擠壓比對(duì)AZ31B鎂合金組織和室溫力學(xué)性能的影響

劉運(yùn)騰，林濤 ，周吉學(xué),2，莊海華，馬百常，楊院生

(1.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

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【新材料】

擠壓比對(duì)AZ31B鎂合金組織和室溫力學(xué)性能的影響

劉運(yùn)騰1，林濤1，周吉學(xué)1,2，莊海華1，馬百常1，楊院生3

(1.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

摘要：研究了不同擠壓比對(duì)AZ31B鎂合金顯微組織、力學(xué)性能的影響。采用光學(xué)顯微鏡觀察了擠壓棒材顯微組織，通過(guò)材料萬(wàn)能試驗(yàn)測(cè)試了拉伸和壓縮性能，并配合掃描電鏡觀察了拉伸試樣的斷口處顯微組織和形貌。結(jié)果表明，隨著擠壓比的增加，組織由部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶向完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)渡；合金拉伸斷口由混合斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@韌性斷裂,壓縮斷口由解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂。大擠壓比可以獲得良好的綜合性能和細(xì)致均勻的組織，抗拉強(qiáng)度為310 MPa，屈服強(qiáng)度為200 MPa，延伸率為14%，并且拉伸壓縮不對(duì)稱性得到緩解，有利于鎂合金的二次塑性加工。

關(guān)鍵詞：AZ31B鎂合金；熱擠壓；顯微組織；力學(xué)性能；擠壓比

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)得到持續(xù)增長(zhǎng)。交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展使其面臨著能耗和環(huán)保等方面的問(wèn)題，汽車輕量化技術(shù)是節(jié)約能源和減少有害氣體排放的有效途徑之一。鎂合金由于比強(qiáng)度和比剛度高，是汽車輕量化的理想材料。變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更優(yōu)良的力學(xué)性能，更適合于制造結(jié)構(gòu)件。相對(duì)于其他塑性變形工藝如軋制、鍛造，擠壓具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便等低成本優(yōu)勢(shì)。作為研究和應(yīng)用最多的變形鎂合金之一，AZ31B無(wú)法通過(guò)熱處理強(qiáng)化，而細(xì)化晶粒就成為提高其強(qiáng)度的唯一途徑。因此，研究AZ31B鎂合金擠壓棒材組織對(duì)室溫力學(xué)性能的影響，對(duì)通過(guò)擠壓工藝控制鎂合金的力學(xué)性能及二次加工成形具有指導(dǎo)意義；同時(shí)，對(duì)通過(guò)調(diào)控變形鎂合金組織提高其力學(xué)性能具有理論價(jià)值[1-5]。

本文對(duì)不同擠壓比棒材進(jìn)行了拉伸和壓縮力學(xué)性能測(cè)試，并利用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)其斷口形貌和顯微組織進(jìn)行觀察，分析了其室溫?cái)嗔褭C(jī)制。

1試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用的AZ31B鎂合金是經(jīng)過(guò)均勻化處理的商用120 mm鑄錠，化學(xué)成分如表1所示。擠壓試驗(yàn)在臥式800噸擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓筒直徑為125 mm，擠壓比(λ)為15、60；坯料溫度(T)為400 ℃，擠壓筒、模具溫度比坯料溫度低 20 ℃；擠壓出口速度(v)為1 m/min。

在鑄錠與擠壓棒材中心截取拉伸試棒，尺寸如圖1所示，壓縮試樣為φ10 mm×15 mm。拉伸和壓縮試驗(yàn)在濟(jì)南試金WDW-200E 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，變形速率為2 mm/min，每組3個(gè)平行試樣，數(shù)據(jù)取平均值。在鑄錠和擠壓棒材的垂直擠壓方向上截取試樣進(jìn)行組織觀察，試樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和拋光后腐蝕，腐蝕溶劑為 苦味酸4.2 g、水10 mL 、醋酸10 mL 和酒精70 mL，腐蝕時(shí)間10～30 s。采用Zeiss Axio observerAlm光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察，晶粒尺寸及再結(jié)晶比例分?jǐn)?shù)采用劃線法統(tǒng)計(jì)計(jì)算。采用Zeiss EVO MA10掃描電鏡進(jìn)行試棒斷口分析。

