AZ31镁合金的等温挤压及其力学性能分析

收稿日期:2007-02-10基金项目:教育部新世纪优秀人才资助项目,编号(531105050018)第一作者简介:罗永新(1967-),男,湖南长沙人,副教授,研究方向镁合金挤压。

AZ31镁合金的等温挤压及其力学性能分析罗永新1,2,龙 华2,黎永祥2,申晓龙2(1.湖南大学材料学院,湖南长沙410082;2.湖南工业职业技术学院,湖南长沙410208)摘要:等温挤压是镁合金材料的重要加工方法,它能改善制品的质量,提高制品的力学性能。

研究了等温挤压AZ31镁合金材料的力学性能。

结果表明:等温挤压显著地提高AZ31镁合金的强度、硬度,但当变形程度达到82%以上时,其强度不再增加,反而下降。

材料的硬度有方向性。

关键词:AZ31镁合金,等温挤压,力学性能中图分类号:TG146.22;TG379 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2007)07-0029-03Analysis o f AZ 31magnesiu m alloy s mechanics properties on isothermal extrusionL UO Yong xing 1,2,LONG Hua 2,LI Yong xiang 2,S HENG Xiao len2(1.College of Material Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;2.Hunan Industry Polytechnic,Changsha 410208,China)Abstract :Isothermal extrusion is an i mportant way of magnesiu m alloy applied widely i n made of machine,also it is an important manual of technology i mproving quality and properties of mechanics of the extrudate.In this thesis,it had finished the study of AZ31magnesium alloy s properties of mechanics on isothermal extrusion,and had analysed the law of the mechanic of AZ31in isothermal extrusion.The results show the isothermal extrusion will i mprove the tensile strength and the hardness of AZ31magnesium alloy very much and the tensile strength will attain the top while AZ31magnesium alloy have deformed over 82%strain,the tensile strength will decrease,and the hardness has propertice of the orientation.Key words :AZ31magnesium alloy;isothermal extrusion;properties of mechanics镁合金在汽车、摩托车、航空航天、计算机等领域有美好的应用前景,是减重节能、保护环境的首选材料[1]。

但是,镁合金在常温下塑性变形能力差,所以铸造镁合金件应用较多,限制了镁合金的应用。

近些年来,变形镁合金的研究越来越受到重视。

本文试验研究了AZ31变形镁合金等温挤压件的力学性能,为镁合金等温挤压工艺的应用提供参考。

1 试 验1.1 试验条件AZ31镁合金的化学成分如表1所示[1]。

试验用料是为 60mm~ 200m m 的圆铸锭,长度200mm 。

挤压件如图1所示的十字形轴对称实心件,挤压变形程度分别为5%~15%、15%~25%、 、75%~85%、85%~95%。

之所以选择十字形轴对称实心件作为研究对象,是因为该挤压件有工艺过程典型、方便,易于建模等优点。

挤压模具如图2所示,定径带长度为3mm 。

挤压筒、挤压垫、挤压轴及模具均用模具钢材H13制造。

表1 AZ31镁合金化学成分(质量分数)%AlMnZnCaNiFeSiMg 2.5~3.50.15~0.50.6~1.40.050.0050.0050.1余量1.2 试验参数铸锭初始加热温度450!,模具、挤压筒、挤压垫初始加热温度400!,热传导方式选用钢 黏塑性类292007,Vol.35,∀7轻 合 金 加 工 技 术LAFT图1试验挤压件图2 试验用挤压模具型,铸锭与挤压筒之间的摩擦类型为剪切型,摩擦因数为1,不使用润滑剂。

挤压件与工具的传热系数为11J (s #!)。

为使制品模具出口温度保持恒定,挤压速度通过测量挤压垫的移动线速度来控制。

根据O.J I.斯捷尔克等温挤压研究坯料温度变化的关系式(1)[2],计算出如图3所示的挤压速度曲线。

∃T =QP 0c -∃t 0{1-e [-861!(b 1+b 2)#∀p e ]}(1)式中:Q %热功当量,J (N #m);P 0%单位挤压力,MPa;c %金属比热,kJ (kg #!); %金属密度,kg m 3;∃t 0%坯料的初始温度,!;b 1、b 2%挤压筒、坯料金属的蓄热系数,kJ (!#m 2#s); %取决于P e 和∀值的系数;∀%挤压轴行程长度与挤压筒内径的比值,∀=h D ;p e %彼克列准数,p e =v #D a ;v %挤压速度,m s;a %热扩散率,m 2s 。

