李玉平，劉崇宇,*，姜艷麗，羅 鯤

低溫退火處理對(duì)熱軋態(tài)AZ31鎂合金微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響

李玉平1,2，劉崇宇1,2,*，姜艷麗1,2，羅 鯤1,2

(1.廣西有色金屬及特色材料加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

對(duì)熱軋態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行170 ℃退火處理。采用金相顯微鏡對(duì)樣品的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。力學(xué)性能表明，AZ31的顯微硬度值隨退火時(shí)間呈先減小后增加，最后又減小的趨勢(shì)。最后對(duì)AZ31的強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了分析和討論。

AZ31；退火處理；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

0 引 言

鎂合金以其密度小、比強(qiáng)度及比剛度高、阻尼性及切削加工性好、電磁屏蔽及導(dǎo)熱能力強(qiáng)、減震性好、易回收等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。其中AZ31鎂合金在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中具有非常廣闊的應(yīng)用前景[2]。

軋制是生產(chǎn)金屬板材的重要方法之一[3-4]。由于鎂的晶體結(jié)構(gòu)為滑移系較少的密排六方結(jié)構(gòu)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，通常采用熱軋成型技術(shù)來(lái)避免變形過(guò)程中的開裂現(xiàn)象。退火處理可有效地消除由加工引起的殘余內(nèi)應(yīng)力，起到改良板材力學(xué)性能的目的。目前，AZ31鎂合金的退火溫度集中在200 ℃以上[5-7]，對(duì)于低溫退火的研究相對(duì)較少。

本文對(duì)高溫軋制后的AZ31鎂合金板材進(jìn)行不同時(shí)間的170 ℃低溫退火處理，研究退火時(shí)間對(duì)熱軋態(tài)AZ31鎂合金微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用1.5 mm厚的AZ31鎂合金為原材料，其化學(xué)成分見表1。采用直徑為300 mm、長(zhǎng)度為220 mm的實(shí)驗(yàn)用軋機(jī)進(jìn)行軋制。

表1 AZ31鎂合金化學(xué)組成

將AZ31放入溫度為530 ℃的馬弗爐中，加熱10 min后進(jìn)行單道次軋制，軋制速度為0.4 m/s，壓下量為60%。熱軋后的樣品迅速水冷至室溫后進(jìn)行170 ℃等溫退火處理。退火時(shí)間為0.5～10 h。

采用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡分別對(duì)熱軋態(tài)和退火態(tài)AZ31鎂合金的微觀組織進(jìn)行觀察。采用FM-ARS 9000型維氏硬度計(jì)對(duì)樣品的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，硬度實(shí)驗(yàn)載荷為25 N，加載時(shí)間為10 s。每個(gè)樣品測(cè)試10次，取平均值為試樣的顯微硬度值。

2 結(jié)果及討論

固溶態(tài)AZ31鎂合金的掃描電子顯微鏡照片見圖1，固溶態(tài)AZ31的晶粒形態(tài)為等軸狀，尺寸約20 μm。

圖1 固溶態(tài)AZ31掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM image of the solid solution treatment AZ31

AZ31鎂合金經(jīng)過(guò)60%變形量熱軋后的顯微組織照片見圖2。由圖2(a)可見，熱軋態(tài)AZ31的微觀形貌為由被拉長(zhǎng)的纖維狀晶粒和細(xì)小的等軸晶粒組成的混晶結(jié)構(gòu)。細(xì)小晶粒圍繞在纖維晶粒周圍，形成大量變形帶。圖2(b)為該樣品的高倍顯微組織照片，由圖2(b)可見熱軋態(tài)AZ31內(nèi)細(xì)小鎂晶粒的尺寸約為2 μm。AZ31在熱軋過(guò)程中，鎂晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小等軸晶粒[8]，由于熱軋后樣品迅速水冷至室溫，快速冷卻抑制了再結(jié)晶晶粒的增長(zhǎng)。

圖2 熱軋態(tài)AZ31光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 OM micrographs of the hot rolled treatment AZ31

170 ℃條件下不同退火時(shí)間制備的退火態(tài)AZ31的光學(xué)照片見圖3。圖3(a)為退火0.5 h后的顯微照片，由圖3(a)可見，170 ℃退火處理0.5 h后AZ31板材的微觀組織仍然以拉長(zhǎng)晶粒為主，但是與熱軋態(tài)AZ31的微觀結(jié)構(gòu)(圖2)相比，粗大的鎂晶粒發(fā)生了再結(jié)晶，而細(xì)小晶粒出現(xiàn)了晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。由于退火溫度較低，再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大速度均較緩慢。

圖3 退火態(tài)AZ31光學(xué)顯微照片，170 ℃退火 Fig.3 OM micrographs of annealed treatment AZ31 processed by different annealing time under 170 ℃

由圖3(a)～圖3(d)可見，隨著退火時(shí)間的增加，原始粗大的晶粒逐漸被再結(jié)晶晶粒取代；變形帶中的細(xì)小晶粒尺寸逐漸增加直至變形帶消失。圖3(d)顯示AZ31在170 ℃退火6 h后發(fā)生了完全再結(jié)晶，微觀結(jié)構(gòu)為均勻的等軸晶組織。晶粒尺寸為5～10 μm。繼續(xù)增加退火時(shí)間，樣品的部分區(qū)域出現(xiàn)大晶粒組織，見圖3(e)。這表明AZ31再結(jié)晶完成后，長(zhǎng)保溫時(shí)間促使部分鎂晶粒發(fā)生粗化。對(duì)比其他學(xué)者[7]的研究結(jié)果可見，與高溫退火工藝(200 ℃)相比，低溫退火條件下，AZ31完成完全再結(jié)晶和再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大所需時(shí)間明顯增加。

