唐偉琴，張少睿，范曉慧，李大永，彭穎紅

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

AZ31鎂合金的織構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響

唐偉琴，張少睿，范曉慧，李大永，彭穎紅

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

利用電子背散射衍射(EBSD)取向成像技術(shù)，分析AZ31鎂合金熱擠壓棒材和軋制薄板的織構(gòu)特點(diǎn)；對(duì)具有不同初始織構(gòu)的鎂合金棒材和薄板進(jìn)行力學(xué)性能分析，并從織構(gòu)角度分析棒材的拉壓不對(duì)稱性和薄板的力學(xué)各向異性。結(jié)果表明：擠壓鎂合金棒材具有主要以(0001)基面平行于擠壓方向的基面纖維織構(gòu)，存在嚴(yán)重的拉壓不對(duì)稱性，其原因在于壓縮時(shí)的主要變形方式為{1 012}<10 1 1>孿生；熱軋鎂合金薄板具有主要以(0001)基面平行于軋面的強(qiáng)板織構(gòu)，具有顯著的力學(xué)性能各向異性，其原因在于拉伸時(shí)不同方向的基面滑移Schmid因子不同。

AZ31鎂合金；織構(gòu)；力學(xué)性能

鎂合金具有低密度、高強(qiáng)度、易回收等優(yōu)點(diǎn)，近年來作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料被逐漸應(yīng)用于汽車、交通、電子及其他民用產(chǎn)品等領(lǐng)域[1]。變形鎂合金通常通過擠壓、軋制、鍛造等變形方式來改善合金的結(jié)構(gòu)，提高鎂合金的性能，但鎂合金在變形后會(huì)在合金內(nèi)產(chǎn)生擇優(yōu)取向即織構(gòu)。大量研究表明[2-9]，鎂合金織構(gòu)的存在對(duì)鎂合金的性能有著顯著影響。因此，研究鎂合金在變形過程中產(chǎn)生的織構(gòu)，明確織構(gòu)產(chǎn)生的原因及織構(gòu)對(duì)合金性能的影響，就可以對(duì)鎂合金的變形加工提供理論依據(jù)，達(dá)到控制織構(gòu)的目的，用以改善合金的性能以適應(yīng)結(jié)構(gòu)件的使用要求。

傳統(tǒng)研究織構(gòu)的方法主要有X射線衍射分析和中子衍射分析，它們得到的是材料宏觀上的晶體擇優(yōu)取向的平均結(jié)果。而新興的電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)能在得到材料宏觀擇優(yōu)取向的同時(shí)，得到單個(gè)晶粒的取向以及相鄰晶粒的取向差異[10]，為鎂合金織構(gòu)研究提供一種有力的手段。

目前，關(guān)于鎂合金棒材和板材在加工過程中織構(gòu)的演化規(guī)律及其對(duì)力學(xué)性能影響的研究日益增多。尹樹明等[11]對(duì) AZ31D鎂合金擠壓棒材的拉壓不對(duì)稱性以及在拉伸和壓縮變形過程中的組織演化進(jìn)行系統(tǒng)研究及分析。汪凌云等[12]對(duì) AZ31B板材在加工過程中織構(gòu)的演變規(guī)律以及對(duì)板材力學(xué)性能各向異性的影響進(jìn)行了研究。CHINO等[13]對(duì)AZ31擠壓棒材在不同溫度下進(jìn)行了單向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)研究，并以{1012}〈10 1 1〉孿生為因素分析拉壓不對(duì)稱性。BOHLEN等[14]通過對(duì)6種鎂合金板材分別進(jìn)行3個(gè)不同方向(軋向、橫向、45?)的單向拉伸性能研究，得出鎂合金板材力學(xué)性能各向異性的結(jié)論，并從織構(gòu)角度分析其各向異性。由此可見，織構(gòu)的存在及對(duì)力學(xué)性能的影響已成為熱題。

在此，本文作者以熱擠壓AZ31鎂合金棒材和熱軋AZ31鎂合金薄板為對(duì)象，通過EBSD分析技術(shù)，分析在塑性變形過程中形成的織構(gòu)；通過對(duì)擠壓棒材的室溫單向拉伸和單向壓縮性能測(cè)試，得出鎂合金拉壓不對(duì)稱性的結(jié)論，并從織構(gòu)角度分析其機(jī)理；通過對(duì)軋制薄板沿3個(gè)不同方向的室溫單向拉伸實(shí)驗(yàn)，研究鎂合金的各向異性性能。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為d100 mm的AZ31鎂合金鑄錠和厚度為0.99 mm的AZ31鎂合金軋制薄板，主要成分如表1所列。將鑄錠分別擠壓成擠壓比為6.25∶1和25∶1的圓棒，擠壓工藝參數(shù)：擠壓筒溫度440 ℃，模具溫度410 ℃。

