锻造对AZ91镁合金组织性能影响

锻造对AZ91镁合金组织与性能的影响摘要：研究了在380℃条件下一次锻造和两次锻造对az91合金组织和性能的影响。结果表明，锻造有效的细化了镁合金组织，提高显微硬度和力学性能。相比一次锻造，镁合金经二次锻造后，再结晶更加完全，晶粒进一步细化，力学性能进一步提高。

关键词：锻造；镁合金；显微组织；性能

前言：镁合金以其比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能和阻尼性能好，以及具有良好的切削加工性能和尺寸稳定等优点，被认为是21世纪最具发展潜力的“绿色结构材料”，已逐步在航空航天、电子、汽车等行业获得广泛应用。az91合金属于mg-al-zn-mn系铸造镁合金，由于其良好的铸造性能而成为目前工业中最常用的压铸镁合金之一。镁合金在低温变形条件下承受的变形量有限，常通过热加工来生产。az91合金可通过挤压、锻造以及轧制等塑性变形，可使其具有比铸件更高的强度、更好的延展性及力学性能；同时，还可以通过后续的热处理使其性能得到进一步的改善，以满足材料全面性能的要求。1.试验原料及方法

1.1 试验原料

本试验所用材料为az91镁合金，其化学成分见表1所示。

1.2 试验方法

将az91镁合金在380℃条件下，分别采用高度减少40%的变形

量进行一次锻造和一次锻造后以60%的变形量进行第二次锻造的两种工艺，并对两种工艺锻造后的试验料进行取样。锻造是在200t 压力机上完成，每次锻造前都采用石墨油对磨具和坯料进行润滑，锻造速度为15mm/s，镁合金二次锻造后的宏观形貌如图1所示。采用olympus d11型光学显微镜观察金相组织，试样经金相砂纸磨光后，用氧化镁抛光剂在鹿皮上抛光；浸蚀后，用酒精冲洗吹干。拉伸试验在instron 5569万能试验机上进行，拉伸速度为1mm/min，试样的尺寸如图2所示。

2.结果与分析

2.1 锻造前后合金的显微组织

az91镁合金锻造前后的光学显微组织如图3所示。图中可见，铸态az91镁合金的晶粒尺寸较大，如图3(a)所示。同铸态组织相比，经一次锻造后，晶粒尺寸得到显著细化，如图3(b)所示。这是由于在锻压变形过程中，会产生大量位错，位错的滑移及交互作用形成位错界面、亚结构及进一步形成小角度和大角度晶界，产生再结晶，从而使合金得到细化。但由图3(b)也可以看出，一次锻造后镁合金的晶粒尺寸不均匀，存在原始变形组织，变形组织周围存在小的再结晶晶粒。同一次锻造相比，镁合金经二次锻造后，变形组织基本消失，合金基体完全由小的再结晶晶粒组成，晶粒尺寸得到进一步细化，如图3(c)所示。这是由于，经二次锻造后，变形量提

高而导致再结晶驱动力增加，再结晶更加充分，再结晶晶粒增多，使得基体晶粒细化。

2.2 锻造前后合金的性能

2.2.1 显微硬度

az91镁合金锻造前后的显微硬度如图4所示。可见，经锻造后镁合金的硬度显著升高。镁合金经锻造后晶粒得到显著细化，晶界数量增多，从而导致其显微硬度得到提高。镁合金二次锻造后的显微硬度略低于一次锻造后显微硬度，这是由于镁合金经二次锻造后，再结晶更加完全，合金基体一定程度上发生软化，故显微硬度降低。

2.2.2 拉伸性能

图5为az91镁合金锻造前后的拉伸应力-应变曲线。可见镁合金经锻造后，合金的强度和延伸率都得到显著提高。同一次锻造相比，二次锻造后镁合金的力学性能得到进一步提高。表明锻造可以有效的细化基体晶粒，提高镁合金的全面性能。这是由于铸锭经预热后，在锻造的过程中可以部分改善铸锭铸态组织中的缩松、气孔等缺陷，导致锻件内部缺陷数量减少。此外，更重要的是锻造后晶粒变得细小，且因为形变产生大量的位错，形成位错堆积和亚结构等，起到位错和亚晶强化作用。

在给定变形温度下，合金热压缩变形流变应力先随变形量的增加迅速升高，出现一峰值后逐渐下降进入稳态流变变形阶段，当应变达到一定值时，稳态流变应力基本上保持不变；第二，应变速率一定时，随变形温度升高，流变应力下降，合金变形表现出越来越明显的动态软化现象。

变形是在位错运动易于进行的条件下实现的，主要是借助于位错的交滑移和与自扩散有关的攀移，以及位错从结点脱钉等来实现变形。在热变形过程中，材料内部不断进行着两种相互转化的过程，即加工硬化过程和软化过程。过渡变形阶段，随着变形的进行，一方面，材料内部位错密度增加，材料硬化；另一方面，由于位错产生交滑移，使材料软化。但由于交滑移引起的软化不足以补偿位错密度增加带来的硬化，因此，流变应力值不断增大。随着应变量的继续增大，材料内部空位浓度也提高，位错的攀移在过渡变形阶段的中后期也开始产生作用，参与软化过程，从而使材料的软化程度提高，位错克服障碍阻力的能力增强，材料变形时硬化和软化的平衡向低应力指数方向变化，拉伸应力-应变曲线逐渐趋于平缓。流变应力到达峰值后，由于位错的交滑移、攀移以及位错的脱钉等引起的软化作用大于应变硬化作用，流变应力缓慢下降。最后，两种作用达到动态平衡，变形进入稳态流变阶段。随着应变速率增大，在同一应变量下产生的位错增多，位错运动速度增大，位错间相互

交割的几率增多，因而提高了变形时的临界切应力，另一方面，应变速率升高时，单位应变的变形时间缩短，位错被激活的时间缩短，使得动态回复或动态再结晶等流变应力软化行为来不及或不能充

分进行，这两方面原因导致流变应力水平随应变速率的升高而相应提高。

镁合金在低于225℃时，塑性变形仅限于沿基面上的方向的滑移和沿面上的方向的孪生变形[1，2]。镁合金只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，在晶体取向不利于滑移时，孪生就成为变形的重要方式。在变形过程中位错难以通过晶界而塞积在晶界附近，形成位错塞积群，如图6所示

锻造后镁合金的延伸率明显提高，主要因为在锻压变形的过程中，铸态组织得到显著改善，晶粒细化，晶粒越细，就会抑制裂纹的形成，并且裂纹形成后也不易扩展，因为裂纹扩展时遇到晶界要多次改变方向，将消耗更多的能量，因而具有细晶粒组织的材料其脆断性能优于粗晶组织的材料，材料的塑性高。

结束语：

（1）锻造后，镁合金基体的组织得到显著细化。锻造一次后，再结晶不完全，基体由再结晶小晶粒、变形纤维组织和未变形组织组成；进行二次锻造后，基体中的变形组织基本消失，主要由再结晶晶粒组成。