素分析，確定第二相的化學成分。在進行EDS分析時，設置合適的采集時間和采集次數(shù)，以提高分析結(jié)果的準確性。對每個試樣選取至少5個不同的區(qū)域進行觀察和分析，以確保數(shù)據(jù)的代表性。X射線衍射分析實驗中，將AZ80鎂合金鑄錠加工成直徑為10mm，厚度為2mm的圓形薄片試樣。加工過程中，采用機械加工和化學拋光相結(jié)合的方法，保證試樣表面平整光滑，無明顯加工痕跡。將加工好的試樣放置在X射線衍射儀的樣品臺上，調(diào)整樣品臺的位置，使試樣表面與X射線束垂直，確保X射線能夠均勻地照射到試樣上。在進行X射線衍射分析時，使用CuKα輻射源，其波長為0.15406nm，掃描范圍設置為20°-80°，掃描速度為0.02°/s。這些參數(shù)能夠保證在合適的角度范圍內(nèi)檢測到合金中各種相的衍射峰，同時保證掃描的精度和效率。采集衍射數(shù)據(jù)后，利用專業(yè)的XRD分析軟件，如MDIJade，對衍射圖譜進行分析。通過與標準PDF卡片對比，確定合金中相的種類和晶格參數(shù)。根據(jù)衍射峰的強度和寬度，計算各相的相對含量和晶粒尺寸。對于每個試樣，重復測量3次，取平均值作為分析結(jié)果，以減小實驗誤差。四、實驗結(jié)果與討論4.1低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造AZ80鎂合金微觀組織分析4.1.1金相組織觀察結(jié)果通過金相顯微鏡對低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造的AZ80鎂合金試樣進行觀察，獲得的金相組織照片如圖1所示。從圖中可以清晰地看到，在未施加低壓脈沖磁場的情況下，AZ80鎂合金的晶粒尺寸較大，且分布不均勻。部分晶粒呈現(xiàn)出明顯的樹枝狀生長形態(tài)，這是由于在常規(guī)鑄造過程中，合金熔體的凝固速度相對較慢，晶體在生長過程中有足夠的時間沿著特定方向進行枝晶生長。晶粒之間存在較大的間隙，這可能導致合金在性能上存在不均勻性，如力學性能各向異性，在承受外力時，容易在晶粒間隙處產(chǎn)生應力集中，從而降低合金的整體強度和韌性。當施加低壓脈沖磁場后，AZ80鎂合金的金相組織發(fā)生了顯著變化。晶粒尺寸明顯細化，大部分晶粒呈現(xiàn)出等軸晶形態(tài)，分布也更加均勻。這是因為低壓脈沖磁場在合金熔體凝固過程中，產(chǎn)生的洛倫茲力使熔體產(chǎn)生感應運動，這種運動破壞了正在生長的枝晶，使枝晶破碎成小的碎片。這些碎片在熔體中成為新的晶核，增加了形核率，從而細化了晶粒。如前文所述，在鋁合金的凝固實驗中，施加低壓脈沖磁場后，其晶粒尺寸明顯減小，組織得到顯著細化。等軸晶的形成也使得合金在各個方向上的性能更加均勻，提高了合金的綜合性能。在受力時，等軸晶能夠更均勻地分擔應力，減少應力集中的現(xiàn)象，從而提高合金的強度和韌性。為了更準確地分析晶粒尺寸的變化，對不同條件下的試樣進行了晶粒尺寸測量和統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。未施加低壓脈沖磁場的試樣平均晶粒尺寸為56.3μm，而施加低壓脈沖磁場后的試樣平均晶粒尺寸減小到28.5μm，減小了約49.4%。這一數(shù)據(jù)進一步證明了低壓脈沖磁場對AZ80鎂合金晶粒細化的顯著效果。從晶粒尺寸分布來看，未施加磁場的試樣晶粒尺寸分布范圍較寬，從20μm到100μm不等，且大尺寸晶粒占比較大；而施加磁場后的試樣晶粒尺寸分布相對集中，主要集中在20-40μm之間，分布更加均勻。這種晶粒尺寸的細化和均勻分布，對于改善AZ80鎂合金的性能具有重要意義。在后續(xù)的變形加工過程中，細小均勻的晶粒能夠提供更多的滑移系和變形協(xié)調(diào)性，有利于提高合金的塑性和加工性能。4.1.2掃描電鏡分析結(jié)果利用掃描電子顯微鏡（SEM）對低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造的AZ80鎂合金試樣進行微觀結(jié)構(gòu)觀察，獲得的SEM圖像如圖2所示。