孫書娟，季業(yè)益，李強(qiáng)偉

（1.蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，蘇州 215124；2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215003；3.蘇州大學(xué)工程訓(xùn)練中心，蘇州 215123）

0 引言

現(xiàn)代汽車工業(yè)設(shè)計(jì)和制造的主流方向是汽車輕量化，以減少燃料消耗、降低排氣污染和提高汽車安全性[1]。由于鎂合金密度較低，比強(qiáng)度和比剛度較高，阻尼減震性較好，導(dǎo)熱性較好，電磁屏蔽效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是汽車輕量化的首選材料，在汽車車身、輪轂以及其他零部件上已廣泛應(yīng)用[2,3]。然而由于鎂合金特殊的密排六方結(jié)構(gòu)，低溫下只能提供兩個(gè)基面滑移系，不能夠滿足米塞斯屈服準(zhǔn)則要求的五個(gè)獨(dú)立的滑移系，故表現(xiàn)出較差的塑性能力。如何提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)，并被廣泛開展。研究表明，熱處理、細(xì)化晶粒、合金化等方法能夠有效的提高鎂合金的強(qiáng)度。尤其是細(xì)化晶粒，其不僅能夠提高鎂合金材料的強(qiáng)度，塑性和韌性也隨之提高，成為最受青睞的方法。劇烈塑性變形作為一種細(xì)化晶粒的方法，由于其簡(jiǎn)單的加工過程和以及能夠制備納米晶而廣泛關(guān)注。高壓扭轉(zhuǎn)、等徑角擠壓、累積疊軋等劇烈塑性變形方法被方法開展，而等徑角擠壓時(shí)最常見的方法。鎂合金是對(duì)溫度敏感的材料，當(dāng)溫度升高至175℃，棱柱面a滑移開動(dòng)，225℃錐面a+c滑移開動(dòng)，極大的提高了材料的塑性變形能力[4]。

關(guān)于鎂合金的等徑角擠壓一般是通過正常的等截面變形方法獲得[5～7]，而關(guān)于增量鎂合金等通道角擠壓還鮮有報(bào)道，因此為了更好的提高鎂合金的塑性和強(qiáng)度，本文簡(jiǎn)單的研究了增量等通道角擠壓對(duì)AZ31鎂合金的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)采用商業(yè)直徑16mmAZ31鎂合金棒材，取擠壓試樣其橫截面而10mm×10mm，長(zhǎng)為120mm。隨后在250℃下進(jìn)行不同路徑增量等徑角擠壓（I-ECAP）A、Bc、C，以二硫化鉬為潤(rùn)滑劑。等通道角擠壓4道次之后，取試樣進(jìn)行室溫單軸拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)。圖1所示為I-ECAP示意圖， 其中A、B為材料輸送模具，C為工作模具，B與C沒有接觸。初始階段，材料從a方向送入，至不能夠運(yùn)動(dòng)，工作模具C進(jìn)行運(yùn)動(dòng)引入剪切變形至紅色虛線處所示。

圖1 I-ECAP變形示意圖

取I-ECAP試樣和原始試樣制備拉伸和壓縮試樣。拉伸試樣標(biāo)距尺寸為寬×長(zhǎng)為2.5mm×14mm，厚度為2mm；壓縮試樣尺寸高和直接分別為8mm×7mm。實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)變速率為1×10-3s-1，在室溫下開展進(jìn)行。

原始和I-ECAP試樣通過金相進(jìn)行組織觀察。通過在600,800,1000,1200,1400的砂紙上進(jìn)行研磨，隨后通過1ml冰醋酸+10ml酒精+過飽和苦味酸進(jìn)行腐蝕。

2 結(jié)果與討論

圖2所示為熱擠壓鎂合金棒材原始金相顯微組織，圖中可以看出，小晶粒分布在粗大晶粒周圍，粗晶晶粒尺寸約為83μm，而細(xì)小晶平均晶粒尺寸約為12μm，這主要是由于熱擠壓過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的結(jié) 果[8～10]，如圖2(b)所示。

