董 勇，董 明，汪哲能，李 龍，余永成

（1.湖南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，衡陽421002；2.希捷科技蘇州有限公司，蘇州215021；3.衡陽財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，衡陽421002）

0 引 言

鎂合金作為密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度和比剛度高，導(dǎo)熱性、切削加工性和阻尼減振性能好，電磁屏蔽性能強(qiáng)，易回收等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前途的綠色工程材料，在航天航空、汽車、電子電器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，鎂合金板材作為輕量化材料越來越多地應(yīng)用于汽車、飛機(jī)等交通工具［2］。但由于鎂合金板材一般采用小應(yīng)變多道次軋制，生產(chǎn)效率低、成本高，并且道次間的反復(fù)加熱易使變形組織粗化，降低板材的性能，從而嚴(yán)重制約了鎂合金板材的廣泛應(yīng)用［3-4］。

近年來，大應(yīng)變軋制技術(shù)由于操作流程短、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)而備受關(guān)注，并且有望應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)［5］。該技術(shù)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)晶粒細(xì)小、力學(xué)性 能 優(yōu) 異 的 AZ31［6-7］、AZ61［8-9］、AZ91［10］、ZK60［3，11］和 AM60［12］合金板材。鎂合金大應(yīng)變軋制的特殊成形條件及成形機(jī)理與傳統(tǒng)軋制方法存在較大區(qū)別，孿生和動態(tài)再結(jié)晶分別是鎂合金大應(yīng)變軋制前期和后期的主要變形機(jī)制［3，11］，而孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶組織與孿晶密度、孿晶類型密切相關(guān)［13-14］。因此，研究大應(yīng)變軋制過程中孿生的影響因素和控制方法對改善大應(yīng)變軋制工藝具有重要意義。一般而言，影響孿生的因素包括變形溫度、應(yīng)變速率、晶粒大小和晶粒取向等。到目前為止，已有相關(guān)報道就變形溫度［3，9］和應(yīng)變速率［11］對大應(yīng)變軋制的影響進(jìn)行了研究，但關(guān)于初始晶粒尺寸對大應(yīng)變軋制影響的研究還鮮有報道。鑒于此，作者以AZ31鎂合金板為研究對象，采用大應(yīng)變軋制技術(shù)對經(jīng)不同時間退火的板材進(jìn)行軋制，研究了初始晶粒尺寸對其顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為自行熔煉的AZ31鎂合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為95.7%Mg，3.0%Al，1.0%Zn，0.3%Mn。合金的熔煉在中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行，熔煉溫度為760℃，采用RJ-5熔劑作為阻燃劑和凈化劑，待合金熔化后進(jìn)行除渣、精煉、靜置，并在φ160mm的鋼模中進(jìn)行澆注；在390℃對鑄錠均勻化處理10h，然后將其加工成φ140mm的擠壓錠坯；在1 250t臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，擠壓筒直徑為165mm，擠壓前將擠壓錠坯和擠壓筒預(yù)熱至350℃，然后以10mm·s-1的速度進(jìn)行擠壓，得到橫截面為80mm×20mm的板材；將擠壓板材于350℃進(jìn)行退火處理，時間分別為30，60，180min，以獲得具有不同初始晶粒尺寸的板材（將退火時間為30，60，180min的板材分別標(biāo)記為S1、S2和S3試樣）。從退火后的板材上截取尺寸為70mm×70mm×10mm的板材，在φ400mm×600mm的軋機(jī)上進(jìn)行大應(yīng)變軋制，軋輥溫度為室溫，板材加熱溫度為300℃，采用單道次大應(yīng)變軋制，道次壓下量分別為40%和80%，軋制方向沿板材擠壓方向。

