閆信行，王忠堂，梁海成，趙 暉

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

鎂合金材料在常溫下塑性成形能力差的特點極大地限制了鎂合金材料的開發(fā)和應(yīng)用。激烈切向變形是鎂合金板材產(chǎn)生多孿晶、多孿晶滑移系和動態(tài)再結(jié)晶的重要方法之一，可以實現(xiàn)孿生誘發(fā)再結(jié)晶及織構(gòu)弱化，有效改善鎂合金板材各個方向上的孿晶組織及織構(gòu)分布，進而提高鎂合金板材的力學(xué)性能和室溫成形性能。曹鳳紅等[1]研究了AZ61鎂合金經(jīng)過擠壓-鍛造變形后的微觀組織演變規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸由鑄造狀態(tài)的121μm細化到5μm，室溫下抗拉強度為315MPa，屈服強度為227MPa，伸長率為20%，與鑄造狀態(tài)相比，分別提高了42%、76%和71%。鎂合金材料在室溫變形時，隨著晶粒尺寸的減小，拉伸變形時出現(xiàn)明顯的由非基滑移向基滑移為主的轉(zhuǎn)變，壓縮變形時出現(xiàn)由孿生向基滑移的轉(zhuǎn)變。此外，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，發(fā)生了從孿晶滑移到基滑移的過渡[2]。Yang等[3]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過雙向交替扭轉(zhuǎn)彎曲(ABRC)變形后的AZ31B鎂合金板材板料的晶粒得到明顯細化，晶粒尺寸達到3μm。陳慧聰?shù)萚4]研究了軋制態(tài)AZ31鎂合金板材經(jīng)過交叉預(yù)壓縮變形之后的微觀組織演變規(guī)律，孿晶組織有效地改變了晶粒的取向，削弱了基面織構(gòu)，提高了鎂合金材料的變形能力。程偉麗等[5]研究了反向擠壓變形鎂合金時表現(xiàn)出的高強度和超細晶粒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過變形溫度為250℃的反向擠壓變形后，粗晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉容S晶粒，平均晶粒尺寸達到1.92μm，屈服強度達到285MPa。在相同變形參數(shù)條件下，鍛造AZ31鎂合金比壓縮AZ31鎂合金更容易發(fā)生孿生變形，產(chǎn)生孿晶組織[6]。擠壓態(tài)AZ31鎂合金的顯微組織特征是沿擠壓方向延伸的大面積細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒和粗大的非再結(jié)晶晶粒共存。在等軸動態(tài)再結(jié)晶晶粒中，孿晶最初發(fā)生在宏觀屈服應(yīng)力之前，宏觀屈服應(yīng)力受孿晶控制[7]。在AZ31鎂合金的熱變形過程中，發(fā)現(xiàn)了兩種類型的孿晶[8]，一種是在晶界處成核的滑移輔助孿晶，而附近孿晶對孿晶沒有明顯的影響，另外一種是孿晶輔助的孿晶通過晶界傳播。在AZ31鎂合金變形孿晶過程中，孿晶形核主要受晶粒尺寸和體相位錯密度的控制，而孿晶擴展主要受晶界長度、晶界面與RD面的夾角和晶界取向差的影響[9]。當(dāng)AZ31鎂合金經(jīng)過正擠壓和扭轉(zhuǎn)變形后，由重累積應(yīng)變而引起動態(tài)再結(jié)晶，其晶粒得到細化，基面織構(gòu)顯著弱化[10]。變形鎂合金的力學(xué)性能主要受顯微組織和晶粒取向或織構(gòu)的控制。靜態(tài)析出物只在再結(jié)晶晶粒的晶界處大量出現(xiàn)，在退火過程中會阻礙晶粒長大。在再結(jié)晶晶晶界處存在沉淀物也延緩了退火期間基體織構(gòu)的加強[11]。鎂合金AZ31管材在軋制過程中，由于孿生和滑移的結(jié)合，可提高其塑性變形性能，當(dāng)變形程度控制在11%～15%時，可獲得很好的管材表面質(zhì)量和力學(xué)性能[12]。曲家惠等[13]研究了AZ31鎂合金擠壓變形過程中的織構(gòu)演變規(guī)律，增加擠壓比有利于弱化{0110}面織構(gòu)。當(dāng)變形溫度較低時，織構(gòu)組分主要是以{0110}面纖維織構(gòu)。當(dāng)變形溫度達到258℃時，鎂合金材料發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，繼續(xù)升高變形溫度，產(chǎn)生高漫散度的{0110}再結(jié)晶織構(gòu)。經(jīng)過壓痕-壓平復(fù)合變形后，AZ31鎂合金的晶粒尺寸得到明顯細化，織構(gòu)得到明顯弱化，力學(xué)性能得到提高[14]。通過AZ31鎂合金的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，采用Arrhenius方程模型，建立了AZ31鎂合金溫?zé)嶙冃伪緲?gòu)方程，為變形工藝數(shù)值模擬及模具設(shè)計提供了理論模型[15]。

本文對鎂合金壓痕-壓平復(fù)合變形進行實驗研究，分析工藝參數(shù)對組織性能、力學(xué)性能以及動態(tài)再結(jié)晶的影響規(guī)律。

1 壓痕-壓平復(fù)合變形特征

鎂合金板材經(jīng)過壓痕變形(稱為一次變形)，加工出波形坯料；再經(jīng)過壓平變形(稱為二次變形)，加工出組織性能更加優(yōu)良的鎂合金板材，這種復(fù)合變形過程定義為壓痕-壓平復(fù)合變形技術(shù)，其工藝原理見圖1。

