吳遠(yuǎn)志，嚴(yán)紅革，陳吉華，朱素琴，薄紅偉，王林偉

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082)

鎂及鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高的比強(qiáng)度和比剛度，是航空航天、汽車等領(lǐng)域節(jié)能減排的理想材料[1-2]。鎂合金一般為密排六方結(jié)構(gòu)，獨(dú)立滑移系較少，塑性成形性能較差[3]。目前，鎂合金產(chǎn)品主要以鑄造尤其是壓鑄件為主，但鑄造產(chǎn)品存在力學(xué)性能不夠理想、易產(chǎn)生組織缺陷等缺點(diǎn)，因此變形鎂合金的研究逐漸成為鎂合金研究的重點(diǎn)[4]。其中鎂合金鍛件具有優(yōu)異的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，并且組織致密、無孔隙，具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

近年來多向鍛造(Triaxial-forging)作為大塑性變形方法之一，在鎂合金的研究中廣受關(guān)注[6-13]。郭強(qiáng)等[6-7]采用壓下速度為 12.5 mm/s的液壓機(jī)研究了AZ80合金的多向鍛造組織和力學(xué)性能演變，發(fā)現(xiàn)通過多向鍛造可以生產(chǎn)平均晶粒尺寸為1～2 μm的鎂合金錠坯，其強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率得到大幅提高。MIURA等[8-9]通過降溫多向鍛造在3×10-3s-1的應(yīng)變速率下制備超細(xì)晶粒AZ31和AZ61合金錠坯，合金的平均晶粒尺寸分別為0.43和0.8 μm，兩種合金均具有良好的室溫強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，并且在高溫低應(yīng)變速率下具有超塑性?，F(xiàn)有研究表明，多向鍛造可以有效的細(xì)化晶粒，大幅提高鎂合金性能。但鎂合金對(duì)應(yīng)變速率敏感，鎂合金多向鍛造的研究大多在低應(yīng)變速率下進(jìn)行[14]。低應(yīng)變速率多向鍛造變形耗時(shí)較長(zhǎng)，在沒有保溫裝置的情況下需要反復(fù)加熱，生產(chǎn)效率較低，成本較高，不適于工業(yè)化生產(chǎn)。若能實(shí)現(xiàn)鎂合金高應(yīng)變速率多向鍛造(HSRTF)，將對(duì)推動(dòng)鎂合金鍛件的工業(yè)化生產(chǎn)有重要的意義。到目前為止，國內(nèi)外關(guān)于鎂合金高應(yīng)變速率鍛造研究的報(bào)道極少。本文作者采用空氣錘對(duì) AZ31合金進(jìn)行多向鍛造，通過高應(yīng)變速率多向鍛造可以迅速細(xì)化晶粒、大幅提高合金力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用材料是 AZ31鎂合金，成分為 Mg-3Al-1Zn-0.3Mn。在中頻感應(yīng)爐中熔煉后鐵模鑄造成錠坯，經(jīng)390 ℃均勻化處理12 h后水淬，其平均晶粒尺寸為500 μm。將均勻化后的錠坯加工成尺寸為40 mm×35 mm×35 mm的鍛坯，并除去尖銳的棱角，避免由于應(yīng)力集中引起的開裂。高應(yīng)變速率鍛造實(shí)驗(yàn)在空氣錘上進(jìn)行，空氣錘的鍛打次數(shù)為200 次/min，鍛打速度約為5 m/s。鍛造前將試樣置于350 ℃的電阻爐中保溫10 min，所有試樣均采用一次加熱成形，即道次間不進(jìn)行加熱。多向鍛造工藝如圖1所示，鍛打面按A-B-C-A··順序進(jìn)行，每鍛一個(gè)面計(jì)作一道次，道次變形量為20%，即道次應(yīng)變?chǔ)う艦?.22。鍛造完成后對(duì)試樣進(jìn)行水淬以保留高溫變形組織，鍛坯表面良好沒有明顯裂紋，取鍛坯芯部垂直于最終鍛造方向的平面進(jìn)行組織觀察。沿圖1所示的方向在鍛坯芯部加工拉伸試樣進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，即拉伸方向平行于最終鍛造方向的下一鍛造方向，拉伸應(yīng)變速度為0.5mm/min，并用掃描電鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 組織演變

