羅錫才，劉灝霖，康利梅，劉怡飛，林潔林，陳文尉，李助軍

廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430

鎂及鎂合金作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、高比強(qiáng)度和良好的加工性等優(yōu)點(diǎn)，在3C、汽車、航空、航天及國防軍工等高端裝備制造領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值[1-2].但由于鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下塑性較差，嚴(yán)重影響其變形能力，進(jìn)而制約了其廣泛應(yīng)用[3-5].細(xì)化晶粒是有效提升鎂合金室溫塑性的有效途徑之一，通過大塑性變形的方法可以顯著細(xì)化晶粒，如等通道轉(zhuǎn)角擠壓[6]和多向鍛造[7]等.但這些傳統(tǒng)方法工藝過程復(fù)雜、能耗高、成本高、樣品尺寸較小，且獲得的組織均勻性較低，導(dǎo)致非均勻塑性變形，進(jìn)而降低鎂合金的塑性加工性能.

攪拌摩擦加工(Friction stir processing, FSP)是一種細(xì)化鎂合金組織，從而獲得良好力學(xué)性能的高效加工技術(shù)[8-10].研究表明，常規(guī)FSP制備的鎂合金晶粒尺寸可細(xì)化到10 μm以下[11-12].Yu等人[13]研究了攪拌摩擦加工 AZ31 鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與加工參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建模型來定量評估它們之間的關(guān)系.提高應(yīng)變速率或降低加工溫度均可提高Zener-Hollom 參數(shù)，從而提高細(xì)化效果.通過強(qiáng)制冷卻降低加工溫度峰值，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的.Du等人[14]在 FSP過程中采用液氮強(qiáng)制冷卻，成功制備出納米級晶粒的AZ61鎂合金.攪拌頭的幾何尺寸影響材料的流動(dòng)及熱量分布，從而對組織演變產(chǎn)生顯著影響.因此，攪拌頭的設(shè)計(jì)也備受科研工作者的關(guān)注[15].目前，國內(nèi)外學(xué)者對FSP制備的鎂合金超塑性進(jìn)行了大量研究且多集中在鑄造鎂合金[16-17]，但對軋制鎂合金的FSP研究較少.對于軋制鎂合金，沿軋制和垂直于軋制方向的力學(xué)性能存在明顯的各向異性，這種各向異性必然對其FSP加工后的組織和力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響.

研究了FSP加工方向?qū)堉茟B(tài)AZ61鎂合金組織演變和力學(xué)性能的影響，為提高軋制態(tài)AZ61鎂合金的室溫塑性提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用的材料為軋制態(tài)的AZ61鎂合金，其尺寸為200 mm×160 mm×6 mm，成分列于表1.FSP選用工具鋼制成的攪拌頭，軸肩直徑18 mm，攪拌針直徑7 mm，長度5 mm.在FSW-RT31-003 型專用攪拌摩擦焊機(jī)上開展水下FSP實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)SP加工實(shí)驗(yàn)分別沿著基材的軋制(RD)方向和橫向(TD)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度800 rpm，前進(jìn)速度240 mm/min(簡寫為：824SFSP)，下壓量0.2 mm，沿軋制(RD)方向加工的試樣記為824SFSP-RD，沿橫向(TD)方向加工的試樣記為824SFSP-TD.

表1 AZ61鎂合金化學(xué)成分

1.2 組織觀察

首先采用無水乙醇進(jìn)行超聲清洗試樣表面，然后在酒精(60 mL)+乙酸(15 mL)+硝酸(5 mL)+水(20 mL)的電解液中進(jìn)行常溫電解拋光，拋光電壓為 5 V，時(shí)長為 6 s.通過Nova Nano SEM430高分辨場發(fā)射(FEI，USA)和SM-6380LV鎢燈絲(JEOL，Japan)電子顯微鏡觀察試樣的微觀組織、第二相分布，并通過 SEM 自帶的能譜分析儀(Inca300，Oxford，UK)對組織成分進(jìn)行分析.利用SEM上配置的牛津HKL-Nordlys EBSD 探測器，在電壓 40 kV、步長 0.5～5 μm 的條件下進(jìn)行EBSD觀察，并用HKL-Channel 5軟件對EBSD結(jié)果進(jìn)行分析，獲得晶粒尺寸、織構(gòu)等組織信息.