壓痕-壓平復(fù)合變形工藝參數(shù)包括變形溫度(T)、波形間距(s)、壓下量(h)、壓下速度(V)。復(fù)合變形系數(shù)λ=h/s，表示復(fù)合變形時綜合變形程度，復(fù)合變形系數(shù)越大(最大值為1)，綜合變形程度越大。初始板材厚度t0。

圖1 壓痕-壓平復(fù)合變形工藝原理

2 實驗材料及方法

實驗材料為AZ31鎂合金板材，厚度9mm。拉伸試樣選取板材中間部位，有利于測出板材真實力學(xué)性能，使測試結(jié)果具有代表性。

實驗方案：復(fù)合變形溫度(T)分別為250℃、300℃、350℃，復(fù)合變形系數(shù)(λ)分別為0.15、0.2、0.3。壓下率分別為14%、29%、43%。

實驗步驟：(1)將電加熱棒放入模具加熱孔中把模具工作部分壓痕模具、壓平模具加熱到一定溫度并且保溫一定時間；(2)把AZ31鎂合金板材在加熱爐中加熱至預(yù)定變形溫度，并且保溫一定時間；(3)取出鎂合金板材在模具上進行壓痕變形；(4)對壓痕變形的鎂合金材料進行壓平變形，恢復(fù)鎂合金板材的平整度；(5)重復(fù)以上操作，可以實現(xiàn)多個變形道次的復(fù)合變形過程。根據(jù)需要，可以在不同變形溫度下進行多個變形道次的復(fù)合變形過程。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 變形溫度對微觀組織的影響

圖2為AZ31鎂合金在壓痕變形后的微觀組織(λ=0.2)，圖3為AZ31鎂合金壓平變形后的微觀組織(λ=0.2)。變形溫度對AZ31鎂合金變形后的孿晶組織影響明顯。變形溫度越高，孿晶組織百分數(shù)越小，說明孿生變形主要發(fā)生在低溫塑性變形過程中。

圖2 AZ31鎂合金壓痕變形(一次變形)后微觀組織(λ=0.2)

3.2 復(fù)合變形系數(shù)對微觀組織的影響

鎂合金板材厚度為9mm，當(dāng)T=250℃和λ=0.2，壓下率29%時，復(fù)合變形系數(shù)對微觀組織演變的影響如圖4和圖5所示。壓下率為14%、復(fù)合變形系數(shù)為λ=0.3時，在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量的孿晶組織，并在晶界處產(chǎn)生動態(tài)再結(jié)晶晶粒，最終覆蓋初始粗大晶粒，使鎂合金晶粒細化和均勻化。隨著塑性變形程度增大，晶粒取向也發(fā)生變化。當(dāng)變形量達到28.5%后，發(fā)生了完全動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細化和均勻化，平均晶粒尺寸為8μm。在復(fù)合變形系數(shù)為0.2時，孿晶組織數(shù)量較少，晶粒平均尺寸為20μm。

圖3 AZ31鎂合金壓平變形(二次變形)后微觀組織(λ=0.2)

圖4 AZ31鎂合金壓痕變形(一次變形)微觀組織(變形溫度T=250℃)

圖5 AZ31鎂合金壓平變形(二次變形)微觀組織(變形溫度T=250℃)

3.3 壓下率對微觀組織的影響

壓下率對鎂合金材料微觀組織的影響明顯，如圖6所示，其中變形溫度為275℃。當(dāng)壓下率為14%時，塑形變形量較小，沒有發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，晶粒粗大且分布不均勻。當(dāng)壓下率為29%時，發(fā)生了完全動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸細小且分布均勻。當(dāng)壓下率為43%時，發(fā)生了完全實現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶，但由于變形時間的增加導(dǎo)致晶粒長大時間增加，因此晶粒開始繼續(xù)長大，導(dǎo)致晶粒細化效果不明顯。

圖6 壓下率對微觀組織的影響(變形溫度275℃)

4 力學(xué)性能

復(fù)合變形(IFCDT)后的AZ31鎂合金板材力學(xué)性能如圖7所示。經(jīng)過復(fù)合變形的AZ31鎂合金板材，進行拉伸性能測試后發(fā)現(xiàn)，屈服強度由原始的169MPa提高至212MPa，提高了25.4%?？估瓘姸扔稍嫉?48MPa提高至298MPa，提高了20.1%。延伸率由原始的12.8%提高至17.2%，提高了34.3%。

圖7 AZ31鎂合金板材力學(xué)性能

5 結(jié)論

(1)鎂合金材料在低溫塑性變形時，孿晶及孿生變形是主要變形機制。變形溫度越高，孿晶組織越少。復(fù)合變形系數(shù)越大，孿晶組織越多。

(2)隨著塑性變形程度的增大，晶粒取向開始發(fā)生變化，動態(tài)再結(jié)晶晶粒開始長大，直到覆蓋初始的粗大晶粒，晶粒得到細化。當(dāng)壓縮率達到29%后，發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到充分的細化，晶粒平均尺寸達到8μm。

(3)當(dāng)復(fù)合變形系數(shù)為0.2時，組織中的孿晶數(shù)量較少，晶粒平均尺寸達到20μm。

(4)經(jīng)過復(fù)合變形的AZ31鎂合金板材，屈服強度由原始的169MPa提高至212MPa，提高了25.4%?？估瓘姸扔稍嫉?48MPa提高至298MPa，提高了20.1%。延伸率由原始的12.8%提高至17.2%，提高了34.3%。