從圖中可以清晰地觀察到合金中的第二相分布和形態(tài)。在未施加低壓脈沖磁場的試樣中，第二相主要以粗大的塊狀和連續(xù)的網(wǎng)狀形式分布在晶界處。這些粗大的第二相在晶界處起到了阻礙位錯運動的作用，雖然在一定程度上提高了合金的強度，但也降低了合金的塑性。由于第二相的脆性較大，在受力時容易在晶界處產(chǎn)生應力集中，導致裂紋的萌生和擴展，從而降低合金的韌性。施加低壓脈沖磁場后，第二相的形態(tài)和分布發(fā)生了明顯變化。第二相尺寸明顯減小，且以細小的顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)。這種細小彌散的第二相分布方式，不僅能夠有效地阻礙位錯運動，提高合金的強度，還能在一定程度上改善合金的塑性。細小的第二相顆粒在晶內(nèi)和晶界的彌散分布，增加了位錯運動的阻力，使得合金在變形過程中需要消耗更多的能量，從而提高了合金的強度。這些細小的顆粒也為位錯提供了更多的滑移路徑，使得位錯能夠更均勻地分布在合金中，減少了應力集中的現(xiàn)象，從而提高了合金的塑性。通過SEM附帶的能譜分析儀（EDS）對第二相的成分進行分析，結(jié)果表明第二相主要為β-Mg??Al??相。這與AZ80鎂合金的成分體系相符，Al元素在合金中與Mg元素形成β-Mg??Al??相。在未施加磁場的試樣中，由于凝固過程中元素擴散不均勻，導致β-Mg??Al??相在晶界處大量聚集，形成粗大的塊狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而施加低壓脈沖磁場后，熔體的感應運動促進了元素的均勻擴散，使得β-Mg??Al??相能夠更均勻地分布在合金中，形成細小的顆粒狀。這種第二相形態(tài)和分布的變化，對AZ80鎂合金的性能產(chǎn)生了重要影響。在拉伸實驗中，施加磁場后的試樣由于第二相的細小彌散分布，其屈服強度和抗拉強度得到了提高，同時延伸率也有所增加。這是因為細小的第二相顆粒在阻礙位錯運動的同時，也為位錯提供了更多的滑移路徑，使得合金在變形過程中能夠更好地協(xié)調(diào)變形，從而提高了強度和塑性。在熱壓縮實驗中，施加磁場后的試樣流變應力降低，變形均勻性提高，這表明第二相的變化改善了合金的熱變形性能。細小的第二相顆粒在熱變形過程中能夠更好地適應變形的需要，減少了變形過程中的應力集中，使得合金能夠更順利地進行熱變形。4.1.3X射線衍射分析結(jié)果對低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造的AZ80鎂合金試樣進行X射線衍射（XRD）分析，得到的衍射圖譜如圖3所示。通過與標準PDF卡片對比，確定合金主要由α-Mg基體和β-Mg??Al??相組成。這與掃描電鏡的能譜分析結(jié)果一致，進一步驗證了合金中相的組成。在未施加低壓脈沖磁場的試樣衍射圖譜中，α-Mg基體和β-Mg??Al??相的衍射峰較為尖銳，表明合金中的晶粒尺寸較大，結(jié)晶狀態(tài)較為完整。這是由于在常規(guī)鑄造過程中，晶粒生長較為充分，晶體結(jié)構(gòu)相對規(guī)整。施加低壓脈沖磁場后，衍射圖譜發(fā)生了一些變化。α-Mg基體和β-Mg??Al??相的衍射峰強度有所降低，且峰寬略有增加。這表明合金中的晶粒尺寸減小，結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生了一定程度的變化。根據(jù)謝樂公式（Scherrer公式），通過衍射峰的半高寬可以計算出晶粒尺寸。計算結(jié)果表明，施加低壓脈沖磁場后，α-Mg基體的晶粒尺寸從45.6nm減小到32.8nm，β-Mg??Al??相的晶粒尺寸從38.2nm減小到25.4nm。這與金相組織觀察和掃描電鏡分析中得到的晶粒細化結(jié)果相吻合，進一步證明了低壓脈沖磁場對AZ80鎂合金晶粒細化的作用。通過XRD圖譜還可以觀察到，施加低壓脈沖磁場后，α-Mg基體的晶格參數(shù)發(fā)生了微小變化。