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参考文献

中国有色金属学报 2004,(03),391-397 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.03.011

轧制方式对AZ31镁合金薄板组织和性能的影响

张青来卢晨朱燕萍丁文江贺继泓

上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海钢铁研究所上海200030 ,上海200030 ,上海200030 ,上海200030 ,上海200940

摘要：

研究轧制方式对AZ31镁合金薄板组织和性能的影响。交叉轧制可使材料的延伸率显著提高,σ0.2和σb明显下降,加强了组织的均匀性和等轴性。交叉轧制的AZ31镁合金薄板具有良好的深冲性能。

关键词：

AZ31镁合金;交叉轧制;组织性能;热深冲;

中图分类号： TG335

作者简介：张青来(1962),男,副教授,博士.;张青来,副教授;电话:02162932164;传真:02162932113;E mail:bxzhang@mail.sjtu.edu.cn;

收稿日期：2003-05-30

基金：国家"八六三"计划资助项目(2003AA331120);

Effect of rolling method on microstructure and properties of AZ31 magnesium alloy thin sheet

Abstract：

The effect of rolling method on microstructure and properties of a AZ31 magnesium alloy thin sheet were investigated. The results show that the elongation can be increased apparently by cross rolling, while the ultimate tensile strength and the yield strength are decreased. The uniformity and the spheroidicity of the microstructure are improved. The heat stamping experiment proves the deep drawing property of AZ31 magnesium alloy thin sheet.

Keyword：

AZ31 magnesium alloy; cross rolling; microstructure and property; heat stamping;

Received： 2003-05-30

镁合金是最轻的结构金属材料, 密度大约为1.74 g/cm³, 是钢的1/4, 铝的2/3。与钢和铝合金相比 ^[1] , 镁合金不仅有较高的比强度和比刚度, 而且具有优良的散热性能、电磁屏蔽性能、减震性能和机械加工性能, 其产品易回收利用, 有望成为21世纪重要的商用轻质结构材料 ^[1] 。

金属镁具有密排六方(HCP)晶体结构, 滑移系少, 致使镁合金材料比其他常见金属铝、铁等的塑性变形能力更差 ^[1,2] 。德国奥迪汽车公司采用热冲压法成功地生产镁合金汽车件, 如汽车内门板 ^[3,4] , Polo两门车应用内镁外铝混合车门, 比用钢板质量减少50%, 比用铝板减少20%。镁及镁合金板带材产品还广泛用于制造飞机、弹道导弹和其他飞行器的机舱、机翼、内外蒙皮及各种结构器件, 导弹系统的雷达反射器等军用领域。镁合金热冲压成形性能与钢板和铝板在室温下的冲压性能相近。目前, 国内外学者对镁合金轧制和热冲压的研究作了大量工作 ^{[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]} 。

本文作者采用交叉轧制和单向轧制2种热轧工艺制备了具有良好组织状态的AZ31镁合金薄板。分别测定热轧态和退火态AZ31镁合金薄板的横向及纵向的力学性能, 确定轧制方式对镁合金冲压性能的影响。

1 实验

实验用材料为工业连铸镁合金AZ31棒材, 其化学成分见表1。镁合金棒材经高温均匀化退火后, 在630 t挤压机挤压出83 mm×6.0 mm的板坯, 然后用四辊轧机单向轧制成(75～80)mm×(0.2～0.8)mm和交叉轧制成300 mm×(0.4～0.8)mm的镁合金薄板。用LEICA MEF4M光学显微镜观察热轧态和退火态镁合金显微组织。

表1 镁合金AZ31的化学成分下载原图

Table 1 Chemical compositions of AZ31 alloy(mass fraction, %)

将AZ31镁合金板材拉伸试样进行退火处理 ^[6] (250 ℃, 0.5 h, 空冷)。试样拉伸力学性能在电子万能材料实验机BTC-FR020TN.A50上测试。用Hitachi S-125扫描电子显微镜观察断口形貌。

由于镁是密排六方的晶体结构, 合金元素在镁基体中扩散速率很低, 很容易在凝固过程中产生枝晶偏析和非平衡结晶相。为了提高合金组织成分的均匀性, 对d 120 mm的AZ31镁合金连铸棒材进行均匀化退火, 显微组织如图1(a)所示。根据文献 [ 1] 确定, 棒材在673 K温度下退火24 h左右。挤压镁合金板坯在630T挤压机上进行, 板坯规格为83 mm×6.0 mm, 经673 K, 4 h退火后, 其显微组织如图1(b)所示。