表1 AZ31鎂合金的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of AZ31 magnesium alloy(mass fraction, %)

用電火花切割出鑄錠、擠壓棒和軋制板上用于測(cè)量織構(gòu)的樣品，用AC-2電解液進(jìn)行電解拋光，在Zeiss Suppa 55 場發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行 EBSD實(shí)驗(yàn)，所用EBSD附件為丹麥HKL公司的Channel 5.0。

將擠壓比為25∶1的棒材加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸、壓縮樣品，加載方向均為擠壓方向；在軋制板材上分別沿著與軋向(RD)成0?，45?和90?的3個(gè)方向切割拉伸樣品。室溫拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)在Zwick T1-FR020TN.A50型電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成，初始加載速度為 0.5 mm/min；當(dāng)材料拉伸至Rp0.2時(shí)，加載速度提升為2.5 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎂合金的織構(gòu)組分和演變規(guī)律

2.1.1 纖維織構(gòu)

圖1所示為AZ31鎂合金的鑄態(tài)組織。由圖1可看出，鑄態(tài)鎂合金初始取向比較散漫，平均晶粒尺寸為 135.58 μm。

展覽位于圖書館5樓，目前已接待20余批校內(nèi)外團(tuán)體參觀，參觀者紛紛留言表示收獲頗多：在藝術(shù)的氛圍中了解了外科醫(yī)學(xué)發(fā)展史，同時(shí)感受了醫(yī)學(xué)和藝術(shù)的神秘與崇高，醫(yī)者眼中的憐惜與思考等。

圖2所示為擠壓比為6.25∶1的平行于擠壓方向的組織。由圖2可以看出，擠壓樣品基本上為沿?cái)D壓軸向的細(xì)長條晶兩側(cè)分布的等軸細(xì)晶的混晶組織，平均晶粒尺寸為8.28 μm，而細(xì)晶粒僅為5 μm，大晶粒則達(dá)到50 μm。由此可知，在熱擠壓過程中出現(xiàn)再結(jié)晶。圖 2(a)的取向成像圖則表明，擠壓后 AZ31鎂合金的擇優(yōu)取向，圖中每種顏色代表一個(gè)晶體學(xué)取向，顏色相近則晶粒的取向相近。由圖2(b)得知，擠壓后大部分晶粒的(0001)基面平行于擠壓方向。

圖3所示為擠壓比為25∶1的平行于擠壓方向的組織。由圖3可看出，擠壓樣品仍舊為沿細(xì)長條晶兩側(cè)分布的等軸細(xì)晶的混晶組織，平均晶粒尺寸為 7.41μm。與擠壓比為6.25∶1的相比，織構(gòu)漫散度更小，主要織構(gòu)的晶粒取向沿?cái)D壓方向(ED)的漫散度在0?~15?的范圍內(nèi)，而沿橫向(TD)的漫散度則在 60?~90?的范圍內(nèi)。

由以上分析可以得出，隨著擠壓比的增大，鎂合金逐漸形成纖維織構(gòu)，即{0001}晶面和〈10 1 0〉晶向平行于擠壓軸，合金的晶粒得到細(xì)化。

圖4所示為擠壓態(tài)鎂合金在垂直于擠壓方向上的取向極圖，其基面織構(gòu)明顯低于與擠壓方向平行的截面上的織構(gòu)(如圖3所示)。由此可見，對(duì)于擠壓變形，大部分晶粒的基面平行于擠壓方向，很少有晶粒的基面垂直于擠壓方向。

2.1.2 板織構(gòu)

圖1 鑄態(tài)AZ31鎂合金的取向成像圖和取向極圖Fig.1 Orientation map (a) and {0002},{1 010} and {1 120} pole figures (b) of as-cast AZ31 magnesium alloy

圖2 熱擠壓AZ31鎂合金的取向成像圖和取向極圖(擠壓比為6.25∶1)Fig.2 Orientation map (a) and {0002},{1 010} and {1 120} pole figures (b) of extruded AZ31 magnesium alloy with extrusion ratio of 6.25∶1