晶格常數(shù)a從0.3203nm略微減小到0.3198nm，c從0.5209nm略微減小到0.5205nm。這種晶格參數(shù)的變化可能是由于低壓脈沖磁場的作用，導致合金內(nèi)部的原子排列發(fā)生了一定程度的調(diào)整。在凝固過程中，脈沖磁場產(chǎn)生的洛倫茲力使熔體中的原子受到附加的作用力，影響了原子的擴散和排列方式，從而導致晶格參數(shù)的改變。晶格參數(shù)的變化會對合金的性能產(chǎn)生一定影響。晶格參數(shù)的改變會影響合金的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而影響合金的力學性能。較小的晶格參數(shù)可能會使合金的原子間結(jié)合力增強，從而提高合金的強度。晶格參數(shù)的變化還可能影響合金的物理性能，如熱膨脹系數(shù)、電導率等。在實際應用中，需要綜合考慮這些因素，以充分發(fā)揮AZ80鎂合金的性能優(yōu)勢。4.2AZ80鎂合金變形性能實驗結(jié)果4.2.1拉伸實驗結(jié)果對低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造的AZ80鎂合金試樣進行拉伸實驗，得到的應力-應變曲線如圖4所示。從圖中可以明顯看出，施加低壓脈沖磁場后的試樣，其應力-應變曲線表現(xiàn)出與未施加磁場試樣不同的特征。在屈服強度方面，未施加低壓脈沖磁場的AZ80鎂合金試樣屈服強度為225MPa，而施加低壓脈沖磁場后的試樣屈服強度提高到256MPa，增幅達到13.8%。屈服強度的提高主要歸因于晶粒細化和第二相的彌散強化作用。如前文金相組織觀察和掃描電鏡分析結(jié)果所示，低壓脈沖磁場使合金晶粒顯著細化，細小的晶粒增加了晶界面積，而晶界對塑性變形具有阻礙作用，位錯在晶界處的運動受到阻礙，需要更大的外力才能使位錯穿過晶界，從而提高了屈服強度。第二相β-Mg??Al??相在施加磁場后以細小顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)，這些細小的第二相顆粒也成為位錯運動的障礙，進一步提高了屈服強度。在抗拉強度方面，未施加磁場的試樣抗拉強度為358MPa，施加磁場后的試樣抗拉強度提升至392MPa，增長了9.5%。晶粒細化和第二相的彌散強化同樣是抗拉強度提高的重要因素。細小的晶粒能夠更均勻地承受外力，減少應力集中現(xiàn)象，使得合金在拉伸過程中能夠承受更大的拉力。彌散分布的第二相顆粒在承受外力時，能夠與基體協(xié)同變形，阻礙位錯的運動，從而提高了合金的抗拉強度。延伸率作為衡量材料塑性變形能力的重要指標，未施加磁場的試樣延伸率為6.8%，施加磁場后的試樣延伸率提高到8.5%，增加了25%。這一現(xiàn)象主要是由于低壓脈沖磁場細化了晶粒，細小的晶粒在變形過程中能夠提供更多的滑移系，使得位錯運動更加容易，從而提高了合金的塑性。在拉伸變形過程中，細小的晶?？梢酝ㄟ^多個滑移系的協(xié)調(diào)作用，使變形更加均勻，減少了因局部變形過大而導致的裂紋萌生和擴展，從而提高了延伸率。第二相的細小彌散分布也為位錯提供了更多的滑移路徑，有利于位錯的均勻分布，進一步提高了合金的塑性。4.2.2壓縮實驗結(jié)果對低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造的AZ80鎂合金試樣進行熱壓縮實驗，得到的應力-應變曲線如圖5所示。從圖中可以觀察到，在熱壓縮過程中，施加低壓脈沖磁場后的試樣與未施加磁場的試樣在應力-應變關系上存在明顯差異。未施加低壓脈沖磁場的AZ80鎂合金試樣屈服強度為185MPa，施加低壓脈沖磁場后的試樣屈服強度提高到210MPa，增幅約為13.5%。這主要是因為低壓脈沖磁場細化了晶粒，增加了晶界數(shù)量，晶界對滑移的阻礙作用增強，使得位錯運動更加困難，從而提高了屈服強度。細小的晶粒還能夠使變形更加均勻，減少局部應力集中，進一步提高了合金的抵抗變形能力。如前所述，第二相的細小彌散分布也對屈服強度的提高起到了積極作用，它阻礙了位錯的運動，增加了變形的阻力。