陳永志，王忠堂，符和鋒

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

AZ31鎂合金板材復(fù)合形變的孿晶組織及晶粒尺寸

陳永志，王忠堂，符和鋒

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

研究了復(fù)合形變對(duì)鎂合金AZ31板材性能的影響規(guī)律，比較了不同變形齒間比、溫度和壓下量對(duì)鎂合金板材微觀組織的影響。研究結(jié)果表明，在復(fù)合變形條件下，隨著齒間比的增大，板材孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，平均晶粒尺寸有先減小后增大的趨勢(shì)。隨著壓下量的逐漸增大，板材的孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，平均晶粒尺寸也有先減小后增大的趨勢(shì)。同時(shí)過大的壓下量容易導(dǎo)致板材斷裂。隨著變形溫度的提高，板材能完成較大的變形量，但是孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，晶粒尺寸先減小后增大。

鎂合金AZ31；復(fù)合形變；孿晶組織；晶粒尺寸

鎂合金具有高比強(qiáng)度、高比剛度，電磁屏蔽效果佳、機(jī)械加工性能優(yōu)良，易于回收等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，沒有足夠的獨(dú)立滑移系，低溫下變形主要靠孿晶進(jìn)行協(xié)調(diào)。高溫下鎂合金板材塑性有所提高，但是其容易氧化，最終限制了鎂合金普及推廣。因此，研究變形鎂合金的性能，提高其在低溫甚至室溫的成形性能具有重要的意義。之前一些研究人員主要通過細(xì)化晶粒來提高鎂合金的強(qiáng)度和延展性[2-4]。Q.Yang與A.K.Ghosh通過循環(huán)波浪模具壓制鎂合金板材(ABRC)，使其微觀晶粒細(xì)化到1.4μm[5-6]。Huang等人通過單向循環(huán)彎曲使鎂合金板材平均晶粒尺寸得到細(xì)化[7].楊續(xù)躍等人利用低溫雙向反復(fù)彎曲方法并且應(yīng)用一定的退火工藝細(xì)化了AZ31鎂合金晶粒[8]。

以上工藝都是在降溫過程中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)不易操作并且不能有效量化工藝參數(shù)，具有一定的生產(chǎn)局限性。比如ABRC工藝不能生產(chǎn)較厚板材、單向彎曲和雙向反復(fù)彎曲工藝只能生產(chǎn)鎂合金帶材等。本文綜合以上幾種方法優(yōu)點(diǎn)，提出一種鎂合金板材復(fù)合形變新技術(shù)，該復(fù)合形變工藝是一種將彎曲變形與壓平相結(jié)合的一種工藝方法，工藝過程中對(duì)模具進(jìn)行加熱和保溫。該復(fù)合形變工藝使板材產(chǎn)生大量的壓縮與拉伸孿晶，通過誘導(dǎo)孿晶組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化晶粒尺寸。本文研究其對(duì)AZ31B鎂合金板材的微觀組織的影響，并且對(duì)齒間比(凸齒半徑與凸齒邊部到另一凸齒邊部的距離之比)、壓下量、溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行比較與優(yōu)化，為變形鎂合金板材的生產(chǎn)應(yīng)用和理論研究提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用商用鎂合金AZ31板材，板材厚為7mm，在450℃溫度下退火60min后隨爐冷卻，平均晶粒尺寸約為56μm，如圖1所示，組織比較均勻，晶粒內(nèi)部沒有孿晶。用專用復(fù)合形變模具對(duì)鎂合金板材進(jìn)行彎曲—壓平復(fù)合形變。復(fù)合形變模具通過加熱電阻棒加熱保持150℃恒溫，彎曲凸齒半徑為2mm，齒間比分別為1∶1、1∶2、1∶3。實(shí)驗(yàn)在1000KN的四柱萬能液壓機(jī)上進(jìn)行，液壓機(jī)壓下速度為10mm/s。不同溫度下最大壓下量為復(fù)合形變后板材表面出現(xiàn)裂紋而結(jié)束，表1為不同溫度下能進(jìn)行的不同最大壓下量。

圖1 AZ31鎂合金板材450℃退火60min微觀組織

表1 不同溫度下能進(jìn)行的不同最大壓下量%

2 復(fù)合形變齒間比對(duì)鎂合金AZ31板材微觀組織的影響

在250℃，凸齒半徑為2mm，壓下量都為43%條件下分別選取三種齒間比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，齒間比分別為1∶1、1∶2、1∶3。分別研究對(duì)齒部位和齒間隔部位微觀組織，如圖2所示。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著齒間比的增大，在間隔部位鎂合金晶粒尺寸逐漸增大，孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)齒間比小時(shí)，板材在彎曲過程中除了受到相同的壓應(yīng)力以外還受到模具對(duì)突起板材部位的側(cè)向擠壓力。有利于產(chǎn)生孿晶并且使晶粒破碎成較小晶粒。