交叉轧制: 镁合金板坯加热至623～673 K, 保温0.5 h, 沿垂直与板坯挤压方向进行轧制。在轧制之前, 利用热钢板反复轧制来加热轧辊工作面。将300 mm×83 mm×6.0 mm尺寸的板坯热轧制成300 mm×300 mm×1.5 mm的薄板, 然后进行酸处理以便去除表面的氧化皮和夹杂物。第2轧制阶段, 镁合金板坯在523～573 K炉中保温0.5 h, 进行应力退火处理, 将薄板再旋转90°, 沿镁板坯挤压方向进行热轧, 薄板尺寸约为600 mm×300 mm×0.8 mm。为了进一步提高镁合金薄板组织性能和平整度, 退火处理后, 进行冷轧制, 裁碎边之后, 镁合金薄板产品的尺寸为(600～800)mm×300 mm×(0.4～0.8)mm(图2), 其显微组织见图3。

图1 AZ31镁合金的显微组织

Fig.1 Microstructures of AZ31 alloy

(a)—Homogenizing annealing; (b)—Extruded

图2 交叉轧制的镁合金薄板

Fig.2 AZ31 magnesium alloy thin sheet by cross rolling

(a)—300 mm×(0.2～0.4)mm; (b)—300 mm×(0.5～0.8)mm

单向轧制: 镁合金板坯单向轧制工艺如同交叉轧制工艺, 不同的是沿镁板坯挤压方向进行轧制, 不换向, 镁合金薄板最终尺寸为(75～80)mm×(0.2～0.8)mm, 其显微组织见图3。

2 结果与讨论

2.1 AZ31镁合金轧制工艺

为了更深入地分析热轧+冷轧AZ31镁合金的微观组织结构, 观察了不同薄板厚度的横纵向金相组织。从图1(a)可看到, 工业态AZ31镁合金的晶粒比较粗大, 平均晶粒度为86 μm, 晶界上有随机分布的二次相 ^[11] , 这是铸态AZ31镁合金典型的金相组织。在大变形量挤压后, 铸态AZ31镁合金的晶粒被明显细化且显等轴状, 其平均晶粒度为23 μm, 大部分晶界为大角晶界, 如图1(b)所示。原先分布在晶界上的二次相经过挤压变形以后大部分弥散析出在晶粒内部, 且很细小, 这主要是因为在热挤压过程中发生了二次相弥散析出。从图3可看出, 在热轧+冷轧矫直后的合金中存在着大量孪晶或孪晶组、亚结构和位错等微观组织。一方面, 细小晶粒很容易使晶界滑移, 同时晶界增多, 提高了原子扩散速率; 另一方面, 孪晶和位错结构可以很好地协调晶界滑移。两方面共同作用使得轧制AZ31镁合金在高应变速率下获得良好的塑性变形。大晶粒组织的挤压AZ31镁合金在热轧制变形后, 都获得了不同程度的晶粒细化和等轴化分布, 这是发生动态再结晶的细化结果 ^[5,11] 。在精轧过程中, 由于变形时间短, 板材与轧辊接触后冷却速度快, 特别是在冷矫直后, 没发生完全动态再结晶 ^[6] 。而退火后的合金变形组织已经完全转变为等轴晶的静态再结晶组织(图4(a)所示)。由于动态再结晶最容易发生在具有原始纤维组织(挤压态或轧制态)的拉伸变形中, 同时, 动态再结晶消除了原来存在于挤压态或轧制态AZ31镁合金组织中的小角度晶界, 使其变成大角度晶界结构, 这些细化晶粒会通过晶界滑移和晶粒转动来达到等轴分布状态。交叉轧制与单向轧制(不换向)再结晶组织的平均晶粒度虽然相差不多, 但前者比后者更具有均匀性和等轴性。经冷轧后, 交叉轧制薄板的横纵向显微组织强化了晶粒均匀性和等轴性, 这种组织能使深冲压加工的应力和应变分布均匀, 特别是成品板材的晶粒内部弥散析出二次相(大小约为1 μm左右), 以起到固化和钉扎的作用 ^[11] , 有利于板材的塑性变形和深冲性能, 提高板材的变形能力。在轧制过程中退火保温时间过长, 将导致轧制后镁合金晶粒粗大(如图3(c), 3(d)所示)。