AZ31合金高應(yīng)變速率多向鍛造組織演變?nèi)鐖D2所示。累積應(yīng)變?yōu)?.22時(shí)，大量的孿晶分割初始晶粒，同時(shí)在初始晶界和孿晶上形成少量的再結(jié)晶晶粒，如圖2(a)所示；隨著變形量的增大，再結(jié)晶程度迅速增加，累積應(yīng)變?yōu)?.88時(shí)，合金組織大部分為細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，少數(shù)沒有發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域有大量的孿晶，如圖2(b)所示；進(jìn)一步增大變形量，再結(jié)晶程度進(jìn)一步加大，累積應(yīng)變?yōu)?.32時(shí)，獲得了均勻細(xì)小的完全再結(jié)晶晶粒組織，其平均晶粒度為7.4 μm，再結(jié)晶組織晶界彎曲，為典型的大塑性變形組織，并且在再結(jié)晶晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了少量的孿晶，如圖2(c)和(d)所示。繼續(xù)增大變形量，晶粒組織有所長(zhǎng)大，累積應(yīng)變?yōu)?.64時(shí)，部分再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大到35 μm，如圖2(e)和(f)所示。由此可見，AZ31合金高應(yīng)變速率多向鍛造組織演變分為晶粒細(xì)化和晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)階段。與鎂合金低應(yīng)變速率多向鍛造變形相比[7]，高應(yīng)變速率多向鍛造可以通過較小的變形量獲得均勻的再結(jié)晶組織，其晶粒細(xì)化具體過程如圖3所示。隨著累積應(yīng)變的增大，孿晶上的再結(jié)晶數(shù)量增多，同時(shí)孿晶密度也不斷升高，如圖3(b)和(c)所示；累積應(yīng)變?yōu)?.1時(shí)，合金組織基本為再結(jié)晶晶粒，如圖3(d)所示。

圖1 AZ31合金高應(yīng)變速率多向鍛造及拉伸方向示意圖Fig.1 Schematic diagram of triaxial forging process and tensile direction for AZ31 alloy

圖2 不同累積應(yīng)變的AZ31合金顯微組織Fig.2 Microstructures of HSRTFed AZ31 alloy at different accumulated strains: (a)0.22; (b)0.88; (c); (d)1.32; (e)1.76; (f)2.64

滑移、孿生和晶界滑移是鎂合金塑性變形的主要機(jī)制。晶界滑移是超細(xì)晶粒鎂合金的主要變形機(jī)制，由于實(shí)驗(yàn)所用的材料初始組織粗大，晶界滑移難以在變形初期發(fā)揮作用。另外，由于應(yīng)變速率較大，變形在很短的時(shí)間內(nèi)完成，位錯(cuò)滑移的有效時(shí)間縮短[15]，因此，在AZ31合金高應(yīng)變速率鍛造過程中孿生發(fā)揮著至關(guān)重要的所用。孿晶界與晶界一樣可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，為再結(jié)晶提供儲(chǔ)能，從而在孿晶上形成再結(jié)晶晶粒[16]。結(jié)合圖3分析可知，孿晶再結(jié)晶是晶粒細(xì)化的主要機(jī)制，與ZK21[15]和ZK40[17]合金高應(yīng)變速率單向壓縮變形相似。孿晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是發(fā)生孿晶再結(jié)晶的前提，孿晶的數(shù)量決定了孿晶再結(jié)晶的速度。本實(shí)驗(yàn)中，隨著再結(jié)晶程度的提高，晶界的強(qiáng)化作用增強(qiáng)，使變形集中在未發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域，從而導(dǎo)致孿晶密度的上升，加速再結(jié)晶進(jìn)程。獲得均勻的完全再結(jié)晶組織之后繼續(xù)增大變形量，孿生的作用明顯減弱，新生的再結(jié)晶晶粒內(nèi)部不再出現(xiàn)大量的孿晶。這是由于合金組織細(xì)化到一定程度時(shí)，晶界滑移的作用增強(qiáng)，孿生不再主導(dǎo)合金變形過程，因此合金不能再通過孿晶再結(jié)晶繼續(xù)細(xì)化。此時(shí)，變形能量一部分以位錯(cuò)的形式聚集在晶界附近，導(dǎo)致晶界表面能的升高，另一部分轉(zhuǎn)化成變形溫升。由于高應(yīng)變速率鍛造時(shí)變形在很短的時(shí)間內(nèi)完成，變形所產(chǎn)生的熱量在短時(shí)間內(nèi)難以散失，從而導(dǎo)致鍛坯的溫度大幅上升。在強(qiáng)烈的熱激活作用下，晶界的表面能通過晶粒的長(zhǎng)大自發(fā)降低，從而引起再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大。

2.2 力學(xué)性能

圖4所示為AZ31合金高應(yīng)變速率多向鍛造不同累積應(yīng)變鍛坯室溫拉伸曲線，表1給出了其力學(xué)性能。從圖4和表1可以看出，累積應(yīng)變∑Δε＜1.32時(shí)，合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨累積應(yīng)變的增大而增大，累積應(yīng)變∑Δε=1.32時(shí)，合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最大，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為313 MPa、209 MPa和 28.6%；累積應(yīng)變∑Δε＞1.32時(shí)，合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨累積應(yīng)變的增大而減小。

