az31鎂合金板材x射線精密軋制成形性能研究

az31鎂合金板材x射線精密軋制成形性能研究

作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂和金被稱為“21世紀最先進的綠色材料”。特別是，聚吡咯服裝的變形能夠充分利用其良好的完整性。然而,由于在密排六方結(jié)構(gòu)的鎂合金中滑移系少,采用常規(guī)擠壓和軋制技術(shù)制備的鎂合金板材內(nèi)存在強烈的(0002)基面織構(gòu),嚴重制約了其室溫塑性和成形性能的提高,鎂合金板材的成形通常需在高溫下進行。因此,提高鎂合金的塑性和改善鎂合金的室溫成形性能已成為拓展變形鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵。采用熱機械處理等工藝來細化晶粒是改善鎂合金塑性的有效途徑。近年來,一些特殊的成形技術(shù)如等徑角擠壓(ECAE)、疊軋和連續(xù)剪切變形等被廣泛應(yīng)用于變形鎂合金的成形,并獲得較滿意的晶粒細化效果[6,7,8,9,10,11,12,13]。此外,由于室溫下鎂合金非基面滑移的臨界剪切應(yīng)力遠大于基面滑移的,因此織構(gòu)特別是(0002)基面的取向分布特征對鎂合金的二次成形性能具有顯著的影響。MUKAI等的研究表明,通過控制合金的晶粒取向分布,粗晶鎂合金也能獲得良好的塑性。IWANAGA等的研究也發(fā)現(xiàn),通過削弱(0002)基面織構(gòu)的強度可使鎂合金板材的室溫杯突值(Er值)由1.2增大至1.4。大量研究表明,采用ECAE工藝制備的鎂合金不僅晶粒細小,而且由于剪切應(yīng)力的作用可以獲得非基面織構(gòu),因而ECAE鎂合金具有良好的室溫塑性。盡管如此,由于受模具結(jié)構(gòu)的限制,采用ECAE技術(shù)難以制備鎂合金板材。近來,國外有少量研究報道,采用大異速比異步軋制技術(shù)(異速比在1.5以上)制備的鎂合金板材的基面織構(gòu)被削弱,具有良好的室溫塑性。但這些研究很少涉及鎂合金板材的室溫成形性能,而有關(guān)小異速比異步軋制技術(shù)的研究更是鮮見報導(dǎo)。因此,本文作者旨在探索采用多道次小異速比軋制(異速比為1.05)技術(shù)來提高AZ31鎂合金板材室溫成形性能,并重點研究異步軋制鎂合金板材的微觀組織及其與室溫成形性能間的內(nèi)在聯(lián)系。1大輥和道次軋板cr的制備工藝試驗用材料為截面尺寸為120mm×10mm的擠壓AZ31鎂合金板坯,合金的名義化學(xué)成分為:Mg-3%A1-0.8%Zn-0.4%Mn(質(zhì)量分數(shù))。采用多道次異步軋制工藝制得2mm厚的板材,異步軋制(DSR)試驗在異徑異步軋機上進行,異速比為1.05(下軋輥為大輥,其輥徑為260mm),道次壓下量恒定為5%,每道次軋制前板坯加熱溫度為573K,保溫時間為5min。將最終所得板材在廂式電阻爐中進行退火處理,退火溫度為573K,保溫時間為30min。同時采用相同的熱軋工藝制備常規(guī)軋制(CR)板材,以便與異步軋制板材進行對比研究。從軋板和退火板材中截取試樣進行微觀組織觀察和室溫成形性能分析。沿軋制面觀察板材的金相組織,所用腐蝕劑為5g苦味酸+5g冰醋酸+10mL水+80mL乙醇的混合液;采用JSM-5600型透射電鏡觀察板材的微觀組織、XRD儀測定板材的{0002}和極圖;用Deforme2D對不同異步軋制道次板材的切變特征進行模擬。在WDW-E200電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,試樣標(biāo)距尺寸為25mm×5mm,拉伸速度恒定為0.5mm/min。在計算機控制杯突試驗機上進行室溫成形性能測試,測定室溫脹形時的杯突值。2結(jié)果與討論2.1持續(xù)焊接下的熱變形試驗圖1所示為常規(guī)軋制和異步軋制AZ31鎂合金板材在退火前、后的金相組織。