張丁非,耿青梅,楊緒盛,余大亮,潘復(fù)生
(1重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400045;2國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,重慶400044)
對(duì)于鎂合金來說,等通道角擠壓(ECAP)可以通過多道次擠壓的應(yīng)變累積,獲得細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,制備出超細(xì)晶結(jié)構(gòu)材料,提高材料性能[1-3]。但二次變形或多次變形需要多套模具的設(shè)計(jì)與制造,增加了設(shè)計(jì)成本,也會(huì)造成生產(chǎn)效率低下。故設(shè)計(jì)了經(jīng)過壓縮減徑后即進(jìn)行連續(xù)二次剪切的新型復(fù)合擠壓方式[4],將正擠壓(Extrusion)和剪切(Shear)結(jié)合,即ES擠壓。根據(jù)經(jīng)典的等通道擠壓理論[5],ES變形方式是金屬材料經(jīng)過正擠壓得到所需尺寸后,經(jīng)過一次等通道擠壓(圖1(a)),再繞軸旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)行第二次等通道擠壓(圖1(b)),實(shí)際上是等通道擠壓C路徑的模式,且通過兩次擠壓剪切后,坯料外形不發(fā)生變化[5]。該種變形方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的一次性變形,使其同時(shí)獲得擠壓和剪切的效果,以期得到較好的綜合性能。
實(shí)驗(yàn)所用材料為鎂合金商業(yè)鑄錠AZ61,其成分如表1所示。
圖1 具有兩個(gè)道次的等通道擠壓的剪切模式[5](a)一次等通道擠壓;(b)二次等通道擠壓Fig.1 Shear mode of equal channel angular pressing with two consecutive passes[5](a)1pass;(b)2pass(route C)
表1 AZ61鎂合金的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Composition of AZ61alloy(mass fraction/%)
ES模具實(shí)物圖如圖2所示。通道轉(zhuǎn)角為135°。
圖2 ES內(nèi)模實(shí)物圖Fig.2 Die of extrusion shear
待擠壓試樣加工尺寸φ80mm×170mm,擠壓比為12,擠壓溫度分別為380,400,440℃。擠壓前坯料在擠壓溫度下預(yù)熱2h,模具、擠壓筒和擠壓墊須在低于擠壓溫度20℃下預(yù)熱2h,以抵消擠壓時(shí)由于摩擦和變形引起的溫升。在由國家鎂合金工程技術(shù)研究中心提供的XJ-500T臥式擠壓機(jī)上,對(duì)AZ61進(jìn)行新型復(fù)合擠壓方式進(jìn)行擠壓。
對(duì)擠壓后樣品進(jìn)行金相分析、硬度測(cè)試以及拉伸斷口掃描實(shí)驗(yàn)。金相腐蝕劑為苦味酸溶液(1mL冰醋酸+1g苦味酸+2mL蒸餾水+20mL酒精),制得試樣在激光共聚焦顯微鏡(型號(hào):LEXT OLS4000 3D)下進(jìn)行光學(xué)顯微組織觀察;硬度測(cè)試所用儀器為Microhardness Tester HV-1000型顯微硬度計(jì),加載載荷50g,加載時(shí)間20s;拉伸實(shí)驗(yàn)在新三思萬能電子試驗(yàn)機(jī)CMT-5150上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)拉伸速率為3mm/min,在VEGA3TESCAN掃描電子顯微鏡上進(jìn)行斷口形貌觀察。
對(duì)三個(gè)溫度擠壓后的棒材進(jìn)行了顯微組織分析和力學(xué)性能測(cè)試,獲得了新型復(fù)合擠壓中溫度對(duì)鎂合金擠壓棒材組織和性能的影響規(guī)律。
圖3為AZ61鎂合金在擠壓比為12,加熱溫度為380,400,440℃時(shí),經(jīng)ES擠壓剪切變形后試樣顯微組織。從圖3中可以看出,380℃時(shí),鎂合金經(jīng)過ES模具中兩次轉(zhuǎn)角的擠壓、剪切變形后,組織內(nèi)部發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,形成細(xì)小的等軸晶;但還可以看到組織內(nèi)存在較大的晶粒,這是因?yàn)樵俳Y(jié)晶進(jìn)行的不夠充分,即不完全再結(jié)晶;并且在該溫度下,組織內(nèi)部第二相分布較多。變形溫度提升為400℃時(shí),試樣組織(圖3(b))呈現(xiàn)均勻分布的細(xì)小等軸晶狀,晶粒尺寸由380℃的11.6μm細(xì)化至10.2μm,該溫度下試樣經(jīng)過復(fù)合擠壓變形后發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[6];該溫度下第二相有稍微減少。變形溫度升高為440℃時(shí)(圖3(c)),晶粒出現(xiàn)了明顯長大趨勢(shì),晶粒尺寸為16.5μm;因?yàn)樽冃螠囟雀撸欣趧?dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行,但晶界擴(kuò)散和晶界遷移能力增強(qiáng),引起晶粒長大;該溫度下第二相依然存在。
圖3 不同試樣組織 (a)380℃;(b)400℃;(c)440℃Fig.3 Microstructure of different samples(a)380℃;(b)400℃;(c)440℃