圖3 AZ31合金高應(yīng)變速率多向鍛造再結(jié)晶過程Fig.3 DRX of AZ31 alloy during HSRTF at different accumulated strains: (a)0.22; (b)0.44; (c)0.66; (d)1.1

圖4 AZ31高應(yīng)變速率多向鍛造室溫拉伸曲線Fig.4 Tensile curves of HSRTFed AZ31 alloy at room temperature and different accumulated strains

合金材料的力學(xué)性能與眾多因素有關(guān)，其中材料的組織均勻性和平均晶粒尺寸起著重要作用。不均勻的合金組織在塑性變形時(shí)容易造成應(yīng)力分布不均，從而引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致塑性下降；另外，由Hall-Petch公式可知，材料平均晶粒尺寸的減小可以提高材料強(qiáng)度。因此，均勻的超細(xì)晶粒組織是提高材料的強(qiáng)度和塑性的有效途徑之一。結(jié)合金相組織觀察和分析可知，本實(shí)驗(yàn)中，累積應(yīng)變∑Δε＜1.32時(shí)，隨著累積應(yīng)變的增加，平均晶粒尺寸減小，再結(jié)晶組織趨于均勻，因此合金的強(qiáng)度和塑性隨之提高；累積應(yīng)變∑Δε＞1.32時(shí)，合金平均晶粒尺寸在熱激活作用下長(zhǎng)大，強(qiáng)度和塑性都有所降低。AZ31合金最佳性能出現(xiàn)在累積應(yīng)變?yōu)?.32時(shí)，與晶粒尺寸相當(dāng)?shù)臄D壓坯性能相比[18]，高應(yīng)變速率鍛造坯的強(qiáng)度和塑性都優(yōu)于擠壓坯的，因此變形鎂合金的力學(xué)性能不僅取決于平均晶粒尺寸，還與合金的變形方式有關(guān)。高強(qiáng)度是由于晶界彎曲以及再結(jié)晶晶粒內(nèi)的孿晶造成的，彎曲的晶界和晶內(nèi)的孿晶可以阻礙位錯(cuò)滑移，在宏觀上則表現(xiàn)為變形抗力的增大即強(qiáng)度的提高。而伸長(zhǎng)率的提高則與織構(gòu)有關(guān)，鎂合金經(jīng)常規(guī)加工如普通軋制、擠壓等變形會(huì)形成的強(qiáng)烈基面織構(gòu)，引起塑性下降[19]；而織構(gòu)可以通過改變變形路徑加以控制[20]，多向鍛造變形時(shí)三向載荷的作用可有效地減小材料各向異性[21]，從而引起合金塑性的提高。

表1 AZ31合金不同累積應(yīng)變鍛坯室溫力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of HSRTFed AZ31 specimens at different accumulated strain

圖5所示為不同累積應(yīng)變鍛坯室溫拉伸斷口形貌。累積應(yīng)變?yōu)?.88時(shí)，試樣斷口存在部分解理面和解理臺(tái)階，同時(shí)也有部分分布不均的韌窩，如圖5(a)所示，鍛坯斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。累積應(yīng)變?yōu)?.32時(shí)，材料的塑性隨組織的細(xì)化和均勻化而提高，解理面和解理臺(tái)階被分布均勻的韌窩代替，韌窩較大并且較深，如圖5(b)所示，鍛坯斷裂方式為塑性斷裂。

圖5 AZ31合金不同累積應(yīng)變拉伸斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of HSRTFed AZ31 alloy at different accumulated strains: (a)0.88; (b)1.32

3 結(jié)論

1)AZ31合金高應(yīng)變速率多向鍛造組織演變分為兩個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)兩種不同的機(jī)制：第一階段為累積應(yīng)變∑Δε＜1.32時(shí)，主要機(jī)制為孿晶再結(jié)晶，晶粒尺寸由500 μm細(xì)化到7.4 μm；第二階段為累積應(yīng)變∑Δε＞1.32時(shí)，主要機(jī)制為熱激活長(zhǎng)大，部分晶粒長(zhǎng)大到 35 μm。

2)累積應(yīng)變∑Δε＜1.32時(shí)，晶粒組織逐漸細(xì)化并趨于均勻，合金強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨累積應(yīng)變的增大而提高；累積應(yīng)變∑Δε＞1.32時(shí)，再結(jié)晶晶粒在熱激活作用下逐漸長(zhǎng)大，合金強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨累積應(yīng)變的增大有所下降。

3)累積應(yīng)變?yōu)?1.32時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為313 MPa、209 MPa和28.6%，這表明高應(yīng)變速率多向鍛造是制備高性能AZ31變形鎂合金的有效途徑。

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