圖2 AZ31鎂合金金相顯微組織

圖3為250℃下進(jìn)行不同路徑I-ECAP4道次后以及原始試樣真實(shí)拉伸-壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。A為單向擠壓，B為單向每道次旋轉(zhuǎn)90°，C為單向每道次旋轉(zhuǎn)180°。可以看出，與原始擠壓板材相比，經(jīng)過不同方向的I-ECAP后塑性均獲得提高，經(jīng)過A，Bc，C路徑進(jìn)行I-ECAP后，拉伸斷裂延伸率分別提高了55%，156%和155%，尤其是經(jīng)過Bc和C路徑進(jìn)行I-ECAP塑性獲得極大的提高。對(duì)于強(qiáng)度，原始和不同路徑I-ECAP試樣的大約為290MPa，也就是說增量等徑角擠壓對(duì)鎂合金的抗拉強(qiáng)度的影響很小。而對(duì)于屈服強(qiáng)度，原始，I-ECAP路徑A，B，C分別為 220，150， 95和60MPa，獲得持續(xù)的減小。同樣不同路徑，A，B，C進(jìn)行I-ECAP后其屈服強(qiáng)度隨之逐漸降低。

圖3 原始和I-ECAP試樣室溫拉伸-壓縮真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4所示為AZ31鎂合金板材增量等徑角擠壓后金相顯微組織和晶粒尺寸分布圖。通過截線法對(duì)經(jīng)過路徑A，Bc和C擠壓的鎂合金材料晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其分別為5.51μm，5.42μm，5.37μm。也就是說，不同的方向路徑進(jìn)行增量等徑角擠壓對(duì)鎂合金的組織均勻性和晶粒尺寸沒有很大影響。具有代表性經(jīng)過路徑A擠壓的晶粒分布組織如圖4所示?？梢钥闯觯^50%的晶粒尺寸在3μm～6μm，而又4%的粗大晶粒，尺寸約為12μm～30μm，這主要由于再結(jié)晶行為的開動(dòng)，再結(jié)晶小晶粒分布在初始大晶粒周圍。

圖4 AZ31鎂合金板材I-ECAP路徑A擠壓金相顯微組織和晶粒尺寸分布

圖5所示為AZ31鎂合金初始板材拉伸和壓縮后金相顯微組織，從中可以看出，原始試樣拉伸后粗大晶粒尺寸要大于50μm，并且在粗晶內(nèi)部出現(xiàn)大量的孿晶。從局部放大組織圖5(b)中可以看出，這些孿晶橫穿粗晶，而細(xì)小晶粒內(nèi)部沒有孿晶出現(xiàn)。而壓縮至應(yīng)變0.1時(shí)，在壓縮組織中也可以看到大量孿晶，說明即使是較小的變形在壓縮過程中也會(huì)使得孿生開動(dòng)，這與鎂合金孿晶的極性有關(guān)[11～13]。

圖5 原始AZ31鎂合金金相顯微組織

圖6所示為不同路徑等徑角擠壓后拉伸金相顯微組織，可以看出在較小的晶粒尺寸組織內(nèi)部進(jìn)行拉伸變形，有很少的孿晶出現(xiàn)，孿生變形受到抑制。而相應(yīng)的出現(xiàn)一系列的剪切帶，經(jīng)過路徑A擠壓，其剪切帶平行于拉伸方向出現(xiàn)，組織中如黑色區(qū)域；經(jīng)過路徑B和C進(jìn)行擠壓后，剪切帶與TD方向呈45°方向分布，并且剪切帶越來越不容易被觀察。在細(xì)晶組織內(nèi)部出現(xiàn)剪切帶的原因還不清楚。Lapovok等[14]指出AZ31鎂合金在250℃進(jìn)行1道次ECAP時(shí)，剪切帶出現(xiàn)，然而剪切帶對(duì)拉伸變形的研究沒有開展。在本文中，剪切帶在經(jīng)過4道次ECAP時(shí)沒有出現(xiàn)，只在拉伸過程中出現(xiàn)，與其有著不同的現(xiàn)象。同時(shí)，剪切帶以外的晶粒尺寸大小相近，說明剪切帶與晶粒尺寸沒有直接的聯(lián)系。

圖6 不同路徑等徑角擠壓后拉伸金相顯微組織

3 結(jié)論

通過對(duì)AZ31鎂合金熱軋板材進(jìn)行增量等通道角擠壓研究了不同路徑A、B和C對(duì)其的組織和性能的影響。通過增量等通道角擠壓后，組織得到極大的細(xì)化，晶粒尺寸由原始的粗大晶粒50μm細(xì)化至5.5μm左右，不同路徑對(duì)晶粒尺寸沒有較大的影響。拉伸屈服強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度在A、B、C路徑I-ECAP后隨之降低，延伸率獲得提高。隨后在單軸拉伸過程中，剪切帶出現(xiàn)在經(jīng)過I-ECAP的試樣中，剪切帶的出現(xiàn)可能與等徑角擠壓引入的剪切變形以及晶粒轉(zhuǎn)變有關(guān)。

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