圖4展示了ES擠壓前后第二相的分布變化情況。圖4(a)為鑄態(tài)AZ61的低倍掃描圖片,從方框標(biāo)記處可以看到分布有較多的“骨骼狀”第二相[6]。ES變形后,“骨骼狀”物質(zhì)被吞噬,第二相分布變得相對(duì)均勻。圖4(b)為380℃下變形后形貌,第二相相對(duì)鑄態(tài)時(shí)變得細(xì)小分散,尚存在個(gè)別大顆粒狀物質(zhì);圖4(c)顯示400℃條件下ES變形后,相對(duì)380℃時(shí)第二相變得更彌散化,且更細(xì)??;440℃(圖4(d))時(shí),第二相細(xì)小且彌散均勻,但由于變形溫度的升高,溶解了部分第二相,宏觀上顯示相對(duì)400℃時(shí)第二相減少。
圖4 不同試樣SEM形貌(a)鑄態(tài);(b)ES380℃;(c)ES400℃;(d)ES440℃Fig.4 SEM morphology of different samples(a)as-cast;(b)ES380℃;(c)ES400℃;(d)ES440℃
硬度測(cè)試時(shí)在每個(gè)試樣上測(cè)25個(gè)點(diǎn)的硬度,取平均值,測(cè)試結(jié)果見表2。
380℃和400℃變形條件下,材料硬度值接近;當(dāng)ES變形溫度升至440℃時(shí),硬度值減小6HV。從組織分析中可知,溫度從380℃升至400℃時(shí),材料經(jīng)ES變形后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得更充分,材料組織變得更加細(xì)小均勻。但ES變形過程中,加工硬化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶共同作用,從硬度值結(jié)果可知,400℃下,加工硬化作用依然處于主導(dǎo)地位。440℃時(shí),晶粒出現(xiàn)長大,硬度降低,性能下降。
表2中分布的鑄態(tài)AZ61及經(jīng)過ES變形后試樣的室溫拉伸性能顯示,經(jīng)過ES擠壓剪切后,材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長率均得到明顯提高。對(duì)于新型復(fù)合擠壓,變形溫度從380℃升至400℃時(shí),其強(qiáng)度沒有變化,伸長率有略微提高,從組織分析中也可看到,400℃時(shí)組織相對(duì)380℃時(shí)較均勻。但溫度升至440℃時(shí),屈服強(qiáng)度下降較多,抗拉強(qiáng)度和伸長率也有略微下降,這是由于晶粒長大引起的塑性降低。此外,在室溫拉伸性能測(cè)試時(shí),彌散分布的第二相可以作為應(yīng)力集中點(diǎn)及裂紋源存在,促使材料斷裂[7];但細(xì)晶強(qiáng)化在鎂合金性能變化中占了主導(dǎo)地位[8]。通過比較,AZ61鎂合金在400℃時(shí)的ES變形綜合性能較好。
表2 AZ61鎂合金力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of AZ61magnesium alloy
分別對(duì)鑄態(tài)AZ61鎂合金及經(jīng)過ES變形的樣品進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn),其斷口形貌如圖5。AZ61鎂合金鑄態(tài)試樣拉伸斷裂處的撕裂嶺和撕裂線都呈山脊?fàn)?,背部比較尖銳,亮度較大,裂面中心部位亮度較低,為準(zhǔn)解理斷口,屬于典型的脆性斷裂。經(jīng)過ES擠壓剪切熱變形后,斷口的形貌變得不同。但在三個(gè)變形溫度下,斷口呈現(xiàn)相似的特征。圖5(b),(c)的斷口形貌中均有大量韌窩,韌窩邊緣類似尖棱,故亮度較大,韌窩底部較平坦,圖像亮度低,且少許韌窩的中心部有第二相小顆粒,屬于韌性斷裂。380℃ES變形后,在斷口中可看到韌窩邊部和心部亮度差異較400℃變形后大,因?yàn)轫g窩深淺差異越大,亮度越高,這樣的組織更不均勻。此外,Mg17Al12屬于脆性化合物相,其形態(tài)分布對(duì)于斷裂有影響,如果Mg17Al12相連續(xù)分布在晶界,會(huì)促使裂紋擴(kuò)展進(jìn)而引起脆斷[9]。故鑄態(tài)AZ61易脆斷,而經(jīng)過ES熱變形后,斷面韌窩分布較多且相對(duì)均勻,轉(zhuǎn)向韌性斷裂。鑄態(tài)中的脆性化合物經(jīng)過擠壓剪切破碎及再結(jié)晶,分布均勻,故400℃和440℃條件下的斷口中韌窩邊緣和中心部位亮度對(duì)比度低于380℃ES變形后;但是在440℃時(shí),溫度的升高使得晶粒長大,斷口中韌窩較400℃條件下的稍大??傊?,ES熱變形使得晶粒細(xì)化,材料強(qiáng)度及韌性得到較大提高[10]。
圖5 斷口形貌 (a)鑄態(tài);(b)380℃;(c)400℃;(d)440℃Fig.5 Fractography of AZ61magnesium alloy(a)as-cast;(b)380℃;(c)400℃;(d)440℃
(1)對(duì)鑄態(tài)AZ61鎂合金進(jìn)行擠壓比為12的新型復(fù)合擠壓,380℃和400℃均發(fā)生了不同程度的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,400℃時(shí)組織由等軸細(xì)晶組成,440℃時(shí),晶粒出現(xiàn)長大。
(2)AZ61鎂合金ES變形后,400℃時(shí)材料綜合性能最好,其抗拉強(qiáng)度為296.7MPa,屈服強(qiáng)度158.9MPa,伸長率為15.4%。
(3)鑄態(tài)AZ61拉伸斷口為典型的脆性斷裂,三個(gè)溫度下ES變形后,斷口均呈現(xiàn)韌性斷裂的特征。
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