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溫變形對AZ31鎂合金組織的影響
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.bt990.com.cn
更新時間：2015-03-25
以AZ31合金為研究對象，對鑄態(tài)AZ31鎂合金溫變形時顯微組織演變過程和力學(xué)性能影響進(jìn)行分析，為進(jìn)一步開發(fā)鎂合金的成形工藝提供實驗依據(jù)。
1 引言
20世紀(jì)90年代以來，作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金用量急劇增長，在交通、計算機、通訊、消費類電子、國防軍工等諸多領(lǐng)域具有極為廣泛應(yīng)用前景，被譽為“21世紀(jì)綠色工程材料”。鎂合金由于其優(yōu)異的性能，許多發(fā)達(dá)國家已將鎂合金列為研究開發(fā)的重點。
常用的鎂合金成形方法有壓鑄、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造等。而鎂合金通過塑性變形和熱處理工藝相結(jié)合，可獲得高強度和優(yōu)良延展性，成為更多樣化性能的結(jié)構(gòu)材料。為節(jié)約原材料、縮短加工工藝。降低生產(chǎn)成本，提出由鑄坯直接成型產(chǎn)品的方案。但是由鑄坯直接成型工件，其成型性臟亂成形對產(chǎn)品性能的影響研究甚少，工藝制定上也缺少參考依據(jù)，為此，本文以AZ31合金為研究對象，對鑄態(tài)AZ31鎂合金溫變形時顯微組織演變過程和力學(xué)性能影響進(jìn)行分析，為進(jìn)一步開發(fā)鎂合金的成形工藝提供實驗依據(jù)。
2 實樣制備
實驗材料的AZ31合金的鑄造棒材，其材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）如表1所示：
3 實驗結(jié)果及討論
3.1 鑄態(tài)及變形組織
從圖1a中可看出，經(jīng)退火處理后的鑄造組織是由粗大的α基體上分布β相組成，其原始晶粒尺寸約為100μm。變形后的組織如圖1b-f所示，在擠壓變形初期，鎂合金鑄棒中粗大的晶粒在擠壓力的作用下，在垂直于壓力方向被壓扁，進(jìn)而發(fā)生彎曲和破碎成細(xì)晶粒，并在應(yīng)力作用下獲得重新分布（見圖1b）；同時發(fā)生晶粒間的相對轉(zhuǎn)動，帶動已破碎的第二相發(fā)生滑移和變形，呈離散狀分布，在平行流線上分布著大量細(xì)小、致密的等軸晶粒，可見形變組織已發(fā)生再結(jié)晶；圖1c中開始出現(xiàn)再結(jié)晶組織，但變形孿晶組織仍占大部分；隨應(yīng)變增加，圖1d再結(jié)晶組織大量增加，原晶粒的晶界處的晶內(nèi)形成無畸變的新晶粒；而圖1e中幾乎為再結(jié)晶組織，晶粒細(xì)小，但變形仍不均勻；圖1f為充分變形后得到均勻的等軸晶，其晶粒大小約為5μm。 可見，在等溫擠壓過程中，隨變形程度的增加，再結(jié)晶速度加快，有效的消除鑄態(tài)合金中粗大的晶粒及偏析，獲得致密、細(xì)小的再結(jié)晶等軸晶組織。
3.2 拉伸實驗結(jié)果
從拉伸實驗得到數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，可得△σb-ε曲線（如圖2所示），其中△σb為變形后的強度相對于原始鑄態(tài)組織下強度的增加值。由于材料的屈服強度與晶粒大小存在著Hall-Petch關(guān)系，同時晶粒細(xì)化不僅可以提高材料的強度，而且可以提高其塑性，對AZ31鎂合金，細(xì)晶強化是提高鎂合金強度的有效方法之一。與鑄態(tài)組織相比，在210℃變形，AZ31鎂合金的強度有很大的提高，且增加幅度較大（其中ε為80%時，其σb絕對值最大，達(dá)305MPa，較原始組織提高約50%），同時實驗發(fā)現(xiàn)，變形后試樣強度增量初是隨著變形程度的增加而增大，但達(dá)到一定程度，強度增量下再增大，甚而有減小的趨勢。在210℃下的變形是ε約為80%時出現(xiàn)強度增量的最大值。
20世紀(jì)90年代以來，作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金用量急劇增長，在交通、計算機、通訊、消費類電子、國防軍工等諸多領(lǐng)域具有極為廣泛應(yīng)用前景，被譽為“21世紀(jì)綠色工程材料”。鎂合金由于其優(yōu)異的性能，許多發(fā)達(dá)國家已將鎂合金列為研究開發(fā)的重點。