1.3 性能测试分别在铸锭和挤压件上沿横断面、纵断面和45&图3 挤压速度曲线实例倾斜截面取样。

按标准金相技术制备金相试样,用2%的草酸和硝酸溶液腐蚀,观察金相组织。

在WDW E100D 电子万能实验机上对铸锭和挤压件进行拉伸试验。

2 试验结果及分析图4为等温挤压过程中挤压力与坯料挤出长度的关系曲线。

挤压力峰值出现在制品挤压初出模口的时候,此时,坯料镦粗至填充整个挤压筒,镁合金开始屈服产生塑性变形,从而使挤压力达到一个峰值。

随着挤压的进行,挤压筒内剩余坯料长度不断减少,坯料和挤压筒之间的摩擦力不断减少;为保证模具出口处温度恒定,挤压杆速度降低,应变速度也下降,导致挤压力下降。

进入挤压终了阶段,金属径向流动速度增加,死区金属参与流动,导致挤压力又迅速上升。

这个结果与其他人的试验成果一致[3]。

图4 等温挤压力与坯料挤出长度关系曲线图5为挤压件拉伸试验的强度与挤压变形程度的关系曲线,图中∃R m 为挤压件强度相对于原始铸锭试样强度的增加值。

由于AZ31镁合金同样服从Hall Petch 关系[3-5],所以挤压变形后材料晶粒得到很大程度的细化,从而提高了其抗拉强度。

同时,细30 LAFT 轻 合 金 加 工 技 术2007,Vol.35,∀7图5 等温挤压件强度与变形程度的关系晶组织有利于提高镁合金的塑性[3]。

挤压变形程度不是越大越好,从图5看出,当变形程度达到82%时,强度增加达到最大值。

这种现象与镁合金的再结晶有关:在较低的变形程度下,随着变形增加晶粒细化,强度增加;而当应变达到一定程度后,由于较大的变形功使AZ31镁合金相界扩散能力增强,再结晶得以实现,使晶粒数量减少,位错能下降,强度不升反降。

通过试验,我们得到:等温挤压前的铸锭,在室温下的伸长率约为6.3%,等温挤压后制品的伸长率约为12%。

图6为AZ31镁合金等温挤压制品不同截面上的硬度曲线图。

从硬度变化趋势看,从纵截面到横截面,硬度是增加的,且增加的绝对量很明显。

这与纵、横截面上的应力分布不均衡以及晶粒形态有关。

在横截面上,材料处于三向压应力状态,而在纵截面上,处于二向压应力、一向拉应力[6],因而纵截面硬度低于横截面的。

图7为不同截面上的金相组织,从图7a 到7d,组织形态不一样,也导致硬度不同。

图7a 是铸态组织,晶粒显著粗大,枝晶发达;图7b 、c 、d 是挤压制品的组织,晶粒细小而致密,挤压流线密度较高,黑白相间,挤压纤维横向尺寸比再结晶晶粒要小。

这表明经过大的挤压变形后,铸态组织中的共晶体发生了破碎,并形成了明显的变形纤维。

这对制品的力学性能是十分有利的。

图6 等温挤压制品不同截面上的硬度图7 铸锭和挤压件不同截面的组织3 结 论(1)AZ31镁合金等温挤压力随铸锭挤出长度增加而逐渐下降,在挤压终了阶段挤压力又上升。

(2)通过挤压变形,AZ31镁合金铸锭晶粒得到显著细化,显著地提高其强度、硬度和伸长率。

当变形程度达到82%以后,挤压件的强度反而有所下降。

(3)AZ31镁合金挤压变形制品的组织、硬度存在方向性,横截面上硬度明显大于纵截面上的。

(下转第53页)(上接第28页)用以下的公式近似计算:h o=0.643R(12#V T)2 3式中:h o%两层铝箔之间空气厚度;R%铝卷半径; V%分切速度;T%分切张力;#%空气黏度。

上式可以看出两层铝箔之间的残留空气与分切速度成正比,与分切张力成反比。

而正常分切时,在铝卷的下面有一个支撑辊,上面有一个压下辊。

在这两个辊上加很小的压力,就能使铝卷内空气的含量急剧下降。

控制分切工艺参数的主要目的也就是控制铝卷内空气所占的体积,进而消除起棱缺陷。

3.3 退火工艺因为起棱都是在退火过程中发生的,所以退火工艺对于起棱有至关重要的影响。

我们做了不同成品退火温度、不同升温速率的对比试验,其他退火参数及铝卷的规格相同,具体情况如表1。

表1 不同退火工艺情况下起棱状况试验序号升温速度! h炉气温度!炉气与金属最大温差 !起棱厚度mm110035026018 210030022310 3403501724 4403001480 从表1看出,起棱厚度随着最终退火温度的降低而减小,随着升温速率的降低而减小。

同时,升温速率的影响效果要高于最终温度的。

这些因素直接影响着在升温过程中铝箔与炉气之间的温差,进而影响铝卷的内外圈和上下部之间温度分布。

铝箔与炉气之间的温差越大,铝卷的外圈膨胀程度要远远高于内圈的。

从表1中可以看出,当炉气与铝卷之间的温差达到148!以下时,起棱就完全消失。

因此,成品退火时应保证炉气与金属的最大温差小于148!。

4 结 论要保证牙膏管用铝箔卷在成品退火后不发生起棱,生产中应注意以下几点:(1)严格控制铝箔轧制时的板形,并减少成品道次的表面带油量;(2)在箔卷分切时增加张力、压下力和支撑力,提高铝箔卷的卷紧系数;(3)在成品退火时,尽量降低铝箔卷上温度分布不均的现象。