圖3 熱擠壓AZ31鎂合金的取向成像圖取向極圖(擠壓比為25∶1)Fig.3 Orientation map (a) and {0002},{1 010} and {1 120}pole figures (b) of extruded AZ31 magnesium alloy with extrusion ratio of 25∶1

圖4 熱擠壓AZ31鎂合金垂直于擠壓方向的取向極圖Fig.4 {0002},{1 010} and {1 120} pole figures of extruded AZ31 magnesium alloy perpendicular to ED

圖5 所示為0.99 mm厚的AZ31鎂合金軋制薄板的組織。由圖5可看出，此薄板組織為均一的等軸晶，其基本特征為(0001)基面平行于軋板表面，〈10 1 0〉晶向平行于軋向。在{0002}極圖中，基面法向沿軋板軋向偏轉(zhuǎn)一定角度。形成這種強(qiáng)的基面織構(gòu)的原因是：在薄板軋制過程中，大部分晶粒的c軸與外力夾角小于 25?，甚至平行于外力方向，即基面和棱柱面的Schmid因子很小，導(dǎo)致滑移模式難以啟動(dòng)，孿生便成為最主要的塑性變形機(jī)制。拉伸孿生{1 012}的結(jié)果是使晶粒的 c軸平行于軋板法向，從而形成強(qiáng)的基面織構(gòu)。

2.2 織構(gòu)對(duì)AZ31鎂合金力學(xué)性能的影響

2.2.1 拉伸與壓縮不對(duì)稱性

圖5 軋制AZ31鎂合金薄板的取向成像圖和取向極圖Fig.5 Orientation map (a) and {0002},{1 010} and {1 120} pole figures (b) of as-rolled AZ31 magnesium alloy

為了確定織構(gòu)對(duì)擠壓AZ31鎂合金力學(xué)性能的影響，對(duì)擠壓棒沿?cái)D壓方向分別進(jìn)行室溫單向拉伸和單向壓縮測(cè)試，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6可以看出，拉伸、壓縮屈服表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，拉伸屈服強(qiáng)度約為壓縮屈服強(qiáng)度的2倍。拉伸屈服后硬化呈現(xiàn)一定的單調(diào)性，而壓縮曲線則可分為3個(gè)階段：1) 當(dāng)應(yīng)力很小時(shí)發(fā)生屈服(大約為拉伸時(shí)的一半)，接著以較小的硬化率繼續(xù)塑性變形；2) 硬化率變大，應(yīng)力以較快的速度增長；3) 硬化率降低。

可從材料的織構(gòu)來解釋拉壓不對(duì)稱性。AZ31鎂合金的軸比(c/a)為1.624，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，當(dāng)c/a小于3時(shí)，只有存在沿c軸方向的拉應(yīng)力或垂直于c軸方向的壓應(yīng)力分量，{1 012}孿生才能發(fā)生。由圖3所示的AZ31擠壓棒材的極圖可以看出，大多數(shù)晶粒的{0001}基面和{1 010}晶向平行于擠壓方向。這種取向使得加載方向與大多數(shù)晶粒的c軸垂直，因此，只有在壓縮變形時(shí)才能發(fā)生{1 012}孿晶。YI等[16]認(rèn)為在拉伸初期以基面滑移為主，而{1 012}孿生是壓縮時(shí)的主要變形方式，而且基面滑移的臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于孿生變形，因此，單向拉伸的屈服應(yīng)力遠(yuǎn)大于單向壓縮的。尹樹明等[11]認(rèn)為，柱面滑移是拉伸時(shí)的主要變形方式，{1 012}孿生是壓縮時(shí)的主要變形方式，從而導(dǎo)致拉壓不對(duì)稱性。

圖6 AZ31鎂合金擠壓棒材的單向拉伸、壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.6 Stress—strain curves in uniaxial tension and compression of magnesium alloy at room temperature

對(duì)于壓縮曲線的3個(gè)階段，尹樹明等[11]等通過分析變形過程中的組織演化得出如下結(jié)論：第1階段，主要以{1 012}一次孿生為主，隨著孿生的增加，材料不斷硬化，隨著一次孿生逐漸飽和，硬化速率也逐漸減慢；第2階段，位錯(cuò)急劇增加，并與{1 012}孿晶及二次孿晶的相互作用增強(qiáng)，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得硬化速率迅速提高；第3階段，位錯(cuò)進(jìn)一步增加，孿晶與滑移的相互作用增強(qiáng)呈上凸?fàn)?，硬化速率減慢。YI等[16]則認(rèn)為第 3階段硬化速率的減慢是由于滑移開動(dòng)的。