由圖1可看出,常規(guī)軋制板材的金相組織主要由大小極不均勻的等軸晶粒組成,大晶粒內(nèi)部存在大量的孿晶,細小的再結(jié)晶晶粒則主要環(huán)繞大晶粒的晶界分布,表明在軋制過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。異步軋制后板材晶粒明顯細化,且晶粒大小趨于均勻,同時孿晶數(shù)量則大幅度減少。而采用大異速比單道次軋制的AZ31板材內(nèi)則以局部流變?yōu)橹?很少發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。退火處理后,常規(guī)軋制板材的晶粒尺寸變化不大,但其中的孿晶組織基本消失,且在原始孿晶處出現(xiàn)新的等軸狀晶粒;異步軋制板材中部分晶粒發(fā)生了明顯的長大,大、小晶粒各占50%左右。由此可見,異步軋制與常規(guī)軋制板材不僅組織形貌不同,而且在熱變形和后續(xù)退火過程中的組織演變規(guī)律也存在差異。大量研究表明,動態(tài)再結(jié)晶是鎂合金熱變形過程中主要的晶粒細化機制。常規(guī)軋制時雖然發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,但由于道次變形量較小,動態(tài)再結(jié)晶進行得不完全,因此細小的再結(jié)晶新晶粒較少。同時,鎂合金的滑移系少而使變形組織中存在大量的孿晶,且由于板材軋制前的初始取向為基面取向,這些孿晶屬于界面穩(wěn)定性較低的壓縮孿晶。TEM分析表明,在后續(xù)退火過程中,壓縮孿晶內(nèi)部發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶而使孿晶消失,同時在原始孿晶處形成細小的新晶粒(見圖2(a))。但由于在AZ31合金中缺少有效的晶界釘扎相,小晶粒在加熱時容易長大。兩者綜合作用的結(jié)果使常規(guī)軋制板材在退火前、后的晶粒尺寸變化不大。異步軋制時,在壓下量相同的條件下“搓軋”變形區(qū)內(nèi)所引入的附加剪切變形使總應(yīng)變增大,孿晶內(nèi)部及孿晶界附近區(qū)域的畸變增加,壓縮孿晶的穩(wěn)定性進一步降低。不僅孿晶內(nèi),孿晶與孿晶、孿晶與基體之間均可發(fā)生強烈的交互作用,結(jié)果發(fā)生基于孿晶的動態(tài)再結(jié)晶而細化晶粒,并使壓縮孿晶的體積分數(shù)減小(見圖2(b))。因此,在后續(xù)退火過程中,異步軋制板材內(nèi),孿晶較少的區(qū)域難以通過基于壓縮孿晶的靜態(tài)再結(jié)晶來細化晶粒,退火前,細小的晶粒在界面能的驅(qū)動下發(fā)生明顯的晶粒長大。而在軋板內(nèi)孿晶較密集的區(qū)域,退火過程中其組織變化規(guī)律與常規(guī)軋制板材的相同,退火后仍保持細晶組織。2.2鎂合金基面織構(gòu)的發(fā)育機理常規(guī)軋制和異步軋制AZ31鎂合金板材在退火前、后的{0002}和極圖如圖3所示。由圖3可見,常規(guī)軋制板材具有典型的強(0002)基面織構(gòu),即大部分晶粒均以其(0002)基面平行于板材的表面,對板材的后續(xù)成形極為不利。異步軋制后,板材的織構(gòu)類型不變,但織構(gòu)強度明顯減弱,{0002}極圖的最大極密度由10降至6,且基面繞TD軸沿RD方向發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)。退火后,兩種板材的織構(gòu)類型不變而強度均有所減弱,特別是異步軋制板材{0002}極圖的最大極密度僅為2,這對提高鎂合金的塑性和成形性能極為有利。退火后鎂合金板材基面織構(gòu)減弱的現(xiàn)象在其它文獻中也有報導(dǎo)。根據(jù)鎂合金織構(gòu)的形成機理,(0002)基面織構(gòu)是塑性變形過程中基面滑移和錐面孿生共同作用的結(jié)果,并與軋制變形區(qū)的應(yīng)力條件密切相關(guān)。