温度和变形量对AZ31镁合金硬度的影响研究

温度和变形量对AZ31镁合金硬度的影响研究
摘要：AZ31镁合金是目前应用最广泛的变形镁合金，研究在不同温度和变形量下镁合金的硬度变化对镁合金的应用具有重大意义。

研究表明，在不同压缩量变形下，变形量越大，晶粒越细，分布越均匀，硬度越高。

在同一变形量下，随着温度的升高，镁合金的晶粒呈长大趋势，硬度逐步下降。

关键词：AZ31镁合金；温度；变形量；硬度
引言
镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、抗震及减振能力强、电磁屏蔽效果优异及易回收等一系列优点，在电子、电器、汽车、交通、航空、航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景[1]，被誉为是21世纪最具发展前途的金属结构材料。

但是镁合金由于其结构的原因，常温下，塑性较差[2]，其成形工艺应在高温情况下进行，所以研究在不同温度和变形量下镁合金的硬度变化对镁合金的认识成型工艺具有重大意义。

1、试验
1.1材料及设备
实验设备：YC32-100四柱万能液压机、电阻炉、FEM-7000的自动显微硬度机
本次实验材料为AZ31镁合金棒材，化学成分如下表1：
表1AZ31 镁合金成分（质量分数%）
1.2试验过程
实验材料为挤压态AZ31镁合金，规格为Ф20 mm ×35 mm。

将圆棒的轴向和径向用石棉线缠绕两圈，以保证变形温度均匀稳定。

试样的纵向与挤压方向保持一致。

1）选定实验温度：室温，240℃，280℃，350℃；
2）在各个不同温度下进行不同压缩变形量测定；
3）相同变形量不同温度下测定镁合金硬度；
4）相同温度不同变形量下的镁合金硬度。

2、硬度测试
在型号为FEM-7000的自动显微硬度机上测显微硬度时，因为镁合金较软，并且经过多次压缩变形后晶粒非常细小，单独选中一个晶粒来测的困难度很大，所以选用的载荷为200gf，加载时间定为10s，这样打出的压痕较大，能够覆盖多个晶粒，测得的数据基本反映的是镁合金硬度的平均值，为了使所测数值更均匀，每个试样测定了3次，用3次测定值来求平均值，用所测定值求得的平均值具有一定的代表性。

2.1实验结果
表2AZ31 镁合金相同变形量下硬度试验数据（变形量为30%）
表3AZ31镁合金相同温度下硬度试验数据（温度为280℃）
2.1.1硬度随温度的变化曲线
图1 硬度随温度的变化曲线（变形量为30%）
在同一变形量下，AZ31镁合金随变形温度的升高，其硬度逐渐下降。

由此可见，变形温度影响金属的塑性变形能力。

由于变形温度的提高，金属的各项强度指标都会降低。

原因是当变形温度升高，原子运动的动能增加，这时原子间的临界剪切应力就会减弱，并且会引起材料内部的各种点缺陷的扩散加快，同时像依靠扩散的攀移更易于进行。

由于热激活能的作用增强，依靠有效应力的位错运动变弱，所以塑性变形变能力增加[3]。

另外，由于高温变形将发生动态回复和动态再结晶，晶粒呈长大趋势，有效的消除了合金中的粗大晶粒及偏析，组织变的越来越均匀，从而使硬度降低，韧性提高[4]。

该软化作用也会随着温度的提高而加强，可减轻或消除由于塑性变形而产生的加工硬化。

2.1.2硬度随变形量的变化曲线
图2 硬度随变形量的变化曲线（温度为280℃）
在280℃下，随着AZ31镁合金变形量的增加，其硬度均逐步上升，在变形量为60%时，镁合金的硬度值达到97.1。

所以在一定压缩温度下，随着变形量的增大，镁合金组织由不完全再结晶组织转变为完全再结晶组织等轴晶，晶粒越来越均匀、细小，故其硬度值逐步上升。

3、结论
1）在同一变形量下，AZ31镁合金随变形温度的升高，其硬度值逐渐下降，因为高温变形发生动态回复和动态再结晶，晶粒长大，消除了合金中的粗大晶粒和偏析，组织变的均匀，从而使硬度降低，韧性提高；
2）在一定压缩温度下，随着变形量的增大，晶粒越细，AZ31镁合金硬度值逐步上升。

在材料平均粒径越小的情况下，晶界与位错源间的距离就会越小，在晶体内部存在的位错就会越少，并且产生应力集中情况就不严[5]，同时，由于材料的平均粒径减小，会使晶体内部与晶体边界的应边度相差较小，使材料的变形更加均匀，由于应力集中而产生裂纹的机会变少，所以晶粒越细塑性变形能力越好，晶粒越细，硬度越高。

参考文献
[1]周海涛,曾小勤等. AZ31镁合金型材挤压工艺和组织性能分析[J].轻合金加工技术, 2003 (9): 28-30.
[2]尹从娟,张星,张治明.热挤压工艺对AZ31镁合金组织性能的影响[J].热加工工艺,2007,36(21):63-64.
[3]艾桃桃,冯小明,张会.AZ31镁合金压缩过程中的变形性能及组织演变[J].特种铸造及有色合金,2009,29(4):373-374.
[4]杨亚琴.镁合金温热特性研究[D].中北大学,2006:51-55.
[5]刘自乾.AZ31镁合金等通道转角挤压组织性能的研究.陕西理工学院
[D],2010:18-44.
作者：王宏震（1987—），男(汉)，陕西省渭南市，长安大学材料科学与工程学院，硕士研究生，研究方向：加工成型。