2.2.2 拉伸各向異性

隨機(jī)取向的多晶體在宏觀上具有各向同性的力學(xué)性能，一旦呈現(xiàn)織構(gòu)，將表現(xiàn)出各向異性。為了確定織構(gòu)對(duì)軋制AZ31鎂合金薄板力學(xué)性能的影響，分別在軋板上沿3個(gè)方向上截取拉伸試樣，以獲得不同的初始織構(gòu)。

表2所列為軋制鎂合金板材沿3個(gè)不同方向的力學(xué)性能，鎂板表現(xiàn)出明顯的各向異性。對(duì)比各個(gè)方向的性能指標(biāo)可以得出：45?方向的屈服強(qiáng)度比其他2個(gè)方向的屈服強(qiáng)度都低，而其伸長率最大。各向異性主要是由晶體學(xué)織構(gòu)所引起的。對(duì)于鎂合金，只有存在沿c軸方向的拉應(yīng)力或垂直于c軸方向的壓應(yīng)力分量，{1 012}孿生才能發(fā)生，而AZ31鎂合金板材的大部分晶粒的c軸垂直于板面，當(dāng)沿著選取的3個(gè)方向分別拉伸時(shí)，{1 012}孿生都不能啟動(dòng)，室溫下的主要變形方式僅為基面滑移。在 AZ31鎂合金軋板中主要為(0001)基面織構(gòu)，且基面法向部分偏向45?方向，而大部分晶?；娣ㄏ蚺cRD方向夾角的漫散度為5?~14?，與TD方向夾角的漫散度為0?~5?，如圖5(b)中{0002}極圖所示。當(dāng)鎂合金分別沿3個(gè)方向拉伸變形時(shí)，45?方向上的基面 Schmid因子最大，基面滑移系最易啟動(dòng)，其次為RD方向，因而，45?方向的屈服強(qiáng)度最低，TD方向最高；伸長率沿TD方向最低，沿45?方向最高。

表2 AZ31鎂合金軋制薄板不同取向的拉伸性能Table2 Tensile properties of AZ31 magnesium sheet in different orientations

3 結(jié)論

1) AZ31鎂合金棒材在擠壓過程中形成纖維織構(gòu)，其主要織構(gòu)組分為 { 0 001}<10 1 0>平行于擠壓方向。

2) 軋制AZ31鎂合金板材形成強(qiáng)的基面織構(gòu)，其主要織構(gòu)組分為 { 0 001}<10 1 0>平行于軋制方向，其他織構(gòu)組分相對(duì)較弱。

3) AZ31鎂合金在擠壓、軋制等塑性變形過程中形成強(qiáng)的基面織構(gòu)，導(dǎo)致嚴(yán)重的拉壓不對(duì)稱性和較強(qiáng)的塑性各向異性。

REFERENCES

[1] 陳振華. 變形鎂合金[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.CHEN Zhen-hua. Wrought magnesium alloy[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2005.

[2] KAISER F, LETZIG D, BOHLEN J, STYCINSKI A, HARTIG C, KAINER K U. Anisotropic properties of magnesium sheet AZ31[J]. Materials Science Forum, 2003, 419/422:315-320.

[3] WU S K, CHOU T S, WANG J Y. The deformation texture in AZ31B magnesium alloy[J]. Materials Science Forum, 2003,419/422: 527-532.

[4] KIM W J, JEONG H G. Mechanical properties and texture evolution in ECAP processed AZ61 Mg alloys[J]. Materials Science Forum, 2003, 419/422: 201-206.

[5] MABUCHI M, CHINO Y, IWASAKI H. The grain size and texture dependence of tensile properties in extruded Mg-9Al-Zn[J]. Materials Transactions, 2001, 42(7): 1182-1189.

[6] WANG Y N, HUANG J C. Texture analysis in hexagonal materials[J]. Materials Chemistry and Physics, 2003, 81:11-26.

[7] 陳振華, 夏偉軍, 程永奇, 傅定發(fā). 鎂合金織構(gòu)與各向異性[J].中國有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(1): 1-11.CHEN Zhen-hua, XIA Wei-jun, CHEN Yong-qi, FU Ding-fa.Texture and anisotropy in magnesium alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(1): 1-11.