表1　AZ31B鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1　拉伸試樣示意圖Fig.1　 Illustration of the tensile sample

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1擠壓棒材顯微組織

圖2為不同擠壓比條件下的AZ31B鎂合金擠壓棒材微觀組織。擠壓過(guò)程中，在鎂合金原始晶粒邊界處首先形成亞晶結(jié)構(gòu)，而后通過(guò)亞晶合并機(jī)制形成大角度亞晶和亞晶界，這些晶界通過(guò)遷移吸收位錯(cuò)，使得亞晶進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)和合并，最終形成細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒[6-7]。從圖2a中可以看出在擠壓比較小時(shí)，得到的棒材呈現(xiàn)典型的混晶組織——由發(fā)生再結(jié)晶的細(xì)小晶粒包裹未發(fā)生再結(jié)晶的粗大晶粒。其中細(xì)小晶粒平均晶粒尺寸約為4～6 μm，體積分?jǐn)?shù)約為50%，而粗大晶粒尺寸約在50 μm左右。當(dāng)擠壓比增大，變形程度增加時(shí)，晶格嚴(yán)重畸變的高能位區(qū)增多，形核率增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與形核率成負(fù)相關(guān)，形核率越大，晶粒尺寸越小，從而使晶粒進(jìn)一步細(xì)化[8-9]；同時(shí)變形熱隨之增加，細(xì)小的晶粒會(huì)長(zhǎng)大及合并，因而擠壓比為60時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的超過(guò)90%，組織趨于均勻，平均晶粒尺寸約為8～10 μm。

圖2　AZ31B擠壓棒材顯微組織Fig.2　Microstructure of the extruded AZ31B alloy for different extrusion ratios(λ)

堆垛層錯(cuò)能和晶界擴(kuò)散速率是影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的兩個(gè)重要因素，堆垛層錯(cuò)能減小或晶界擴(kuò)散速率增加可促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，因鎂合金層錯(cuò)能比鋁合金的低，不易通過(guò)動(dòng)態(tài)回復(fù)釋放變形能量，其軟化機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在擠壓比較小的情況下，變形熱較少，形成的再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大緩慢，因而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒較細(xì)。在擠壓比較大的情況下，產(chǎn)生變形熱較多，晶界擴(kuò)散速率急劇增大，導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒迅速長(zhǎng)大。

2.2力學(xué)性能

圖3為不同擠壓比AZ31鎂合金棒材的拉伸和壓縮性能，圖中應(yīng)力為工程應(yīng)力。從圖3a中可以看出，擠壓比為15時(shí)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為220 MPa、320 MPa和10%；擠壓比為60時(shí)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為200 MPa、310 MPa和14%。細(xì)晶強(qiáng)化是擠壓態(tài)鎂合金強(qiáng)度提高的主要原因[10]，根據(jù)Hall-Petch公式可知材料的晶粒尺寸越小，其屈服強(qiáng)度越高。由圖2可以看出，小擠壓比時(shí)組織屬于典型的不完全再結(jié)晶的混晶組織，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒細(xì)小，而未再結(jié)晶的晶粒也一定程度地產(chǎn)生了加工硬化。因此，擠壓比15相對(duì)于擠壓比60，屈服強(qiáng)度提高了20 Mpa，抗拉強(qiáng)度為10 MPa；增大擠壓比能夠提高動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)，使組織更加均勻，此時(shí)擠壓過(guò)程中的軟化機(jī)制大于硬化機(jī)制。這使得高擠壓比的棒材斷裂伸長(zhǎng)率更高。

圖3　不同擠壓比AZ31鎂合金棒材的拉伸和壓縮性能Fig.3　Tensile and compressive properties of the extruded AZ31 alloy for different extrusion ratios

