鑄態(tài)AZ31鎂合金板材等溫軋制工藝及組織性能研究

王 欣，楊 闖，胡連喜

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001，E-mail:xinwang@hit.edu.cn; 2.黑龍江工程學(xué)院材料與化學(xué)工程系，哈爾濱150050)

鑄態(tài)AZ31鎂合金板材等溫軋制工藝及組織性能研究

王 欣1，楊 闖2，胡連喜1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001，E-mail:xinwang@hit.edu.cn; 2.黑龍江工程學(xué)院材料與化學(xué)工程系，哈爾濱150050)

為研究鑄態(tài)AZ31鎂合金軋制工藝及軋制后組織性能，通過(guò)試驗(yàn)得到不同道次和變形量對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金板材顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并采用掃描電子顯微鏡研究了軋制后板材組織.結(jié)果表明，鑄態(tài)AZ31鎂合金板材經(jīng)等溫4道次、等變形量軋制后，板材厚度由20 mm變化到4.8 mm，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到275 MPa和187 MPa，延伸率為32%，板材性能方向性小.研究表明，AZ31鎂合金板材力學(xué)性能既受到平均晶粒尺寸影響，也受到晶粒取向制約.鑄態(tài)AZ31鎂合金板材采用等溫4道次、等變形量軋制工藝，能夠獲得性能優(yōu)異的軋制板材.

AZ31鎂合金;軋制;力學(xué)性能

鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、抗震及減震能力強(qiáng)、電磁屏蔽效果優(yōu)異以及易回收等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電子、電器、汽車、交通、航空、航天、醫(yī)藥材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前途的金屬結(jié)構(gòu)材料［1－2］.但鎂合金的室溫塑性低，且與其他廣泛使用的材料相比，強(qiáng)度比較低，這與其室溫滑移系少，塑性變形能力差有關(guān).

大量研究表明［3－8］，像熱軋這種塑性變形方式可以有效細(xì)化晶粒，進(jìn)而改變鎂合金機(jī)械性能.為了提高鎂合金的機(jī)械性能，優(yōu)化軋制工藝參數(shù)是必不可少的，其中，非常重要的是軋制道次和變形量.Kim［9］等的研究表明，上下軋輥的速度比對(duì)提高鎂合金板材的機(jī)械性能很有幫助.利用塑性變形方式提高鎂合金機(jī)械性能主要是細(xì)化晶粒，而通過(guò)其他方法同樣可以獲得超細(xì)的鎂合金晶粒以提高其力學(xué)性能，如粉末冶金［10］、快速凝固［11］以及側(cè)向擠壓［12］等方法，但對(duì)于大尺寸材料，這些方法稍顯不足.本文實(shí)驗(yàn)研究了軋制條件下，不同軋制道次和變形量對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金板材晶粒細(xì)化效果以及力學(xué)性能影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的鑄態(tài)AZ31鎂合金是從半連續(xù)鑄錠切割下的坯料，坯料尺寸為20 mm(厚)× 140 mm(寬)×200 m(長(zhǎng)).坯料的組織由粗大的鑄造晶粒組成，平均晶粒尺寸約為350 μm.軋制試驗(yàn)在3150 kN壓力機(jī)上進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)用鑄態(tài)AZ31鎂合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1，其力學(xué)性能見(jiàn)表2.

表1 鑄態(tài)AZ31鎂合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 鑄態(tài)AZ31鎂合金的力學(xué)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

第1道次實(shí)驗(yàn)對(duì)20 mm厚鑄態(tài)AZ31鎂合金板材坯料進(jìn)行軋制，軋制溫度為400℃，軋制速度為5 m/min，分別對(duì)板材坯料進(jìn)行變形程度為20%，30%，40%，50%的軋制，具體方案見(jiàn)表3.第2道次實(shí)驗(yàn)同樣是400℃等溫軋制，只是坯料選取第1道次軋下量為30%的14 mm厚板坯，軋制速度為5 m/min，分別進(jìn)行變形程度為20%，30%，40%，50%的軋制，具體方案見(jiàn)表3.

表3 鑄態(tài)AZ31鎂合金不同變形程度軋制工藝方案

在上述實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，本文制定了鑄態(tài)AZ31鎂合金板材坯料4道次軋制工藝.其中第1、2道次為400℃等溫軋制，第3、4道次為300℃等溫軋制，變形程度同為30%，具體方案見(jiàn)表4.

表4 鑄態(tài)AZ31鎂合金軋制工藝方案

對(duì)不同工藝等溫軋制AZ31鎂合金板材取金相試樣，金相組織分析在奧林巴斯GX71金相顯微鏡上進(jìn)行，晶粒尺寸計(jì)算由光學(xué)顯微鏡通過(guò)線性插值法測(cè)定.采用Instron5569拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)軋制后AZ31鎂合金板材的室溫力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率為1×10－3s－1，拉伸試樣尺寸如圖1所示.

圖1 拉伸試樣的幾何尺寸(mm)

2 結(jié)果與討論

圖2所示為第1道次、不同變形量軋制后金相組織照片.從圖2可以看出，隨著變形程度增大，細(xì)小晶粒越來(lái)越多，粗大晶粒越來(lái)越少，平均晶粒尺寸隨著變形量的增加逐漸增大.但晶粒大小的不均勻普遍存在，基本上還是混晶組織.這是由于在等溫軋制過(guò)程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，基本上消除了原始鑄態(tài)組織形態(tài).產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的原因是由于鎂的層錯(cuò)能較低，與面心立方結(jié)構(gòu)的金屬相比滑移系較少，且鎂合金的晶界擴(kuò)散速度較高.