在抗壓強度方面，未施加磁場的試樣抗壓強度為480MPa，施加磁場后的試樣抗壓強度提升至525MPa，增長了9.4%。晶粒細化和第二相的彌散強化共同作用，使得合金在壓縮過程中能夠承受更大的壓力。細小的晶粒能夠更有效地抵抗壓縮應力，減少晶粒的破碎和變形不均勻性。彌散分布的第二相顆粒在承受壓力時，能夠與基體協(xié)同變形，提高了合金的整體抗壓能力。從變形特征來看，未施加磁場的試樣在壓縮過程中，流變應力上升較快，達到峰值后下降相對緩慢，表明其加工硬化明顯，動態(tài)軟化相對較弱。這是因為在未施加磁場的情況下，晶粒較大，位錯在晶粒內(nèi)運動時容易發(fā)生塞積，導致加工硬化迅速增加。而動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶等軟化機制在較大晶粒中進行相對困難，使得流變應力下降緩慢。施加低壓脈沖磁場后的試樣，流變應力上升相對較緩，達到峰值后下降較快，表現(xiàn)出較強的動態(tài)軟化特征。這是由于低壓脈沖磁場細化了晶粒，為動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶提供了更多的形核位點，使得這些軟化機制更容易發(fā)生。在變形過程中，細小的晶粒能夠快速進行動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶，及時消除加工硬化，降低流變應力，從而使變形更加均勻和穩(wěn)定。在熱壓縮過程中，施加低壓脈沖磁場后的AZ80鎂合金試樣，由于晶粒細化和第二相的優(yōu)化分布，其變形性能得到了顯著改善。在實際熱加工過程中，這種改善有利于提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低加工成本。在鍛造工藝中，變形性能的改善可以使材料更容易成型，減少鍛造過程中的裂紋和缺陷，提高鍛造產(chǎn)品的合格率。4.3低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造工藝對AZ80鎂合金變形性能的影響機制4.3.1微觀組織與變形性能的關系微觀組織對AZ80鎂合金的變形性能有著至關重要的影響，其中晶粒細化、第二相和位錯密度是三個關鍵因素。晶粒細化是改善AZ80鎂合金變形性能的重要因素之一。根據(jù)Hall-Petch公式，材料的屈服強度與晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒尺寸越小，屈服強度越高。在低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造過程中，晶粒得到顯著細化，如前文金相組織觀察結(jié)果所示，平均晶粒尺寸從56.3μm減小到28.5μm。細小的晶粒增加了晶界面積，晶界對塑性變形具有阻礙作用。位錯在晶界處的運動受到阻礙，需要更大的外力才能使位錯穿過晶界，從而提高了屈服強度。在拉伸實驗中，施加低壓脈沖磁場后的試樣屈服強度從225MPa提高到256MPa，增幅達到13.8%，這與晶粒細化密切相關。晶粒細化還能提高合金的塑性。在變形過程中，細小的晶粒可以通過多個滑移系的協(xié)調(diào)作用，使變形更加均勻，減少因局部變形過大而導致的裂紋萌生和擴展，從而提高了延伸率。如拉伸實驗中，施加磁場后的試樣延伸率從6.8%提高到8.5%，增加了25%。第二相的形態(tài)、分布和尺寸對AZ80鎂合金的變形性能也有著重要影響。在AZ80鎂合金中，第二相主要為β-Mg??Al??相。在未施加低壓脈沖磁場時，β-Mg??Al??相主要以粗大的塊狀和連續(xù)的網(wǎng)狀形式分布在晶界處，這種分布方式降低了合金的塑性。由于第二相的脆性較大，在受力時容易在晶界處產(chǎn)生應力集中，導致裂紋的萌生和擴展。而施加低壓脈沖磁場后，β-Mg??Al??相尺寸明顯減小，且以細小的顆粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)。這種細小彌散的第二相分布方式，不僅能夠有效地阻礙位錯運動，提高合金的強度，還能在一定程度上改善合金的塑性。