采用Olympus BX51M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，腐蝕劑由1g草酸、1mL硝酸和98mL蒸餾水組成；室溫拉伸性能測試在UTM5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，片狀拉伸試樣的標(biāo)距尺寸為15mm×4mm×2mm，拉伸方向?yàn)檐堉品较?，拉伸速度?.5mm·min-1；采用S-3400N型掃描電鏡對拉伸斷口形貌進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 擠壓板材退火前后的顯微組織

由圖1（a）可以看出，合金在擠壓變形過程中發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶，組織得到了一定細(xì)化，但在該擠壓條件下合金的再結(jié)晶并不完全，仍有大量沿擠壓方向被拉長且未發(fā)生再結(jié)晶的大晶粒。由圖1（b～c）可以看出，合金在350℃退火后，發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，變形組織基本消失，并且由于退火溫度較高，再結(jié)晶晶粒明顯長大，退火30，60，180min后的晶粒尺寸分別約為50，100，200μm。

2.2 軋制板材的顯微組織

由圖2可以看出，當(dāng)?shù)来螇合铝繛?0%時，軋制板材的再結(jié)晶在初始晶界處啟動，初始晶粒內(nèi)分布著大量孿晶，并且在孿晶上出現(xiàn)了再結(jié)晶晶粒；初始晶界附近的再結(jié)晶程度隨初始晶粒尺寸的增大而降低，初始晶粒內(nèi)的孿晶密度隨初始晶粒尺寸的增大而升高。當(dāng)?shù)来螇合铝繛?0%時，三種板材的組織均為細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，但再結(jié)晶晶粒的大小和組織均勻性有所不同；S1試樣的再結(jié)晶組織最不均勻，其大晶粒尺寸約為15μm，小晶粒尺寸約為4μm；S3試樣的再結(jié)晶組織較為均勻，其平均晶粒尺寸約為5μm。

鎂合金在軋制過程中容易形成強(qiáng)烈的板織構(gòu)，織構(gòu)是滑移、孿生和晶粒轉(zhuǎn)動共同作用的結(jié)果［15］。根據(jù)軋制成形平均應(yīng)變速率計算公式可知［7］，軋制應(yīng)變速率隨著壓下量的增大而增加，故而，與傳統(tǒng)的小應(yīng)變軋制相比，大應(yīng)變軋制成形時的應(yīng)變速率更高，完成變形的時間更短，可用于滑移的時間也更短［16］。因此，在大應(yīng)變軋制過程中孿生和晶粒轉(zhuǎn)動的作用必須增強(qiáng)才能協(xié)調(diào)板織構(gòu)的形成。孿生作用

的增強(qiáng)使孿晶密度升高，而孿晶與孿晶以及孿晶與位錯之間的相互作用可以促進(jìn)再結(jié)晶晶粒的形核，這種再結(jié)晶機(jī)制被稱為孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶［17］。此外，晶粒轉(zhuǎn)動作用的增強(qiáng)會使晶粒之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，并在晶界附近形成畸變區(qū)，從而成為再結(jié)晶優(yōu)先形核的區(qū)域，這種再結(jié)晶機(jī)制被稱為旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶［18］。結(jié)合圖2分析可知，孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶和旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶分別是AZ31合金大應(yīng)變軋制過程中初始晶粒內(nèi)部和初始晶界附近主要的再結(jié)晶機(jī)制。

圖1 AZ31鎂合金擠壓板材退火前及在350℃退火不同時間后的顯微組織Fig.1 Microstructure of the extrude AZ31 magnesium alloy before annealing（a）and after annealing at 350 ℃for different times（b-d）

圖2 不同晶粒尺寸板材經(jīng)不同壓下量大應(yīng)變軋制后的顯微組織Fig.2 Microstructure of the samples with different grain sizes after large strain rolling with different reductions：（a）S1sample，reduction of 40%；（b）S1sample，reduction of 80%；（c）S2sample，reduction of 40%；（d）S2sample，reduction of 80%；（e）S3sample，reduction of 40%and（f）S3sample，reduction of 80%