異步軋制時變形區(qū)內(nèi)存在“搓軋”區(qū),該區(qū)內(nèi)的剪切應(yīng)力平行于板材表面,是促使基面織構(gòu)弱化的根本原因。異步軋制后鎂合金基面織構(gòu)減弱的現(xiàn)象在文獻中也有報導(dǎo),但這些文獻都是基于大異速比單道次異步軋制。為了進一步分析小異速比多道次異步軋制條件下AZ31鎂合金基面織構(gòu)減弱的機理,采用Deforme2D對不同異步軋制道次板材的切變特征進行模擬,結(jié)果如圖4所示。由圖4見,盡管小異速比單道次軋制時的切變量較小,但隨著軋制道次的增加,剪切應(yīng)變不斷積累,多道次軋制后可獲得較大的剪切應(yīng)變,從而弱化基面織構(gòu)。2.3增強了晶粒型性能常規(guī)軋制和異步軋制AZ31鎂合金板材在退火前、后的室溫拉伸曲線如圖5所示。兩種板材均具有較明顯的塑性各向異性,這是由板材的織構(gòu)特征所引起的,即{0002}極圖沿RD和TD方向呈不對稱分布而沿TD方向壓扁。但與常規(guī)軋制板材相比,異步軋制后板材的室溫抗拉強度降低約8%,而伸長率提高33%,沿RD和TD方向的室溫伸長率分別達24%和32%。由前述宏觀織構(gòu)分析可知,異步軋制可以弱化板材的基面織構(gòu),這也是異步軋制板材室溫塑性得以大幅提高的根本原因。兩種板材的強度均有所降低而伸長率有所提高。值得注意的是,異步軋制板材退火后,沿軋向(RD)和橫向(TD)方向的室溫伸長率均高達32%,表現(xiàn)出良好的室溫塑性和面內(nèi)各向同性。這一結(jié)果也與前面的織構(gòu)分析相符,退火后織構(gòu)漫散度增大,對稱性增強。圖6所示為兩種板材室溫沖杯件的宏觀照片及相應(yīng)的杯突值(Erichsen值)。由圖6可看出,常規(guī)軋制板材的室溫成形性能較差,退火前后的杯突值分別為2.04mm和3.59mm,而異步軋制板材退火前后的室溫杯突值則分別高達4.28mm和6.14mm,表現(xiàn)出良好的室溫成形性能。為了進一步分析異步軋制板材室溫成形性能大幅提高的原因,由室溫拉伸試驗測定了軋制板材沿0?、45?和90?方向的塑性應(yīng)變比,其結(jié)果如7所示。由圖7可看出,常規(guī)軋制AZ31鎂合金軋制板材沿0?和90?方向的r值分別為1.29和3.36,異步軋制后板材的r值有所降低,分別為1.08和2.96,且板平面方向性明顯減小。一般情況,增大r值能抑制板材厚向應(yīng)變,有利于提高鋼、鋁等材料的深沖性能。但r值強烈地依賴于板材的織構(gòu)特征,并且其對成形性能的影響還與塑性變形機制有關(guān)。具有強基面織構(gòu)的鎂合金室溫塑性變形的主要機制為錐面孿生,板材厚向變形困難,因此常規(guī)軋制板材具有較大的r值。異步軋制后,(0002)基面織構(gòu)明顯減弱,基面滑移成為主要的變形機制,沿板材厚向更容易發(fā)生塑性變形,結(jié)果使板材的r值降低、脹形時的變形協(xié)調(diào)性增強。因此,(0002)基面織構(gòu)減弱所導(dǎo)致的r值和板平面方向性降低有利于鎂合金板材室溫成形性能特別是脹形性能的提高。異步軋制AZ31鎂合金板材仍具有(0002)織構(gòu),要進一步提高其室溫成形性能,需從根本上改變板材的織構(gòu)類型。3本底反應(yīng)的基面織構(gòu)1)小異速比多道次異步軋制能引入附加的剪切應(yīng)變,促進壓縮孿晶的交互作用,抑制孿晶的形成,顯著細化AZ31鎂合金的晶粒組織。2)小異速比多道次異步軋制不改變板材的(0002)基面織構(gòu)類型,但通過多道次軋制時,剪切應(yīng)變的積累顯著削弱基面織構(gòu)的強度。經(jīng)573K,30min退火處理后,基面織構(gòu)強度進一步降低且對稱性增強。3)與常規(guī)軋制相比,異步軋制AZ31鎂合金板材的室溫抗拉