图3 AZ31热轧态镁合金薄板的金相组织

Fig.3 Microstructures of AZ31 thin sheet (rolling state)

Sheet thick: (a), (b)—0.60 mm; (c), (d)—0.80 mm; (e), (f)—0.24 mm Rolling direction: (a), (c), (e)—Transverse; (b), (d), (f)—Portrait Rolling method: (a), (b) , (c), (d)—Cross rolling; (e), (f)—Portrait rolling

2.2 AZ31镁合金交叉轧制的作用

表2示出了轧制方法对AZ31镁合金薄板性能的影响。交叉轧制时, 材料的延伸率显著提高, σ_0.2和σ_b明显下降, 降至最低点; 单向轧制时, 则出现相反的结果。可见, 交叉轧制能有效地减轻材料的各向异性 ^[14] , 提高其深冲性能; 另一方面, 交叉轧制加强了材料内部组织的均匀性和等轴化作用, 为深冲变形提供了一个良好的内部组织结构条件(图4(a))。而退火温度及保温时间对AZ31镁合金薄板的组织和性能有重要的影响。从图4(b)可知, 保温时间增加至45 min, 其晶粒组织明显长大。

表2 AZ31薄板的力学性能下载原图

Table 2 Tensile properties of materials

图4 AZ31镁合金薄板退火后金相组织Fig.4 Microstructures of AZ31 thin sheet after annealing

(a)—250℃,30 min;(b)—250℃,45 min

2.3 AZ31镁合金的拉伸断口分析

从图5的AZ31镁合金拉伸曲线可观察到, 热轧态和退火态下的变形属于均匀塑性变形, 无明显的缩颈现象。

图5 AZ31镁合金交叉轧制薄板拉伸σ—ε曲线

Fig.5 Strain—stress curves of AZ31 thin sheet by cross rolling

AZ31镁合金变形后在其晶界上或二次相周围存在许多微小孔洞 ^[11] 。普遍认为, 当晶界或二次相与基体界面上承受较高的正向拉应力时, 这些地方由于应力集中会产生微细孔穴, 这些孔穴通过扩散蠕变和抵消复合的双重作用, 会在局部聚集而成微小的孔洞。从图6断口形貌观察到, 退火状态下, 断口基本上由不均匀网格状撕裂棱和不均匀分布的孔洞组成, 这些撕裂棱网格和孔洞互相作用、互相制约, 使部分应力增加。这些集中应力在均匀塑性变形结束后得不到释放, 故导致撕裂棱与韧窝共存的形貌, 属于韧性断裂, 是密排六方晶体结构镁断裂方式。在热轧态下, 交叉轧制的AZ31镁合金断口属于韧性断裂; 单向轧制的合金显现韧性-脆性混合型断裂。

图6 AZ31镁合金薄板退火后室温拉伸断口形貌

Fig.6 Tensile fracture morphologies of thin sheet after annealing (a)—Cross rolling; (b)—Portrait rolling

2.4 镁合金薄板温拉深实验

为研究轧制方式对AZ31薄板热冲压性能的影响, 在100 t液压实验机上分别进行了单向轧制和交叉轧制镁合金薄板温拉深性能实验。冲头直径和凹模直径分别为66 mm和68 mm。实验所用圆形坯料的直径为142 mm。结果表明: 在200～250 ℃和相同冲压速度下单向轧制镁合金薄板(或挤压薄板)的冲裂主要发生在沿着轧制或挤压方向; 而交叉轧制镁合金薄板未出现断裂现象, 拉深比可达到2.15。

在16 t冲床上设计一套热冲压装置, 进行镁合金薄板快速热冲压实验。采用机械冲压法热冲压出60 mm×60 mm 的方形件(薄板坯料加热至250～400 ℃, 保温1～5 min; 模具预热至200 ℃), 无裂纹和冲裂现象(如图7所示)。实际冲压结果证实: 经交叉轧制后, 材料的冲压成功率显著提高; 单向轧制镁合金薄板(或挤压薄板)易出现冲裂现象。由于镁板温度较低和保温时间不够, 在热冲压时发生局部冲裂现象。图8所示为冲裂部位的断口形貌, 是由多孔网格(图8(a))和河流(图8(b))组成。另一方面, 由于晶粒组织的不均匀性, 深冲加工中材料的塑性和变形抗力是不同的, 在承受载荷时就会造成变形不均匀, 使材料过早开裂, 这就是不均匀的晶粒组织对材料性能的重要影响 ^[14] 。