值得注意的是，由于晶粒轉(zhuǎn)動需要克服四周晶粒的約束作用，故而晶粒尺寸越小，轉(zhuǎn)動越易發(fā)生。在試驗(yàn)中，隨著板材初始晶粒尺寸的增大，晶粒轉(zhuǎn)動的作用將受到抑制，孿生的作用逐漸增強(qiáng)。因此，初始晶界附近的再結(jié)晶程度隨初始晶粒尺寸的增大而降低，而初始晶粒內(nèi)的孿晶密度隨初始晶粒尺寸的增大而升高。此外，再結(jié)晶機(jī)制也隨初始晶粒尺寸的改變而發(fā)生變化。晶粒尺寸較小時，再結(jié)晶機(jī)制為孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶和旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶共同作用；晶粒尺寸較大時，再結(jié)晶機(jī)制以孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶為主導(dǎo)。由于影響孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶和旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶的因素不相同［19］，在試驗(yàn)條件下通過兩種機(jī)制形成的再結(jié)晶晶粒尺寸也有所區(qū)別，從而造成了S1試樣再結(jié)晶組織均勻性較差，而S3試樣再結(jié)晶組織則較為均勻。

2.3 軋制板材的力學(xué)性能

由圖3和表1可見，經(jīng)大應(yīng)變軋制后，板材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均隨初始晶粒尺寸的增大而升高，其中S1試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為288.1MPa，190.7MPa和20.8%，S3試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為311.3MPa，206.8MPa和28.3%。

圖3 不同初始晶粒尺寸試樣經(jīng)壓下量為80%的大應(yīng)變軋制后的室溫拉伸曲線Fig.3 Room temperature tensile curves of the samples with different grain sizes after large strain rolling with reduction of 80%

影響金屬材料力學(xué)性能的因素較多，其中材料的平均晶粒尺寸和組織均勻性起關(guān)鍵作用。不均勻的組織在變形時容易出現(xiàn)應(yīng)力分布不均，并導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而引起塑性下降。另外，由Hall-Petch公式可知，細(xì)化晶粒尺寸可以提高材料的強(qiáng)度。結(jié)合圖2中三種板材的顯微組織可知，初始晶粒尺寸越大，軋制后板材的晶粒尺寸越小、組織越均勻。因此AZ31鎂合金板材的強(qiáng)度和伸長率均隨初始晶粒尺寸的增大而升高。

從圖4中可以看出，S1和S3試樣的拉伸斷口基本被韌窩均勻地覆蓋，說明其斷裂方式為韌性斷裂；S3試樣拉伸斷口上的韌窩尺寸和深度均大于S1試樣的，說明S3試樣的伸長率優(yōu)于S1試樣的，與拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致。

表1 不同初始晶粒尺寸試樣經(jīng)壓下量為80%的大應(yīng)變軋制后的室溫拉伸性能Tab.1 Room temperature tensile properties of the samples with different initial grain sizes after large strain rolling with reduction of 80%

圖4 不同初始晶粒尺寸試樣經(jīng)壓下量為80%的大應(yīng)變軋制后的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture images of the samples with different initial grain sizes after large strain rolling with reduction of 80%：（a）S1sample and（b）S3sample

3 結(jié) 論

（1）孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶和旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶是AZ31鎂合金板材大應(yīng)變軋制過程中主要的再結(jié)晶機(jī)制。

（2）隨著初始晶粒尺寸的增大，晶粒轉(zhuǎn)動作用受到抑制，孿生作用增強(qiáng)，再結(jié)晶機(jī)制由孿生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶和旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶共同作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫\生誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶為主導(dǎo)，從而獲得均勻的再結(jié)晶組織和更為優(yōu)異的力學(xué)性能。

（3）壓下量為80%時，初始大尺寸晶粒軋制板材（S3試樣）的平均晶粒尺寸為5μm，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為311.3MPa，206.8MPa和28.3%。

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