熱軋后AZ31顯微硬度隨退火時(shí)間的變化曲線見圖4，熱軋態(tài)AZ31的硬度為87.5 Hv，隨著退火時(shí)間的增加，AZ31的硬度出現(xiàn)先降后升，最后又下降的趨勢(shì)。

圖4 熱軋后AZ31顯微硬度隨退火時(shí)間變化曲線Fig.4 Hardness of the hot rolled AZ31 with different annealing times

熱軋態(tài)AZ31的微觀結(jié)構(gòu)是由被拉長(zhǎng)的纖維狀晶粒、細(xì)小等軸晶粒和變形帶混合而成。由于該樣品細(xì)小晶粒所占體積比較低，所以該樣品的主要強(qiáng)化方式為軋制變形引起的加工硬化。對(duì)熱軋態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行170 ℃退火后，樣品的細(xì)小晶粒不斷粗化且變形帶逐漸消失，進(jìn)而導(dǎo)致AZ31的加工硬化效果不斷下降，樣品退火處理3 h后，硬度值達(dá)到最低點(diǎn)，僅為72.88 Hv。

隨退火時(shí)間的增加，熱能驅(qū)使鎂晶粒內(nèi)部的小角晶界不斷向高角晶界轉(zhuǎn)化，最終亞晶完全轉(zhuǎn)化為獨(dú)立晶粒。當(dāng)退火時(shí)間增至6 h時(shí)，AZ31微觀結(jié)構(gòu)為均勻的等軸晶組織，再結(jié)晶過(guò)程得以徹底完成。由圖3(d)可見AZ31完全再結(jié)晶晶粒尺寸僅為5～10 μm。與其它條件下制備的樣品相比，該樣品平均晶粒尺寸為最低值。在晶體材料中，晶粒尺寸對(duì)材料力學(xué)性能起著特別重要的作用。根據(jù)霍爾-佩吉關(guān)系可知，材料屈服強(qiáng)度隨著材料平均晶粒尺寸的減少而增加。通常，材料晶粒尺寸越小，晶界數(shù)量越多，晶界對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用越強(qiáng)，材料表現(xiàn)出越高的硬度。因此，退火6 h后AZ31的細(xì)晶強(qiáng)化效果最高，硬度值達(dá)到峰值，為90.53 Hv。當(dāng)退火時(shí)間>6 h后，部分AZ31晶粒出現(xiàn)粗化現(xiàn)象。粗大晶粒弱化了材料的細(xì)晶強(qiáng)化效果，因此，AZ31的硬度值出現(xiàn)了下降現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

對(duì)熱軋態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行退火處理，對(duì)不同

條件下制備的樣品微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行表征和分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)AZ31鎂合金經(jīng)過(guò)530 ℃固溶處理和60%變形量的熱軋后，微觀形貌為由被拉長(zhǎng)的纖維狀晶粒和細(xì)小的等軸晶粒組成的混晶結(jié)構(gòu)。

2)隨退火時(shí)間的增加，熱軋態(tài)AZ31變形帶中的細(xì)小晶粒逐漸發(fā)生粗化，變形導(dǎo)致的纖維狀晶粒轉(zhuǎn)化為等軸晶粒。再結(jié)晶過(guò)程完成后，出現(xiàn)了再結(jié)晶晶粒粗化現(xiàn)象。與高溫退火工藝相比，低溫退火條件下，AZ31完成完全再結(jié)晶和再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大所需時(shí)間明顯增加。

3)AZ31的顯微硬度值呈現(xiàn)出隨退火時(shí)間的增加而先減少后增加，最后又減小的趨勢(shì)。

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Effect on the microstructures and mechanical properties of hot rolled AZ31 Mg alloy with low temperature aging treatment

LI Yu-Ping1,2, LIU Chong-Yu1,2,*, JIANG Yan-Li1,2, LUO Kun1,2

(1.Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous Metal & Materials, Ministry of Education, Guilin 541004, Guangxi,China; 2.School of Materials Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

Hot rolled AZ31 Mg alloys were annealed at 170 ℃. Microstructures of the samples were examined via optical microscopy. The mechanical properties showed that the hardness value of annealed AZ31 Mg alloys was reduced firstly and then increased, and finally reduced after a peak value. The main strengthening mechanisms of different samples were discussed.

AZ31; annealing; microstructures; mechanical properties

10.13524/j.2095-008x.2015.01.012

2014-09-01;

2014-10-20

桂林理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(65030201);廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014GXNSFAA118351)

李玉平(1986-)，女，廣西桂林人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：冶金分析，E-mail:Lanyu861015@163.com;*通訊作者：劉崇宇(1984-)，男，遼寧營(yíng)口人，講師，博士，研究方向：有色金屬材料加工，E-mail:lcy261@glut.edu.cn。

TG146.22

A

2095-008X(2015)01-0056-04