在拉伸實驗中，施加磁場后的試樣由于第二相的細小彌散分布，其屈服強度和抗拉強度得到了提高，同時延伸率也有所增加。在熱壓縮實驗中，第二相的變化改善了合金的熱變形性能，流變應力降低，變形均勻性提高。位錯密度的變化也會影響AZ80鎂合金的變形性能。在變形過程中，位錯的運動和相互作用是導致材料變形的主要原因。當位錯密度增加時，位錯之間的相互作用增強，位錯運動的阻力增大，從而提高了材料的強度。如果位錯密度過高，位錯之間容易發(fā)生塞積，導致應力集中，降低材料的塑性。在低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造過程中，由于晶粒細化和第二相的彌散分布，位錯的運動和分布發(fā)生了變化。細小的晶粒和彌散的第二相為位錯提供了更多的滑移路徑，使得位錯能夠更均勻地分布在合金中，減少了應力集中的現(xiàn)象。這在一定程度上提高了合金的塑性。在拉伸和壓縮實驗中，施加低壓脈沖磁場后的試樣表現(xiàn)出更好的變形性能，這與位錯密度的合理調(diào)控密切相關。4.3.2低壓脈沖磁場的作用機制低壓脈沖磁場在AZ80鎂合金DC半連續(xù)鑄造過程中，通過多種方式對形核、生長和溶質(zhì)分布產(chǎn)生影響，進而作用于合金的變形性能。在形核方面，低壓脈沖磁場能夠增加形核率。當脈沖磁場作用于金屬熔體時，會在熔體中產(chǎn)生感應電流，感應電流與脈沖磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力。這種洛倫茲力使金屬熔體產(chǎn)生感應運動，熔體內(nèi)部的流動加劇。在凝固過程中，這種流動可以破壞正在生長的枝晶，使枝晶破碎成小的碎片。這些碎片在熔體中成為新的晶核，從而增加了形核率。在鋁合金的凝固實驗中，施加低壓脈沖磁場后，發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸明顯減小，這是由于形核率增加導致的。對于AZ80鎂合金，低壓脈沖磁場同樣通過枝晶破碎和增加晶核數(shù)量，細化了晶粒，為改善變形性能奠定了基礎。在生長過程中，低壓脈沖磁場會改變晶體的生長方式。傳統(tǒng)鑄造過程中，晶體往往以樹枝狀生長為主，而施加低壓脈沖磁場后，晶體的生長方向受到干擾。熔體的感應運動使得凝固前沿的溫度分布更加均勻，溫度梯度減小。這使得晶體生長的方向性減弱，有利于等軸晶的形成。等軸晶的形成改善了合金的各向異性，使合金在各個方向上的性能更加均勻，從而提高了合金的變形性能。在受力時，等軸晶能夠更均勻地分擔應力，減少應力集中的現(xiàn)象，提高了合金的強度和韌性。低壓脈沖磁場還會影響溶質(zhì)分布。在凝固過程中，溶質(zhì)原子的分布對合金的性能有著重要影響。低壓脈沖磁場產(chǎn)生的熔體感應運動，促進了溶質(zhì)原子的擴散和均勻分布。在未施加磁場時，合金中的溶質(zhì)原子可能會出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，導致成分不均勻。而施加磁場后，溶質(zhì)原子在熔體中的擴散速度加快，分布更加均勻。對于AZ80鎂合金中的β-Mg??Al??相，低壓脈沖磁場使得Al元素在合金中的分布更加均勻，從而使β-Mg??Al??相能夠更均勻地分布在合金中，形成細小的顆粒狀。這種均勻的溶質(zhì)分布和第二相分布，提高了合金的強度和塑性。在拉伸和壓縮實驗中，施加磁場后的試樣由于溶質(zhì)分布和第二相分布的改善，其力學性能得到了顯著提高。4.3.3DC半連續(xù)鑄造工藝的影響DC半連續(xù)鑄造工藝對AZ80鎂合金的致密度、成分均勻性和殘余應力等方面產(chǎn)生影響，進而影響合金的變形性能。在致密度方面，DC半連續(xù)鑄造工藝通過合理控制冷卻速度和拉鑄速度，能夠提高合金的致密度。在鑄造過程中，通水冷卻的結(jié)晶器使金屬熔體與結(jié)晶器壁接觸的部分迅速冷卻，形成凝固殼。合適的冷卻速度能夠保證凝固殼的均勻生長，避免出現(xiàn)縮松、氣孔等缺陷。拉鑄速度的控制也至關重要，過快或過慢的拉鑄速度都可能導致鑄錠內(nèi)部出現(xiàn)缺陷。