AZ31镁合金组织性能的影响研究

摘要

挤压变形AZ31镁合金组织以绝热剪切条纹和细小的α再结晶等轴晶为基本特征。挤压变形可显著地细化镁合金晶粒并提高镁合金的力学性能。随挤压比的增大,晶粒细化程度增加,晶粒尺寸由铸态的d400μm减小到挤压态的d12μm(min);强度、硬度随挤压比的增大而增大,延伸率在挤压比大于16时呈单调减的趋势。

轧制变形使板材晶粒明显细化,硬度提高。AZ31合金中添加Ce,其铸态组织中能够形成棒状Al4Ce相,并能改善合金退火态组织和力学性能;添加Ce可以改善AZ31的综合力学性能。

关键词:AZ31变形镁合金;强化机制；组织；性能

绪论

20世纪90年代以来,作为最轻金属结构材料的镁合金的用量急剧增长,在交通、计算机、通讯、消费类电子产品、国防军工等诸多领域的应用前景极为广阔,被誉为“21世纪绿色工程材料”,许多发达国家已将镁合金列为研究开发的重点。

大多数镁合金产品主要是通过铸造生产方式获得,变形镁合金产品则较少。但与铸造镁合金产品相比,变形镁合金产品消除了铸造缺陷,组织细密,综合力学性能大大提高,同时生产成本更低,是未来空中运输、陆上交通和军工领域的重要结构材料。

目前，AZ31镁合金的应用十分广泛,尤其用于制作3C产品外壳、汽车车身外覆盖件等冲压产品的前景被看好,正成为结构镁合金材料领域的研究热点而受到广泛重视。

第1章挤压变形对AZ31镁合金组织和性能的影响

1.1 挤压变形组织特征及挤压比的影响作用

图1-1为动态挤压变形过程中的组织变化。动态变形过程大致分为3个区域:初始区、变形区和稳态区，分别对应着不同的组织。图1-1a为初始区挤压变形前的铸态棒料组织。由粗大的α-Mg树枝晶和分布其间的α-Mg+Mg17Al12共晶体组成,枝晶形态十分发达，具有典型的铸造组织特征。晶粒尺寸为112~400μm。图1-1b为变形区近稳态区组织。图中存在大量无序流线,流线弯曲度大、方向不定且长短不一，显然这种组织特征是在挤压力作用下破碎的树枝晶晶臂(α固溶体)发生滑移、转动的结果。

图1-1c为稳态区纵断面组织。图中沿挤压方向分布的剪切条纹平行流线清晰可见，在平行流线上，分布着大量细小、致密的等轴晶粒。显然,形变组织已发生了再结晶，平行流线可能是变形纤维在再结晶组织中的再现。晶粒间几乎看不到α-Mg+Mg17Al12共晶组织。这表明，经过大的挤压变形后，铸态组织中的共晶体发生破碎，离散分布于α固溶体中。挤压流线密度较高,黑白相间，成簇状穿越每一个再结晶晶粒。挤压纤维横向尺度比再结晶晶粒要小的多。

图1-2为λ=28时稳定段不同截面组织。图1-2a为45°斜截面组织,图中晶粒细小，流线呈菊花瓣状分布。图1-2b为横断面组织,图中晶粒细小，短小的网状流线依稀可辨。挤压平行流线和再结晶等轴晶粒是变形组织的基本特征。图1-3为不同挤压比所对应的变形组织。

图1-3a为λ=16的组织,图1-3b为λ=64的组织。可知,在等温挤压条件下，随着挤压比的增大，合金变形程度增加,挤压组织进一步细化,挤压流线更加细密,晶粒变得更加细小。三种挤压比(λ=16、28、64)分别对应的晶粒平均尺寸为50μm、35μm和20μm。最小尺寸仅12μm,与快速凝固所形成的等轴晶尺寸(10μm)十分接近。

观察发现,在横断面和斜截面上,周边组织比中心区组织略显细小和致密些,在中心区域存在年轮状或花瓣状流线条纹。相应地,纵向挤压组织中也存在晶粒大小和剪切条纹分布不均匀现象,边缘区比轴线附近的条纹更加细密,晶粒显得更为细小。这主要与挤压棒材周边变形量较大,中心变形量较小,晶粒细化程度不同有关。

(a) (b)

(c)

图1-1 动态挤压变形过程中的组织变化

(a) (b)

图1-2 稳定区不同截面组织

(a) (b)

图1-3 不同挤压比所对应的变形组织

1.2 挤压比对AZ31镁合金力学性能

挤压比:以坯料变形前后的面积比(挤压比)作为变形程度的参数。即:

λ=A0/A1= (d0/d1)2(1-1) 式中,λ为挤压比;A0为变形前坯料面积;A1为变形后坯料面积;d0为变形前棒料直径;d1为变形后棒料直径。

据此,变形前铸棒的挤压比为1,试验选定的挤压比为16、28和64三种水平的影响。

图1-4为挤压比对AZ31镁合金力学性能的影响。可知,与铸态(λ=1)相比,变形镁合金的强度ζb和延伸率δ均有很大的提高。当λ< 16时,强度和延伸率提高十分显著;当λ≥16时,随λ的增大,强度值增大,ζb~λ曲线变化较为平缓,而延伸率有所降低,δ~λ曲线呈单调减小趋势。尤其在λ=16~64范围内,延伸率减小幅度较大。很明显,在λ= 16附近,存在着延伸率的极大值。

图1-5为挤压比对AZ31镁合金硬度的影响。图中,随着挤压比的增大,硬度值单调增加。另外,纵截面硬度的增加幅度(曲线陡度)比横截面硬度的增加幅度要大一些,这可能与纵、横向应力分布不均衡有关。λ对镁合金力学性能的影响主要与变形程度、应力状态以及变形组织特征有关。随着挤压比的增加,金属变

形程度增大,变形流线更加细密,晶粒更加细化,镁合金的极限抗拉强度和硬度增大。与此同时,金属变形不均匀及应力分布不均匀,导致残余应力存在,形成金属内部物理性质和力学状态不均匀,使金属塑性降低,表现为延伸率的下降。

图1-4 挤压比对AZ31镁合金力学性能的影响

图1-5 挤压比对AZ31镁合金硬度的影响

1.3 变形组织演变分析

镁为密排六方结构,在室温下只有(1000)滑移面,低温变形能力较差;在250℃以上增加了{10 11}二次滑移面的〈11 20〉滑移方向,发生棱锥滑移,因此热挤压具有高的塑性。另一方面,镁合金具有较高的“堆垛层错能”,与Cu、Ni合金相比,其热挤压过程中的组织演变又存在一定的差异。在挤压变形初期,镁合金铸棒中粗大的树枝晶首先在挤压力作用下,在垂直于压力方向被压扁,进而发生弯曲和破碎成细碎的晶粒。并在应力作用下获得重新排布,同时发生晶粒间的相对转动,形成弯曲的或波浪状的条纹(如图1-1b所示),放出挤压热量, 使金属发生整体上的塑性变形。同时,带动业已破碎的晶间共晶体在随晶粒滑移和破碎的同时进而发生变形,并呈高度离散状分布。随着变形量的不断增大,产生的挤压变