圖3所示為第2道次不同變形程度400℃等溫軋制后 AZ31鎂合金的金相組織，變形量為20%，30%，40%，50%，原始坯料選取第1道次軋下量為30%的14 mm板坯，但由于40%和50%軋下量板材破裂嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，故第2道次僅選擇20%和30%軋制變形量的板材進(jìn)行組織分析.由圖3可以看出，隨著軋制變形量的進(jìn)一步加大，晶粒大小并沒(méi)有太多變化，只是晶粒尺寸逐漸變得均勻，平均晶粒尺寸大約在20 μm.

由于第2道次大變形量軋制情況下板材破裂嚴(yán)重，因此，接下來(lái)通過(guò)降低軋制溫度，即300℃的等溫軋制，坯料采用第2道次30%變形量的板材，厚度為9.8 mm，進(jìn)行變形量為30%共2道次軋制，即第3和第4道次軋制，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著軋制道次的增加，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，第3和第4道次軋制后板材平均晶粒尺寸分別為12 μm和6 μm..

圖2 第1道次不同變形程度400℃等溫軋制后AZ31鎂合金的金相組織

圖3 第2道次不同變形程度400℃等溫軋制后AZ31鎂合金的金相組織

圖4 變形量30%、300℃等溫軋制AZ31鎂合金的金相組織

圖5為室溫條件下，等變形量軋制AZ31鎂合金板材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率隨軋制道次的變化規(guī)律，可以看出，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率隨著軋制道次的增加不斷提高.并且板材的縱向(RD)和橫向(TD)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著軋制道次的增加相差并不大，由此可看出，經(jīng)4道次軋制后板坯從20 mm到4.8 mm，累積總變形量為76%，板材綜合性能優(yōu)異，無(wú)方向性.

圖5 AZ31鎂合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率與軋制道次的關(guān)系曲線

由圖5(a)可以看出，第3和第4道次相對(duì)于第1和第2道次，也就是300℃軋制相對(duì)于400℃軋制，板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有明顯提高，300℃軋制后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均在165和275 MPa以上.文獻(xiàn)［13］提到密排六方結(jié)構(gòu)的鎂合金材料，晶粒大小及組織內(nèi)部織構(gòu)分布決定著其力學(xué)性能的好壞.由于第3和第4道次的軋制后，AZ31鎂合金的晶粒尺寸較小(圖4)，因此，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高.

由圖5(b)可以看出，第3和第4道次相對(duì)于第1和第2道次，板材的延伸率明顯提高，300℃軋制后延伸率保持在32%左右.這是由于400℃軋制時(shí)，大部分晶粒的基面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)基面施密特因子較大，基面處于軟取向，促進(jìn)塑性變形，從而提高了延伸率.另外，由圖5(b)可以看出，AZ31鎂合金第4道次軋制后的延伸率與第3道次軋制后稍有減小.這是由于第4道次軋制后，基面的施密特因子較小，處于硬取向，因而延伸率稍有降低.

3 結(jié)論

1)鑄態(tài)AZ31鎂合金板材經(jīng)400℃兩道次等溫軋制和300℃兩道次等溫軋制，共4道次軋制，每道次軋制變形量為30%，板材厚度由20 mm軋制到4.8 mm，板材縱向和橫向性能差別較小，獲得了性能優(yōu)異的AZ31鎂合金軋制板材.

2)AZ31鎂合金板材經(jīng)不同溫度、等變形量4道次軋制后，晶粒尺寸顯著細(xì)化，力學(xué)性能明顯提高.平均晶粒尺寸由350 μm減小到6 μm，抗拉強(qiáng)度由 190 MPa增加到 275 MPa，屈服強(qiáng)度由57 MPa增加到187 MPa，延伸率由15%增加到32%.

3)AZ31鎂合金板材經(jīng)不同溫度、等變形量4道次軋制后，其力學(xué)性能不僅受到組織平均晶粒大小的影響，還受到晶粒取向分布的影響.

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Mechanical properties and isothermal rolling process of AZ31 as-cast Mg alloy plate

WANG Xin1，YANG Chuang2，HU Lian-xi1
(1.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，E-mail:xinwang@hit.edu.cn; 2.Materials and Chemistry Technology，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin150001，China)

To understand the microstructure and properties of AZ31 as-cast Mg alloy plate，rolling tests were carried out in this paper.The influences of rolling pass and deformation extent on microstructure and mechanical properties were studied by experiments.After the plate rolled by four passes at the same temperature and equal deformation extent，the thickness changes from 20 mm to 4.8 mm.The tensile strength，yield strength and elongation are 275 MPa，187 MPa and 32%，respectively.The properties of plate are uniform at all direction.It is revealed that the mechanical properties are related to the average grain siz and grain orientation.

AZ31 Mg alloy;rolling;mechanical properties

TG335.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)02－0034－04

2010－06－17.

王 欣(1974－)，男，博士.

(編輯 呂雪梅)