當拉鑄速度過快時，凝固過程中可能會產(chǎn)生應力集中，導致鑄錠內(nèi)部出現(xiàn)裂紋；當拉鑄速度過慢時，鑄錠可能會出現(xiàn)縮孔等缺陷。通過優(yōu)化冷卻速度和拉鑄速度，如將冷卻水流量控制在5-8L/min，水溫保持在20-30℃，拉鑄速度控制在1m/min，能夠提高鑄錠的致密度。致密度的提高有利于改善合金的變形性能，在受力時，致密度高的合金能夠更好地承受載荷，減少裂紋的產(chǎn)生和擴展，從而提高合金的強度和韌性。成分均勻性也是DC半連續(xù)鑄造工藝影響合金變形性能的重要因素。在熔煉過程中，通過攪拌等方式可以使合金成分初步均勻。在DC半連續(xù)鑄造過程中，保溫爐能夠維持熔體的溫度，使熔體在流入結(jié)晶器時保持良好的流動性，有利于成分的均勻分布。結(jié)晶器內(nèi)熔體的凝固過程也會影響成分均勻性。如果凝固速度不均勻，可能會導致成分偏析。通過合理控制鑄造工藝參數(shù)，如穩(wěn)定的熔體流量和均勻的冷卻速度，能夠減少成分偏析，使合金成分更加均勻。成分均勻性的提高可以使合金在變形過程中各部分的性能更加一致，減少應力集中的現(xiàn)象，從而提高合金的變形性能。在拉伸和壓縮實驗中，成分均勻的合金表現(xiàn)出更好的力學性能，屈服強度和抗拉強度更加穩(wěn)定，延伸率也更高。殘余應力是DC半連續(xù)鑄造工藝中不可忽視的因素，它會對合金的變形性能產(chǎn)生顯著影響。在鑄造過程中，由于冷卻速度不均勻、拉鑄速度變化等原因，鑄錠內(nèi)部會產(chǎn)生殘余應力。殘余應力的存在會導致合金在受力時應力分布不均勻，容易在應力集中處產(chǎn)生裂紋，降低合金的強度和塑性。為了減少殘余應力，可以采取一些措施，如在鑄造后進行適當?shù)臒崽幚?，通過加熱和保溫，使合金內(nèi)部的應力得到釋放。優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，如控制冷卻速度和拉鑄速度的穩(wěn)定性，也可以減少殘余應力的產(chǎn)生。在實際應用中，殘余應力的控制對于提高AZ80鎂合金的變形性能至關重要，只有將殘余應力控制在合理范圍內(nèi)，才能充分發(fā)揮合金的性能優(yōu)勢。五、結(jié)論與展望5.1研究結(jié)論總結(jié)本研究通過低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)制備AZ80鎂合金，對其微觀組織和變形性能進行深入研究，得出以下主要結(jié)論：微觀組織方面：低壓脈沖磁場DC半連續(xù)鑄造技術(shù)顯著改善了AZ80鎂合金的微觀組織。金相組織觀察表明，施加低壓脈沖磁場后，合金晶粒尺寸明顯細化，平均晶粒尺寸從56.3μm減小到28.5μm，減小了約49.4%，且晶粒分布更加均勻，大部分晶粒呈現(xiàn)等軸晶形態(tài)。掃描電鏡分析顯示，第二相β-Mg??Al??相的形態(tài)和分布發(fā)生明顯變化，從粗大的塊狀和連續(xù)的網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉念w粒狀彌散分布在晶界和晶內(nèi)。X射線衍射分析進一步驗證了晶粒細化的結(jié)果，α-Mg基體和β-Mg??Al??相的晶粒尺寸均減小，同時α-Mg基體的晶格參數(shù)也發(fā)生了微小變化。變形性能方面：該技術(shù)有效提升了AZ80鎂合金的變形性能。拉伸實驗結(jié)果表明，施加低壓脈沖磁場后的試樣屈服強度從225MPa提高到256MPa，增幅達13.8%；抗拉強度從358MPa提升至392MPa，增長了9.5%；延伸率從6.8%提高到8.5%，增加了25%。熱壓縮實驗中，施加磁場后的試樣屈服強度從185MPa提高到210MPa，增幅約為13.5%；抗壓強度從480MPa提升至525MPa，增長了9.4%，且流變應力上升相對較緩，達到峰值后下降較快，表現(xiàn)出較強的動態(tài)軟化特征。影響機制方面：微觀組織與變形性能密切相關。晶粒細化通過增加晶界面積，阻礙位錯運動，提高了屈服強