AZ31合金板材的顯微組織_拉伸性能與沖壓工藝探索

1、第37卷 第4期 稀有金屬材料與工程 V ol.37, No.4 2008年 4月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING April 2008AZ31合金板材的顯微組織、拉伸性能與沖壓工藝探索閆蘊(yùn)琪，陳 琦，翁文憑，鐘 皓(蘇州有色金屬加工研究院，江蘇 蘇州 215026摘 要：研究了AZ31合金軋制過程中的組織演變及與室溫拉伸性能的對應(yīng)規(guī)律，探索了AZ31合金手機(jī)殼和筆記本電腦殼的沖壓工藝。結(jié)果表明，經(jīng)過多道次的軋制變形后，均勻化態(tài)的AZ31合金組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒明顯細(xì)化且呈等軸態(tài)，平均尺寸小于20 µm 。厚度為2 mm和0.6 mm的

2、AZ31合金板材室溫拉伸強(qiáng)度對變形方向較敏感，延伸率也隨著取樣方向有所改變。在100350 下，利用厚度0.6 mm AZ31合金板材沖壓出手機(jī)外殼和筆記本電腦外殼。經(jīng)過EBSD 分析表明，基面和棱柱面織構(gòu)的存在導(dǎo)致了AZ31合金板材力學(xué)性能的各向異性。 關(guān)鍵詞：AZ31合金；顯微組織；拉伸性能；沖壓；EBSD中圖法分類號：TG 146.2+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-185X(200804-0670-04Mg 合金是目前最輕的工程金屬材料，在當(dāng)今世界新材料領(lǐng)域被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”13。制備變形Mg 合金材料，發(fā)揮變形材料的高強(qiáng)度、高塑韌性是國際Mg 協(xié)會提出的開發(fā)Mg

3、合金產(chǎn)品的一項(xiàng)長遠(yuǎn)的目標(biāo)。與壓鑄鎂合金相比，變形鎂合金材料可提供更高的強(qiáng)度和更好的延展性，可以滿足不同場合結(jié)構(gòu)件的使用要求。由于軋制鎂合金板材具有優(yōu)于對應(yīng)的壓鑄件的綜合性能，并且規(guī)?；a(chǎn)成本低于壓鑄零部件，加之薄板沖壓件在厚度方面趨向更薄壁化，因而可以大大節(jié)約原材料和改善產(chǎn)品性能。中國國內(nèi)的高性能鎂合金薄板材生產(chǎn)和后續(xù)加工研究，主要集中在洛陽銅加工集團(tuán)、中科院金屬所、蘇州有色金屬加工研究院和上海交通大學(xué)等單位，中國鎂合金薄板材料沖壓技術(shù)的開發(fā)都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，對軋制變形與沖壓和織構(gòu)分析之間的對應(yīng)關(guān)系探討得不多4,5。本實(shí)驗(yàn)通過研究AZ31合金在軋 制過程中的組織演變，分析其力學(xué)性能的變化

4、規(guī)律，探索了該合金板材在100350 下的沖壓技術(shù)，為擴(kuò)大Mg 合金的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。勻化處理后進(jìn)行熱軋和冷軋，最終板材厚度為0.6 mm 。分別沿軋制方向（R ）、橫向（T ）和與軋向成45°方向（F ）截取板材拉伸試樣，試樣標(biāo)距部分的尺寸為25 mm×5 mm。室溫拉伸試驗(yàn)是在CSS-44100型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，橫梁移動速度選擇在0.52mm·min-1之間連續(xù)調(diào)節(jié)。用OM 和SEM 觀察了變形前后的組織和斷口形貌，試驗(yàn)設(shè)備為NIikon 200金相顯微鏡和配備EDS 、WDS 和EBSD 的JSM-6480掃描電鏡。EBSD 試樣采用電解拋光，電

5、解液選用AC2試劑。2 結(jié)果與分析圖1是AZ31合金鑄態(tài)、退火態(tài)和軋制態(tài)的顯微組織。從圖1a 可以看出，AZ31合金鑄態(tài)組織為等軸晶粒，且晶粒比較粗大，平均晶粒尺寸大于100 µm 。在晶界處存在一些不連續(xù)的Mg 17Al 12化合物，這是AZ31合金典型的鑄態(tài)形貌。經(jīng)過380 ，12 h均勻化退火處理后，該合金的晶界有所細(xì)化，緣于該合金在熔煉凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析和非平衡相在高溫固溶狀態(tài)下的溶解，晶界變得光滑、細(xì)小，見圖1b 。經(jīng)過多道次的軋制變形后，均勻化態(tài)的AZ31合金組織經(jīng)過破碎后明顯細(xì)化且呈等軸態(tài)，平均晶粒尺寸細(xì)化到20 µm 以下。顯然，軋制變形使AZ31合金