1.3 力學(xué)性能測試

拉伸試樣在加工方向的攪拌區(qū)(Stir zone, SZ)選取，標(biāo)距尺寸為3 mm×1.5 mm×2.5 mm，在AGS-X型拉伸試驗(yàn)機(jī)(Shimazu，Japan)上采用應(yīng)變速率為1.67×10-3s-1進(jìn)行室溫拉伸測試，拉伸方向平行于FSP加工方向.采用HVS-1000 型維氏硬度計(jì)，沿加工區(qū)橫截面中心線位置測量顯微硬度，載荷100 g、保壓時(shí)間15 s，從前進(jìn)側(cè)(Advancing side，AS)向后退側(cè)(Retreating side，RS)相隔0.5 mm測試點(diǎn)進(jìn)行測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織分析

圖1為軋制態(tài)AZ61鎂合金基材SEM和EBSD微觀組織及極圖.從圖1可見，基材中第二相顆粒呈細(xì)小彌散分布.EBSD統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，晶粒平均尺寸為8.9±11.0 μm，晶粒C軸沿著ND方向分布.

圖1 軋制態(tài)AZ61微觀組織

圖2為沿RD和TD方向FSP加工后AZ61鎂合金SEM組織形貌.從圖2(a)和圖2(b)比較發(fā)現(xiàn)，RD方向的第二相顆粒呈細(xì)小彌散分布，而TD方向的第二相顆粒的尺寸粗大且分布不均勻.EBSD統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，沿RD方向經(jīng)FSP加工后的晶粒尺寸為3.5±2.5 μm，沿TD方向經(jīng)FSP加工后的晶粒尺寸為4.3±5.7 μm.由此可見，沿RD方向FSP的晶粒尺寸更為細(xì)小且晶粒大小分布更為均勻(誤差相對較小).

圖2 攪拌摩擦加工SEM微觀組織形貌

圖3為沿TD方向經(jīng)FSP加工后的組織放大圖.EDS分析結(jié)果指出，粗大的第二相顆粒主要由Mg，Al和Mn等元素組成.

圖3 FSP AZ61第二相EDS分析

織構(gòu)上的差異，會(huì)對軋制態(tài)AZ61鎂合金的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響.圖4為沿RD和TD方向的經(jīng)FSP加工的AZ61合金的極圖.從圖4可見：824SFSP-RD試樣的{0002}基面的C軸向ND方向傾斜約23 °，向TD方向傾斜16 °；824SFSP-TD試樣的{0002}基面的C軸向ND方向傾斜約20 °，向RD方向傾斜69 °.

圖4 FSP的AZ61攪拌區(qū)的極圖

2.2 室溫拉伸性能

圖5和表2為母材和不同F(xiàn)SP加工方向AZ61鎂合金的室溫拉伸結(jié)果.從圖5可見，沿TD方向加工的AZ61鎂合金的應(yīng)變硬化能力明顯高于RD方向的，說明TD方向的塑性變形能力低于RD方向；母材TD方向的應(yīng)變硬化能力也高于RD方向的，經(jīng)FSP加工后母材的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化能力大幅降低，進(jìn)而使得加工態(tài)AZ61鎂合金獲得良好的室溫塑性.由表2可知，與母材相比，沿RD和TD方向加工的鎂合金伸長率分別提升了135.1%和116.7%；沿TD方向加工的AZ61鎂合金的屈服強(qiáng)度比沿RD加工的高15.6%、抗拉強(qiáng)度略高于RD方向，但伸長率僅為沿RD方向加工的82.2%,這些變化趨勢和母材一致，體現(xiàn)出一定的組織遺傳性.晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，沿RD方向的AZ61鎂合金晶粒更細(xì)，但屈服強(qiáng)度卻小于TD方向，這是由于鎂合金為典型的密排六方結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度除受到霍爾佩奇關(guān)系影響外還受到織構(gòu)的較大影響[18].

