az31鎂合金板材的軋制工藝研究

az31鎂合金板材的軋制工藝研究

變形銀粉是目前使用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。它不僅具有較高的比強(qiáng)度和較高的比剛度，而且具有良好的電屏蔽、加熱、振動(dòng)和機(jī)械性能。在3C電子信息產(chǎn)品、汽車、家電以及航天航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于其突出的性能優(yōu)勢(shì)和易回收等環(huán)保優(yōu)點(diǎn),也被稱為“21世紀(jì)的綠色工程新材料”。軋制是獲得鎂合金薄板的主要加工方式,但在軋制過程中鎂合金晶粒會(huì)發(fā)生擇優(yōu)取向而形成強(qiáng)烈的基面織構(gòu)?？棙?gòu)的強(qiáng)度以及形態(tài)都會(huì)對(duì)鎂合金薄板的成形性能產(chǎn)生重要影響。晶粒尺寸也是影響鎂合金性能的主要因素,通過細(xì)化晶粒的方式可以提高鎂合金板材的強(qiáng)度以及延展性。有資料表明,細(xì)晶鎂合金板材雖然具有良好的力學(xué)性能,但沖壓脹形性能卻較差。有研究指出,采用異步軋制制備鎂合金板材可以在室溫條件下實(shí)現(xiàn)單道次20%形變量,制備的鎂合金板材晶粒細(xì)小且力學(xué)性能提高。交叉軋制也是一種新型軋制工藝。據(jù)報(bào)道,交叉軋制能有效減輕材料的各向異性,提高其深沖性能,也能使材料組織更加均勻、并使晶粒趨向等軸。目前,關(guān)于交叉軋制鎂合金板材對(duì)沖壓性能影響的研究很少,關(guān)于常規(guī)軋制、異步軋制和交叉軋制對(duì)改善和提高鎂合金板材成形性能比較的相關(guān)報(bào)道也很少。本文作者通過采用常規(guī)軋制、異步軋制和交叉軋制工藝制得鎂合金薄板,研究不同軋制工藝對(duì)獲得的板材室溫成形性能的影響。1試驗(yàn)設(shè)備與方法實(shí)驗(yàn)方案中使用的AZ31B變形鎂合金板材的化學(xué)成分如表1所列。實(shí)驗(yàn)用厚度為2.0mm,寬300mm的AZ31B鎂合金擠壓板材為原料,分別按如下軋制方式獲得相應(yīng)的鎂合金薄板:采用常規(guī)軋制將上述擠壓板坯在300℃下軋至1mm厚,道次壓下量為15%,道次間板材重新回爐加熱至300℃,保溫10~15min。終軋后板材在300℃下退火,保溫1h。采用異步軋制將上述擠壓板坯在300℃下軋至1mm厚,道次壓下量為15%,道次間板材重新回爐加熱至300℃,保溫10~15min。終軋后板材在300℃下退火,保溫1h。使用d90mm軋輥與d80mm軋輥搭配,異徑比為1.125。異步軋制示意圖如圖1(a)所示。采用交叉軋制將上述擠壓板坯在300℃下軋至1mm厚,道次壓下量為15%,道次間板材重新回爐加熱至300℃,保溫10~15min。終軋后板材在300℃下退火,保溫1h。經(jīng)1、3、5道次沿原始擠壓板坯的擠壓方向軋制和經(jīng)2、4、6道次旋轉(zhuǎn)90°軋制的交叉軋制示意圖如圖1(b)所示。實(shí)驗(yàn)使用CarlZeiss光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。使用Dmax1400X型射線衍射儀進(jìn)行宏觀織構(gòu)測(cè)定,衍射儀具體參數(shù):CuKα射線,管電壓40kV,電流100mA。結(jié)合透射法和反極圖法測(cè)量(0002)晶面的晶粒取向密度,并通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析得到試樣極圖。室溫單向拉伸試驗(yàn)在CMT4105微電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,取樣方向分別與軋制方向成0°、45°和90°。室溫埃里克森試驗(yàn)在Zwick板料成形試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)示意圖如圖2所示。錐杯試驗(yàn)表征板材“拉深+脹形”復(fù)合性能。錐杯試驗(yàn)在Zwick板料成形試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)示意圖如圖3所示。2結(jié)果與討論的分析2.1兩種制備工藝對(duì)晶粒方向的影響圖4所示為上述3種不同軋制工藝獲得AZ31鎂合金板材的微觀組織相片。