圖3為對(duì)齒壓下部位微觀組織。從圖3中可以看出：當(dāng)齒間比1∶1時(shí)，平均晶粒尺寸約為17μm；當(dāng)齒間比1∶2時(shí)，平均晶粒尺寸最為均勻細(xì)小，平均晶粒尺寸約為7μm；當(dāng)齒間比1∶3時(shí)，平均晶粒尺寸約為10μm。這是因?yàn)閷?duì)齒部位最先直接受到模具的壓應(yīng)力產(chǎn)生孿晶。在中間退火過程中，板材發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，使大部分孿晶消失。在該實(shí)驗(yàn)中當(dāng)齒間比過小的時(shí)候，在彎曲過程中對(duì)齒部位受到較大的應(yīng)力作用，孿晶儲(chǔ)存大量的能量，當(dāng)中間道次壓平退火時(shí)，晶粒迅速形核并長大，在該條件下平均晶粒尺寸較大。當(dāng)齒間比過大時(shí)，孿晶體積分?jǐn)?shù)變小且孿晶儲(chǔ)存能量較少，中間退火時(shí)，晶粒形核、長大緩慢，未發(fā)生再結(jié)晶組織得以保留。在圖3c中明顯存在未發(fā)生再結(jié)晶區(qū)域，組織均勻性不佳，平均晶粒尺寸較大。

圖2 不同齒間比壓下量為43%時(shí)AZ31鎂合金齒間隔部位微觀組織

圖3 不同齒間比壓下量為43%時(shí)AZ31鎂合金對(duì)齒部位微觀組織

3 復(fù)合形變壓下量對(duì)鎂合金AZ31板材微觀組織的影響

選取齒間比1∶2，溫度250℃時(shí)，研究鎂合金板材不同壓下量對(duì)其微觀組織的影響。圖4為板材齒間隔部位微觀組織，圖5為板材對(duì)齒部位微觀組織。從圖4可以看出，隨著壓下量的增大，間隔部位晶粒大小沒有明顯變化，但是孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。這是因?yàn)殡S著壓下量的增加，板材變形量逐漸增大。孿晶的產(chǎn)生不是熱激活過程而是應(yīng)力激活過程，隨著壓下量的增大，其所施加應(yīng)力增大，孿晶產(chǎn)生數(shù)量增加，體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。

從圖5中可以看出，板材已經(jīng)發(fā)生了明顯的再結(jié)晶行為。在壓下量14%時(shí)，對(duì)齒部位平均晶粒尺寸發(fā)生細(xì)化約為12μm，晶粒大小不均勻；當(dāng)壓下量為29%時(shí)，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，但是因?yàn)榻M織不均勻，組織內(nèi)明顯存在個(gè)別較大孿晶晶粒，平均晶粒尺寸并沒有明顯改變，約為10μm；當(dāng)壓下量為43%時(shí)，由于壓下量增大晶粒細(xì)化明顯，晶粒尺寸在7μm左右，孿晶消失。這是因?yàn)檩^大的變形量產(chǎn)生的孿晶組織較多，儲(chǔ)存能量較多，在相同條件的中間道次退火過程中容易發(fā)生再結(jié)晶行為，晶粒細(xì)化明顯。

圖4 不同壓下量時(shí)AZ31鎂合金齒間隔部位微觀組織

圖5 不同壓下量時(shí)AZ31鎂合金對(duì)齒部位微觀組織

4 復(fù)合形變溫度對(duì)鎂合金AZ31板材微觀組織的影響

為了進(jìn)一步研究在該工藝下溫度對(duì)板材微觀組織的影響，選取壓下量為14%，溫度分別為150℃、250℃、350℃進(jìn)行研究，不同溫度下最大單道次變形量如表1所示。圖6為不同溫度下變形量為14%時(shí)板材齒間隔部位微觀組織，從圖6中可以看出，隨著溫度的升高，孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，350℃時(shí)基本沒有孿晶產(chǎn)生。這主要是由于鎂合金在低溫下變形，其柱面和錐面滑移系不容易啟動(dòng)，孿生為主要變形機(jī)制之一，隨著溫度的升高，柱面和錐面滑移系的臨界剪切應(yīng)力降低，從而取代孿生，位錯(cuò)的滑移成為主要的變形機(jī)制[9-10]。在相同變形量情況下，孿晶減少直至基本消失。

圖7為不同溫度下變形量為14%時(shí)板材對(duì)齒部位微觀組織。在圖7中可以看到，溫度低于150℃時(shí)，板材對(duì)齒部位產(chǎn)生的孿晶不能在中間道次退火中發(fā)生完全的再結(jié)晶，基本沒有發(fā)生再結(jié)晶，平均晶粒尺寸約為32μm；而在250℃以上時(shí)，板材完成了再結(jié)晶行為，在對(duì)齒部位孿晶消失，250℃晶粒最為均勻細(xì)小約為12μm；在350℃隨著溫度的升高，晶粒不斷變大，這是因?yàn)檫^高的溫度有利于板材晶粒長大，平均晶粒尺寸約為21μm。