圖5 不同F(xiàn)SP加工方向拉伸性能

表2 不同F(xiàn)SP加工方向AZ61鎂合金拉伸性能

拉伸變形時(shí)晶粒取向分布會(huì)影響滑移系啟動(dòng)的臨界應(yīng)力值，RD方向試樣的晶粒取向相比TD方向的更傾向于45 °方向分布，這更有利于基面滑移系在較低應(yīng)力下啟動(dòng)，因此表現(xiàn)出較低的屈服強(qiáng)度而塑性較好.同時(shí)，通過進(jìn)一步計(jì)算施密特因子來分析織構(gòu)對拉伸性能的影響.圖6為沿RD和TD方向經(jīng)FSP加工后AZ61鎂合金組織通過對EBSD結(jié)果進(jìn)行施密特因子分析的結(jié)果.從圖6可見，沿RD和TD方向加工的AZ61鎂合金平均施密特因子大小分別為0.42和0.34.眾所周知，施密特因子越大，越容易啟動(dòng)臨界應(yīng)力較低的滑移系，進(jìn)而降低材料的屈服強(qiáng)度、減低材料的應(yīng)變硬化能力及提高材料的塑性變形能力.因此，在晶粒尺寸較小的情況下，沿RD方向經(jīng)FSP加工的AZ61鎂合金的屈服強(qiáng)度仍低于TD加工方向的，而伸長率高于TD加工方向的.

圖6 不同F(xiàn)SP加工方向AZ61基面織構(gòu)的施密特因子分布

2.3 顯微硬度分布

圖7為不同F(xiàn)SP加工方向AZ61鎂合金橫截面的硬度分布圖.從圖7可以看出：SZ中RD加工方向的硬度略高于TD加工方向的，TD加工方向的硬度分布跳動(dòng)較大，這是由于TD加工方向的晶粒尺寸更大且誤差較大所致，因此與拉伸性能不同，硬度分布符合霍爾佩奇規(guī)律；RD方向的第二相顆粒尺寸較小且呈彌散分布，其溶解到鎂基體中產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化也是造成RD加工方向硬度高的原因；在SZ前進(jìn)側(cè)，TD加工方向的硬度明顯高于RD方向，而在后退側(cè)硬度差異不明顯，這主要和FSP工藝在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)塑性金屬的非對稱流動(dòng)密切相關(guān).

圖7 不同F(xiàn)SP加工方向AZ61橫截面中心線硬度分布

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)FSP加工后A261鎂合金基材的晶粒尺寸發(fā)生明顯細(xì)化，從軋制態(tài)的8.9±11.0 μm細(xì)化到RD方向加工后的3.5±2.5 μm和TD加工方向的4.3±5.7 μm.與TD加工方向相比，RD方向加工的AZ61鎂合金第二相顆粒的較小且呈彌散發(fā)布.

(2)沿RD和TD方向FSP加工的AZ61鎂合金的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，屈服強(qiáng)度分別為90 MPa和104 MPa，伸長率分別為34.8%和28.6%.受織構(gòu)影響較大，RD方向施密特因子較大，拉伸時(shí)就越容易啟動(dòng)臨界應(yīng)力較低的滑移系，進(jìn)而表現(xiàn)出較低的屈服強(qiáng)度，但提高了材料的塑性變形能力.

(3)SZ中沿RD加工方向的硬度略高于TD加工方向，硬度分布符合霍爾佩奇關(guān)系.