常用的鎂合金成形方法有壓鑄、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造等。而鎂合金通過塑性變形和熱處理工藝相結(jié)合，可獲得高強度和優(yōu)良延展性，成為更多樣化性能的結(jié)構(gòu)材料。為節(jié)約原材料、縮短加工工藝。降低生產(chǎn)成本，提出由鑄坯直接成型產(chǎn)品的方案。但是由鑄坯直接成型工件，其成型性臟亂成形對產(chǎn)品性能的影響研究甚少，工藝制定上也缺少參考依據(jù)，為此，本文以AZ31合金為研究對象，對鑄態(tài)AZ31鎂合金溫變形時顯微組織演變過程和力學(xué)性能影響進(jìn)行分析，為進(jìn)一步開發(fā)鎂合金的成形工藝提供實驗依據(jù)。
2 實樣制備
實驗材料的AZ31合金的鑄造棒材，其材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）如表1所示：
表1 實驗材料的化學(xué)成分
3 實驗結(jié)果及討論
3.1 鑄態(tài)及變形組織
從圖1a中可看出，經(jīng)退火處理后的鑄造組織是由粗大的α基體上分布β相組成，其原始晶粒尺寸約為100μm。變形后的組織如圖1b-f所示，在擠壓變形初期，鎂合金鑄棒中粗大的晶粒在擠壓力的作用下，在垂直于壓力方向被壓扁，進(jìn)而發(fā)生彎曲和破碎成細(xì)晶粒，并在應(yīng)力作用下獲得重新分布（見圖1b）；同時發(fā)生晶粒間的相對轉(zhuǎn)動，帶動已破碎的第二相發(fā)生滑移和變形，呈離散狀分布，在平行流線上分布著大量細(xì)小、致密的等軸晶粒，可見形變組織已發(fā)生再結(jié)晶；圖1c中開始出現(xiàn)再結(jié)晶組織，但變形孿晶組織仍占大部分；隨應(yīng)變增加，圖1d再結(jié)晶組織大量增加，原晶粒的晶界處的晶內(nèi)形成無畸變的新晶粒；而圖1e中幾乎為再結(jié)晶組織，晶粒細(xì)小，但變形仍不均勻；圖1f為充分變形后得到均勻的等軸晶，其晶粒大小約為5μm。 可見，在等溫擠壓過程中，隨變形程度的增加，再結(jié)晶速度加快，有效的消除鑄態(tài)合金中粗大的晶粒及偏析，獲得致密、細(xì)小的再結(jié)晶等軸晶組織。
3.2 拉伸實驗結(jié)果
從拉伸實驗得到數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，可得△σb-ε曲線（如圖2所示），其中△σb為變形后的強度相對于原始鑄態(tài)組織下強度的增加值。由于材料的屈服強度與晶粒大小存在著Hall-Petch關(guān)系，同時晶粒細(xì)化不僅可以提高材料的強度，而且可以提高其塑性，對AZ31鎂合金，細(xì)晶強化是提高鎂合金強度的有效方法之一。與鑄態(tài)組織相比，在210℃變形，AZ31鎂合金的強度有很大的提高，且增加幅度較大（其中ε為80%時，其σb絕對值最大，達(dá)305MPa，較原始組織提高約50%），同時實驗發(fā)現(xiàn)，變形后試樣強度增量初是隨著變形程度的增加而增大，但達(dá)到一定程度，強度增量下再增大，甚而有減小的趨勢。在210℃下的變形是ε約為80%時出現(xiàn)強度增量的最大值。
之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，可以認(rèn)為在較低的變形程度下，隨著變形程度的增加，晶粒發(fā)生細(xì)化，強度增加；而應(yīng)變增大到一定程度后，由于較大的變形提供了更多的能量，使得相界的擴(kuò)散能力增強，有機會吞并附近細(xì)小的晶粒，從而在一定條件下，使得晶粒數(shù)量減少，尺寸變大。即變形所引起的動態(tài)再結(jié)晶，只發(fā)生在一公平的應(yīng)變范圍內(nèi)，當(dāng)變形超過該值后，則進(jìn)入晶粒長大階段。從而出現(xiàn)隨變形程度增大，強度增量不再增大反而有減小的趨勢。
4 結(jié)論
1）AZ31鎂合金在溫變形時發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶。
2）通過壓縮變形，可以顯著的細(xì)化鑄造AZ31合金的晶粒，其尺寸可由原來100μm減少到5μm左右。
3）在210℃時變形量超過一定值后（80%左右），鎂合金的抗拉強度有下降的趨勢；故在具體工藝中，應(yīng)合理控制變形量。
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