從圖4分析可知:相對(duì)于常規(guī)軋制制備的鎂合金板材,交叉軋制后的板材晶粒(見圖4(c))明顯細(xì)化,且大小均勻,平均晶粒尺寸為9.5μm。異步軋制的晶粒(見圖4(b))不完全均勻,為較大晶粒和細(xì)小的等軸晶組成,平均晶粒尺寸10.5μm。常規(guī)軋制的晶粒(見圖4(a))較粗大,平均晶粒尺寸12.0μm。圖5所示為常規(guī)軋制、異步軋制和交叉軋制工藝制備的鎂合金板材的(0002)極圖。其晶粒都呈現(xiàn)擇優(yōu)取向而表現(xiàn)出不同的基面織構(gòu)。交叉軋制工藝制備的板材,相對(duì)于常規(guī)軋制而言,基面織構(gòu)明顯增強(qiáng),且極圖等高線形態(tài)較為圓整。異步軋制板材基面織構(gòu)強(qiáng)度降低。與常規(guī)軋制相似的是,極圖等高線都沿軋向方向被拉長。分析上述結(jié)果可知,交叉軋制促進(jìn)板材組織的均勻化,一方面使晶粒尺寸細(xì)小均勻,另一方面縮小板材平面上晶粒取向分布的差異。異步軋制對(duì)板材微觀組織的影響主要表現(xiàn)為細(xì)化晶粒尺寸,減弱板材基面織構(gòu)強(qiáng)度。在不考慮寬展的情況下,常規(guī)軋制板材在高度方向受到兩向壓應(yīng)力狀態(tài),其應(yīng)變?yōu)楦呦驂嚎s和軋向伸長;而在異步軋制過程中,除兩向壓應(yīng)力外,由于兩軋輥速度差在軋輥與板材之間摩擦力的作用下,使板材還受到一對(duì)切應(yīng)力的作用,其方向?yàn)樵诼佥佉粋?cè)向后,快速輥一側(cè)向前,從而在板材厚度方向產(chǎn)生剪切應(yīng)變。因此,在道次壓下量相同的情況下,一個(gè)道次異步軋制引起的實(shí)際變形程度較常規(guī)軋制的要大一些。對(duì)于鎂合金板材而言,在其它條件相同的情況下,應(yīng)變量的增加有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生,所獲得的組織較細(xì)小均勻。異步軋制使基面織構(gòu)減弱的根本原因在于其與常規(guī)軋制時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)存在明顯差異。由于異步軋制存在一個(gè)搓軋區(qū),它改變了此區(qū)內(nèi)金屬的應(yīng)力狀態(tài),由此使鎂合金的軋制織構(gòu)發(fā)生改變。常規(guī)軋制所形成的織構(gòu),其滑移面(即基面)與軋制壓力方向垂直,而異步軋制滑移面法線方向會(huì)偏離軋制壓力方向一定的角度,故其形成的織構(gòu)取向也會(huì)隨之偏離一定的角度。隨著異步軋制道次的增加,會(huì)使這種偏離作用得到強(qiáng)化,最終可通過改變軋制過程中的基面織構(gòu)取向來提高金屬的塑性變形能力。2.2基面織構(gòu)對(duì)晶粒schmid因子的影響實(shí)驗(yàn)通過獲得沿不同取樣方向的單向拉伸力學(xué)性能及塑性應(yīng)變比r值(如圖6所示)來分析上述3種不同軋制工藝制備的鎂合金板材的基本成形性能。從圖6可知,交叉軋制后板材屈服強(qiáng)度升高,而異步軋制后的板材屈服強(qiáng)度最低。具有織構(gòu)的多晶鎂合金,其力學(xué)性能受晶粒尺寸與晶粒取向分布的雙重影響。由材料屈服強(qiáng)度與晶粒大小之間的函數(shù)關(guān)系可知,晶粒越細(xì)小,材料的屈服強(qiáng)度越高?？棙?gòu)對(duì)鎂合金板材力學(xué)性能的影響,其實(shí)質(zhì)是通過改變各滑移系,特別是{0002}基面滑移的Schmid因子使織構(gòu)強(qiáng)化或軟化而實(shí)現(xiàn)的?；婵棙?gòu)強(qiáng)烈時(shí),晶粒Schmid因子很小,處于硬取向,基面滑移難以進(jìn)行,造成屈服強(qiáng)度升高。交叉軋制后的板材晶粒細(xì)小,基面織構(gòu)強(qiáng)度高,都會(huì)提高板材的屈服強(qiáng)度。異步軋制后的板材,雖然也有晶粒細(xì)化,但基面織構(gòu)的強(qiáng)度相對(duì)減弱。在同樣的外力條件下,基面織構(gòu)強(qiáng)度降低后,晶粒處于有利于基面滑移的取向,基面滑移容易啟動(dòng),屈服強(qiáng)度降低。基面織構(gòu)強(qiáng)度降低部分抵消了細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)材料強(qiáng)度提高的效果。