圖3b為不同擠壓比的壓縮性能，其中，ED為平行擠壓方向，RD為垂直擠壓方向。從圖中可以看出：在平行擠壓方向并且擠壓比為60時(shí)，材料的壓縮屈服強(qiáng)度為175 MPa；而垂直擠壓方向及小擠壓比時(shí)，材料的壓縮屈服強(qiáng)度約為130 MPa左右。另外，不同方向和不同擠壓比材料的抗壓強(qiáng)度相差不大，但其強(qiáng)度的大小關(guān)系與壓縮屈服呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，并且與材料的抗拉強(qiáng)度差別不大。在此需要指出的是，鎂合金具有明顯的拉壓不對(duì)稱性，即抗拉不抗壓。從圖3b可以看出，在擠壓比較大時(shí)得到的平均晶粒細(xì)小的均勻再結(jié)晶組織，弱化了棒材中的織構(gòu)，有助于縮小材料的拉壓不對(duì)稱性。這與文獻(xiàn)[10]細(xì)化晶粒尺寸會(huì)弱化擠壓態(tài)鎂合金的拉伸-壓縮不對(duì)稱性的結(jié)論一致。進(jìn)一步的相關(guān)變形機(jī)制和性能關(guān)系的探討，需要進(jìn)行深入的XRD及EBSD分析。綜上所述，從組織、力學(xué)性能及拉壓不對(duì)稱性等方面考慮，擠壓比為60時(shí)，鎂合金棒材綜合性能較好。

2.3斷口顯微組織及形貌

通過(guò)斷口顯微組織和形貌，進(jìn)一步研究不同擠壓比下AZ31B室溫力學(xué)性能的差別。圖4為AZ31B合金室溫拉伸和壓縮斷口附近顯微組織。由于小擠壓比試樣存在部分未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的大晶粒和沿原始晶界分布的細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，在室溫拉伸或者壓縮過(guò)程中，一旦滑移面趨于平行受力方向，鎂合金晶體中的滑移系就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步外力將導(dǎo)致孿晶的發(fā)生，如圖4a、4c所示，孿晶在拉長(zhǎng)的原始晶粒內(nèi)形成，同時(shí)存在部分典型的{10-11}壓縮孿晶和{10-11}-{10-12}雙孿晶組織[11-12]；而在細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶內(nèi)很少產(chǎn)生孿晶，如圖4b、4d，一旦發(fā)生孿晶，由于晶體取向的變化，滑移面不再平行于受力方向，原有的滑移系又會(huì)啟動(dòng)，變形得以繼續(xù)直至發(fā)生斷裂。擠壓比小的試樣中組織不均勻，變形過(guò)程中在粗大晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量孿晶，而在孿晶界處容易萌生裂紋。雖然孿晶面和晶界都會(huì)阻礙裂紋的擴(kuò)展，但擠壓比較大的試樣中晶界更多，阻礙作用更強(qiáng)，裂紋不易擴(kuò)展，因而擠壓比大的試樣塑性較好。因此，增大擠壓比，在細(xì)化鎂合金晶粒的同時(shí)提高了組織均勻性，進(jìn)而提高了鎂合金棒材的室溫塑性。

a、c λ=15;b、d λ=60;a、b 拉伸試驗(yàn);c、d 壓縮試驗(yàn) (ED) 圖4　AZ31B合金斷口處顯微組織Fig.4　Microstructure of the fracture of the extruded AZ31B alloy

a、c λ=15; b、d λ=60;a、b 拉伸試驗(yàn)； c、d 壓縮試驗(yàn)(ED) 圖5　AZ31合金斷口形貌Fig.5　Fracture morphologies of the extruded AZ31 alloy