[8] 余 琨, 芮守泰, 王日初, 彭超群, 薛新穎. AZ31鎂合金擠壓薄板織構(gòu)及力學(xué)各向異性[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2008,18(12): 2127-2131.YU Kun, RUI Shou-tai, WANG Ri-chu, PENG Chao-qun, XUE Xin-ying. Texture and mechanical anisotropy of AZ31 extruded sheets[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(12): 2127-2131.

[9] 尹志民, 何振波, 楊 進(jìn), 聶 波. 鋁-鎂-鈧合金板材晶粒結(jié)構(gòu)、織構(gòu)和力學(xué)性能平面各向異性[J]. 輕合金加工技術(shù), 2007,35(5): 48-52.YIN Zhi-min, HE Zhen-bo, YANG Jin, NIE Bo. Grain structure,texture and planar anisotropy of Al-Mg-Sc alloy plate[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2007, 35(5): 48-52.

[10] 毛衛(wèi)民. 金屬材料的晶體學(xué)織構(gòu)與各向異性[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.MAO Wei-min. Crystallography textures and anisotropy in metals[M]. Beijing: Science Press, 2002.

[11] 尹樹明, 吳世丁, 李守新. 粗晶鎂合金 AZ31D的拉壓不對(duì)稱性和組織演化[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2007, 21(增刊): 38-42.YIN Shu-ming, WU Shi-ding, LI Shou-xin. Tensile-compressive yield asymmetry and microstructure evolution during deformation of coarse-grained AZ31D magnesium alloy[J].Chinese Journal of Materials Research, 2007, 21(s): 38-42.

[12] 汪凌云, 范永革, 黃光杰, 黃光勝, 潘復(fù)生, 劉正宏.AZ31B鎂合金板材的織構(gòu)[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2004, 18 (5):466-470.WANG Lin-yun, FAN Yong-ge, HUANG Guang-jie, HUANG Guang-sheng, PAN Fu-sheng, LIU Zheng-hong. Texture of AZ31B magnesium alloy sheets[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2004, 18(5): 466-470.

[13] CHINO Y, KIMURA K, HAKAMADA M, MABUCHUI M.Mechanical anisotropy due to twinning in an extruded AZ31 Mg alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 485(1/2):311-317.

[14] BOHLEN J, NURNBERG M R, SENN J W, LETZIQ D,AGNEW S R. The texture and anisotropy of magnesium-zinc-rare earth alloy sheets[J]. Acta Materialia, 2007,55: 2101-2112.

[15] 賴祖涵. 金屬的晶體缺陷與力學(xué)性質(zhì)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1988.LAI Zu-han. Crystal defect and mechanical property of metals[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1988.

[16] YI S B, DAVIES C H J, BROKMEIER H G, BOLMARO R E,KAINER K U, HOMEYER J. Deformation and texture evolution in AZ31 magnesium alloy during uniaxial loading[J]. Acta Material, 2006, 54: 549-562.

Texture and its effect on mechanical properties of AZ31 magnesium alloy

TANG Wei-qin, ZHANG Shao-rui, FAN Xiao-hui, LI Da-yong, PENG Ying-hong
(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The textures of both as-extruded rod and as-rolled sheet of AZ31 magnesium alloys were investigated by the electron back scattering diffraction (EBSD) technique. The influences of the initial textures on the mechanical properties in two different magnesium alloy behaviors, extruded rod and rolled sheet, were examined. The tensile-compressive asymmetry of extruded rod and mechanical anisotropy of rolled sheet were studied in the sight of texture. The EBSD results show that the major texture of as-extruded AZ31 rod is the fiber texture with (0001) basal plane parallel to the extrusion direction (ED), while the major texture of as-rolled AZ31 sheet is the basal texture with (0001) basal plane parallel to the rolling surface. The mechanical property tests show that the activity of {1 012}<10 1 1> twinning during compression exerts significant effect on the tensile-compressive yield stress and elongation rate in an asymmetrical way.The different Schmid factors of basal slip systems in different directions lead to the in-plane anisotropy during tension.

AZ31 magnesium alloys; texture; mechanical property

TG146.2

A

1004-0609(2010)03-0371-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50821003)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006CB708611)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-07-0545)；上海市科委資助項(xiàng)目(07XD14016)

2009-04-14；

2009-12-08

彭穎紅，教授，博士；電話：021-34206312；E-mail: yhpeng@sjtu.edu.cn

(編輯 楊 華)