6、發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，見圖1c1g。同時(shí)，可以看到原1 實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)用材料為Mg-3.05Al-0.86Zn-0.33Mn 工業(yè)鎂合金，其中Cu<0.001%，Ni<0.011%，F(xiàn)e<0.008%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù) 。對實(shí)驗(yàn)合金鑄錠進(jìn)行380 ，12 h均收到初稿日期：2007-03-28；收到修改稿日期：2007-07-18基金項(xiàng)目：中國鋁業(yè)公司科技發(fā)展基金項(xiàng)目（2005KJA13）和江蘇省自然科學(xué)基金技術(shù)人才啟動項(xiàng)目（BK2006543）作者簡介：閆蘊(yùn)琪，男，1973年生，博士，高級工程師，蘇州有色金屬加工研究院，江蘇 蘇州 215026，電話E-

7、mail:yqyan73第4期 閆蘊(yùn)琪等：AZ31合金板材的顯微組織、拉伸性能與沖壓工藝探索 ·671·先分布在晶界上的Mg 17Al 12化合物經(jīng)過軋制變形后，大部分彌散在晶內(nèi)，且很細(xì)小。圖1c ，1d 分別是厚2 mm熱軋態(tài)AZ31合金板材軋向和橫向形貌?？梢钥闯觯刂藘煞N方向的晶粒尺寸很接近。圖1e 是厚2 mm板材經(jīng)250 ，0.5 h爐冷后的退火態(tài)組織， 晶粒變化不大。圖1f ，1g 分別是厚0.6 mm熱軋態(tài)AZ31合金板材軋向和橫向形貌?？梢钥闯觯滠堖M(jìn)一步細(xì)化了該合金的組織，且沿著此兩種方向的晶粒尺寸基本上沒有區(qū)別。 圖1 AZ31合金在變形前后的組織演變

8、Fig.1 Microstructures of AZ31 alloy: (a as-cast; (b as-homogeneous annealed; (c RD; (d TD; (e after 250 ，0.5 htreatment for 2 mm in thickness sheet; (f RD; (g TD of 0.6 mm in thickness sheet圖2是AZ31合金板材在不同厚度和狀態(tài)下的室溫拉伸性能。對比可以看出，厚2 mm的AZ31合金板材拉伸強(qiáng)度對變形方向較敏感，隨取樣方向和熱處理狀態(tài)的不同而變化，同時(shí)延伸率隨著取樣方向變化S t r e n g t h /

9、M P a 280260240220200180160Specimen Direction/(° 而不同，這可能是軋制織構(gòu)引起的。厚0.6 mm的板材拉伸強(qiáng)度有所不同，延伸率變化規(guī)律與前者一樣。分別經(jīng)過250 ，0.5 h爐冷退火后，兩種規(guī)格板材的強(qiáng)度有所降低，但是延伸率升高程度較明顯。E l o n g a t i o n /%2420161284 400S t r e n g t h /M P a 350300250200 150Specimen Direction/(°Specimen Direction/(°圖2 AZ31合金軋制態(tài)和退火態(tài)的室溫拉伸性能F

10、ig.2 Tensile properties vs specimen direction at RT of AZ31 alloy as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h:(a 2 mm in thickness; (b 0.6 mm in thickness; (c elongation圖3是AZ31合金在不同狀態(tài)下的室溫拉伸斷口形貌。斷口屬于韌性斷裂，是密排六方金屬的典型斷裂方式，基本上由不均勻分布的空洞和網(wǎng)狀撕裂棱組成。由于撕裂狀網(wǎng)絡(luò)和空洞相互促進(jìn)和相互制約，使部分應(yīng)力增加。這些集中的應(yīng)力在均勻塑性變形結(jié)束后得不到釋放，故共存在斷口形貌中。另外，