圖5為不同擠壓比下的AZ31合金拉伸和壓縮斷口形貌。由圖5a、5b可以看到，熱擠壓成形之后，不同擠壓比條件下，熱擠壓試樣拉伸斷口具有不同的斷裂特征。小擠壓比(λ=15)時(shí)，斷裂模式為韌性為主的混合型斷裂，斷口中存在寬大的解理臺(tái)階、二次裂紋，這是因?yàn)樵跀嗔堰^(guò)程中出現(xiàn)了穿晶斷裂，這也印證了小擠壓比組織不均勻，再結(jié)晶不完全，存在尺寸較大的晶粒；同時(shí)斷口中還有一定數(shù)量的大小不等韌窩，大韌窩周圍圍繞著許多小韌窩，韌窩之間存在撕裂棱。而擠壓比增大時(shí)(λ=60)，斷口形貌發(fā)生了明顯的變化，撕裂棱尺寸減少，斷面的韌窩更加致密，分布更加均勻，且存在較深的韌窩，塑性進(jìn)一步提升，延伸率顯著提高。壓縮斷口形貌(圖 5c、5d)可以觀察到解理面和解理臺(tái)階，并且具有明顯的河流花樣等解理斷裂特征，其中圖5c小擠壓比的試樣壓縮斷口中有撕裂棱的存在，因此認(rèn)為小擠壓比試樣壓縮斷裂屬于韌脆結(jié)合型準(zhǔn)解理斷裂。上述斷口形貌的變化，印證了組織與性能的變化規(guī)律。

3結(jié)論

(1)擠壓比對(duì)AZ31鎂合金的組織影響較大，當(dāng)擠壓比較小(λ=15)時(shí)，發(fā)生部分再結(jié)晶，組織不均勻；擠壓比提高到60時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較為充分，組織相對(duì)均勻。

(2)擠壓比小時(shí)，AZ31鎂合金擠壓棒材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相對(duì)較高，而延伸率相對(duì)較低(約為10%)。大擠壓比的綜合性能提升，延伸率可以提高到14%，并且拉伸壓縮不對(duì)稱性得到緩解，有利于鎂合金的二次塑性加工。

(3)隨著擠壓比的增大，AZ31鎂合金擠壓棒材的拉伸斷口從穿晶斷裂和韌性斷裂的混合斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@韌性斷裂。壓縮斷口從解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.005

收稿日期：2016-04-13

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金(ZR2015EQ019)；山東省科學(xué)院青年基金(2016QN014)

作者簡(jiǎn)介：劉運(yùn)騰(1980-)，男，副研究員，博士，研究方向?yàn)殒V合金塑性成形研究。Tel：0531-88728307，Email: liu_yunteng@126.com

中圖分類號(hào)：TG146.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2016)03-0023-05

Impact of extrusion ratio on microstructure and indoor temperature mechanical properties of AZ31B Magnesium alloy

LIU Yun-teng1，LIN Tao1ZHOU Ji-xue1,2,ZHUANG Hai-hua1,MA Bai-chang1, YANG Yuan-sheng3

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of High Strength Lightweight Metallic Materials(Inpreparation),Institute of Advanced Materials Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China;2. Shandong Engineering Research Center for Lightweight Automobile Magnesium Alloy,Institute of Advanced Materials, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China;3. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract∶We addressed the impact of extrusion ratio on microstructure and mechanical properties of AZ31B Magnesium alloy. We applied optical microscopy (OM) to the observation of its microstructure, examined its mechanical properties by indoor temperature tensile and compressive test, and observed its fracture morphologies by scanning electron microscopy (SEM). Results show that its microstructure changes from partially dynamic recrystallization to completely dynamic recrystallization with the increase of extrusion ratio. Its tensile fracture varies from mixed fracture to obvious ductility fracture. Compressive fracture is converted from cleavage fracture to quasi-cleavage fracture. Through high extrusion ratio, we can obtain fine and homogeneous microstructure and good comprehensive mechanical properties, tensile strength of 310 MPa, yield strength of 200 MPa and elongation rate of 14%. Asymmetry of tensile and compressive strength is reduced, which is therefore benefit for secondary plastic machining of Magnesium alloy.

Key words∶AZ31B Magnesium alloy; hot extrusion; microstructure; mechanical properties; extrusion ratio