圖6 不同形變溫度下變形量為14%時(shí)鎂合金板材齒間隔部位微觀組織

圖7 不同形變溫度下變形量為14%時(shí)鎂合金板材對(duì)齒部位微觀組織

5 結(jié)論

(1)在復(fù)合形變工藝下，隨著齒間比的增大，在齒間隔部位孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，對(duì)齒部位發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，平均晶粒尺寸先減小后增大。當(dāng)齒間比為1∶1時(shí)，平均晶粒尺寸約為17μm；當(dāng)齒間比為1∶3時(shí)，平均晶粒尺寸約為13μm；當(dāng)齒間比為1∶2時(shí)，板材組織較為均勻細(xì)小，平均晶粒尺寸約為7μm。

(2)齒間比1∶2時(shí)，隨著壓下量的增大，在齒間隔部位孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。在對(duì)齒部位隨著壓下量的增大再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，平均晶粒尺寸逐漸減小。當(dāng)壓下量為14%時(shí)，平均晶粒尺寸約為12μm；當(dāng)壓下量為29%時(shí)，平均晶粒尺寸約為10μm；當(dāng)壓下量為43%時(shí)，平均晶粒尺寸約為7μm。

(3)復(fù)合形變溫度對(duì)板材微觀組織有明顯影響，在齒間隔部位隨著溫度的升高，孿晶體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，350℃時(shí)基本沒有孿晶產(chǎn)生。在對(duì)齒部位，150℃以下時(shí)沒有發(fā)生完全再結(jié)晶，晶粒尺寸約為32μm；當(dāng)溫度在250℃以上時(shí)，板材完成了再結(jié)晶行為，在對(duì)齒部位孿晶消失，晶粒最為均勻細(xì)小約為12μm；而在350℃時(shí)隨著溫度的升高，晶粒不斷長大，晶粒尺寸約在21μm左右。

[1]Mordike B L,Ebert T.Magnesium properties applications-protential [J].Materials Science and Engineering A,2001,302(1):37-45.

[2]Kim W J,Lee M J,Lee B H.A strategy for creating ultrafine-grained microstructure magnesium alloy sheets [J].Materials Letters,2010,64(6):647-649.

[3]ZHANG Da-tong,XIONG Feng.Superplasticity of AZ31 magnesium alloy prepared by friction stir proessing [J].Trans.Nonferrous Metals Society of China,2011,21(9):1911-1916.

[4]陳振華,夏偉軍,程永奇.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.

[5]Yang Q,Ghosh A K.Deformation behavior of ultrafine-grain AZ31B Mg alloy at room temperature [J].Acta Materialia,2006,54(19):5159-5170.

[6]Yang Q,Ghosh A K.Production of ultrafine-grain microstructure in Mg alloy by alternate biaxial reverse corrugation [J].Acta Materialia,2006,54(19):5147-5158.

[7]HUANG Guang-sheng,ZHANG Lei,SONG Bo.Cold stamping for AZ31B magnesium alloy sheet of cell phone house [J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2010,20(2):608-612.

[8]張雷,楊續(xù)躍,霍慶歡.AZ31鎂合金板材低溫雙向反復(fù)彎曲變形及退火過程的組織演化[J].金屬學(xué)報(bào),2011,47(8):990-996.

[9]詹美燕,李春明,尚俊玲.鎂合金的塑性變形機(jī)制和孿生變形研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2011,52(2):1-7.

[10]王忠堂,馬康,梁海成，等.溫循環(huán)彎曲對(duì)鎂合金板材組織及力學(xué)性能的影響[J].特種鑄造及有色合金,2013,33(1)：12-14.

TwinsandGrainSizeofAZ31MagnesiumAlloySheetbyCompoundDeformation

CHEN Yongzhi,WANG Zhongtang,FU Hefeng

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159，China)

The law of performance of magnesium alloy AZ31 sheet attected by compound deformation had been researched.The effect of the different deformation ratio,temperature and reduction between teeth on the microstructure of magnesium alloy sheet was compared.The research results show that under the condition of compound deformation,the volume fraction of the twin crystal decreases gradually with the increasing of the tooth space ratio.The average grain size tends to decrease at first and then increase.With the increasing of rolling reduction,the volume fraction of the twin crystal gradually increases,and the average grain size also has a tendency to decrease first and then increase.Excessive reduction will fracture the sheet easily.With the increasing of deformation temperature,the greater deformation degree of sheet had obtained,while the volume fraction of the twin crystal decreases gradually,but the grain size of twin crystal decreases first and then increases.

magnesium alloy AZ31;compound deformation;twins;grain

2013-10-14

沈陽市科技局應(yīng)用基礎(chǔ)計(jì)劃資助項(xiàng)目(F14-231-1-32)

陳永志(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：王忠堂(1962—)男，教授，研究方向：先進(jìn)塑性成形技術(shù).

1003-1251(2014)05-0048-05

TG146.22；TG115.21

A

馬金發(fā))