11、它們之間相互促進(jìn)與制約，也提高了該合金的延性。同時(shí)從圖3可以看出，厚2 mm板材對應(yīng)的斷口形貌韌窩密而深，從而延伸率高。圖4是AZ31合金在室溫拉伸斷口處的組織?？梢钥闯?，組織中出現(xiàn)了許多孿晶。一般認(rèn)為，具有基面織構(gòu)的鎂合金在變形時(shí)，在開始階段的主要塑性變形機(jī)制為102初級孿生，其結(jié)果使基面進(jìn)一步趨向于垂直壓應(yīng)力方向而難以發(fā)生滑移。此時(shí)易在晶粒 ·672· 稀有金屬材料與工程 第37卷 出，部分晶界處有小晶粒存在，也印證了這一論點(diǎn)。 圖4 AZ31合金在室溫拉伸斷口處的組織Fig.4 Microstructure of fracture of AZ31 alloy afte

12、r tensiletesting at room temperature 圖3 AZ31合金室溫拉伸斷口形貌Fig.3 Fracture morphologies of AZ31 alloy after tension tests atRT: (a, (b as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h of 2 mm in thickness; (c, (d as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h of 0.6 mm in thickness實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AZ31合金板材在室溫下的沖裁性能比較好，選取在100350 下拉

13、深，可以完整地沖壓出手機(jī)殼和筆記本電腦外殼。圖5是軋態(tài)和退火態(tài)AZ31合金的EBSD 分析結(jié)果。可以看出，晶粒中主要存在基面織構(gòu)0001<110>，經(jīng)過250 ，0.5 h退火處理，棱柱面織構(gòu)100<110>也出現(xiàn)在晶粒內(nèi)。從圖5c ，5f可以看出，晶粒中存在許多大角度晶界?；婧屠庵婵棙?gòu)的存在導(dǎo)致了合金的力學(xué)性能的各向異性。d 之間形成附加內(nèi)應(yīng)力使晶界附近的局部組織發(fā)生扭曲，從而成為動態(tài)再結(jié)晶優(yōu)先形核的區(qū)域。從圖4可以看 c b aef圖5 軋制和退火態(tài)AZ31合金EBSD 分析結(jié)果Fig.5 Oriention mapping in as-rolled and a

14、s-annealed specimens: (a, (d IPF; (b, (e ODF; (c, (f orientation mapping; (a, (b, (c for as-rolled; (d, (e, (f for as-annealed 第4期 閆蘊(yùn)琪等：AZ31合金板材的顯微組織、拉伸性能與沖壓工藝探索 ·673·3 結(jié) 論1 AZ31合金鑄態(tài)組織經(jīng)過380 ，12 h均勻化退火處理后，晶界變得光滑、細(xì)小。經(jīng)過多道次的軋制變形后，均勻化態(tài)的AZ31合金組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒明顯細(xì)化且呈等軸態(tài)，平均晶粒尺寸細(xì)化到20 µm 以下。2 厚2 mm

15、和厚0.6 mm 2種規(guī)格的AZ31合金板材拉伸強(qiáng)度隨變形方向和處理狀態(tài)而變化；延伸率隨著取樣方向不同而不同。經(jīng)過250 ，0.5 h爐冷退火后，兩種規(guī)格板材的強(qiáng)度有所降低，但是延伸率升高程度較明顯。3 在100350 下可以沖壓出手機(jī)外殼和筆記本電腦外殼。4 基面織構(gòu)0001<110>和棱柱面織構(gòu)100 <110>的存在導(dǎo)致了合金的力學(xué)性能的各向異性。參考文獻(xiàn) References1 Kojima Y. Materials TransactionsJ, 2001, 42(7: 1154 2 Watanabe H, Mukai T, Ishikawa K. Materi

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17、ing Process of AZ31 Alloy SheetsYan Yunqi, Chen Qi, Weng Wenping, Zhong Hao(Suzhou Institute for Non-ferrous Metals Processing Technology, Suzhou 215021, ChinaAbstract: Rolling and stamping process of AZ31 alloy were investigated in this paper. Various rolling experiments were carried out to make fi

18、ne-grained Mg alloy sheets. Stamping tests were conducted at the temperatures range from 100 to 350 . The results reveal that after deformation of multi-reduction the recrystallization appears in the AZ31 alloy, which the grains are equal-axial and the size is finer than 20 µm; the tensile strength of the alloy of 2 mm and 0.6 mm in thickness changes with the deformation direction and so does the elongation; there exists an excellent warm forming temperatu