與異步軋制和常規(guī)軋制相比,交叉軋制的板材力學(xué)性能更為均勻,在板材平面內(nèi)沿不同方向力學(xué)性能差異較小。而異步軋制及常規(guī)軋制后的板材,則表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性,即軋向的屈服強(qiáng)度低于橫向的。這與板材平面不同方向晶粒取向分布的差異有關(guān)。由圖6(b)和(c)可見,(0002)極圖等高線沿軋向被拉長,即有更多的晶?；娣ㄏ蚱蛴谲埾?。當(dāng)沿軋向拉伸時(shí),晶粒Schmid因子較大,處于軟取向,基面滑移較易進(jìn)行,而導(dǎo)致軋向屈服強(qiáng)度較低。由圖6(c)可知,交叉軋制后的板材雖然具有較高的基面織構(gòu)強(qiáng)度,但仍有較高的伸長率。與常規(guī)軋制相比,異步軋制后的板材雖然基面織構(gòu)強(qiáng)度有所降低,但伸長率并未明顯提高。由此分析可知,伸長率與基面織構(gòu)的強(qiáng)度并無直接關(guān)系。由圖6(d)可知,異步軋制后板材的r值最小,平面不同方向r值差異較大。而交叉軋制后的板材r值較大,且軋向、橫向及45°方向差異很小。塑性應(yīng)變比r值表征板材平面方向變形能力與厚向變形能力的相對(duì)大小,交叉軋制后的鎂合金板材具有強(qiáng)烈的基面織構(gòu),室溫下拉伸非基面滑移系難以啟動(dòng),板材厚向也即晶粒c軸方向的應(yīng)變難以協(xié)調(diào),板材沿厚向變形困難,從而具有較大的r值。r值在板材平面不同方向的差異與晶粒取向分布的差異有關(guān)。2.3基面織構(gòu)弱化對(duì)債權(quán)拉深脹形復(fù)合性能的影響為獲得不同軋制工藝下鎂合金板材的模擬成形性能,本文作者對(duì)3種軋制工藝制備的鎂合金板材進(jìn)行埃里克森試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。相對(duì)于常規(guī)軋制,異步軋制板材的埃里克森值明顯提高,而交叉軋制板材的埃里克森值反而大幅降低。埃里克森值表征板材的脹形性能,這說明通過異步軋制工藝可以明顯提高鎂合金板材的脹形性能。在埃里克森試驗(yàn)中,鎂合金板材沿板面方向受拉應(yīng)力,按體積不變條件,板材沿厚度方向應(yīng)減薄;也即板材沿厚度方向減薄能力越強(qiáng),越能獲得較大的埃里克森值。而沿厚度方向減薄能力越強(qiáng),試樣r值越低。本試驗(yàn)中,埃里克森值與r值的關(guān)系與理論預(yù)測(cè)完全一致,如圖8所示。基面織構(gòu)弱化是異步軋制后的板材具有良好脹形性能的原因。鎂合金軋制板材具有強(qiáng)烈的基面織構(gòu),在埃里克森試驗(yàn)中,試樣處于雙向等拉應(yīng)力狀態(tài),大多數(shù)晶粒處于硬取向,屈服應(yīng)力較大,滑移難以進(jìn)行,塑性較差;當(dāng)基面織構(gòu)減弱后,即有一部分晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn),基面不再與板面平行,這部分晶粒處于軟取向,基面滑移易于啟動(dòng),從而提高塑性。交叉軋制的板材脹形性能相比于常規(guī)軋制反而降低,這與交叉軋制后板材基面織構(gòu)的增強(qiáng)與晶粒細(xì)化有關(guān)系?；婵棙?gòu)增強(qiáng)不利于板材脹形性能的提高,晶粒細(xì)化使強(qiáng)度提高也不利于提高板材脹形性能。粗大晶粒更容易發(fā)生孿生,特別是壓縮孿生可以使晶?；嫫D(zhuǎn)56uf0b0,使孿晶內(nèi)晶粒處于有利于基面滑移的取向,孿生和滑移交替進(jìn)行,使板材塑性得以提高。本試驗(yàn)通過獲得3種軋制工藝下鎂合金板材的6組錐杯值來評(píng)價(jià)板材的拉脹復(fù)合性能。其錐杯試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。錐杯值表征板材的拉深脹形復(fù)合性能,錐杯值CCV值越小,板材拉脹復(fù)合性能越好。可以看出,異步軋制的板材拉深脹形復(fù)合性能較好,交叉軋制后的板材拉深脹形復(fù)合性能反而有所降低。3種板材錐杯試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出來的規(guī)律與脹形性能完全相似。4基面織構(gòu)的影響1)鎂合金板材的綜合力學(xué)性能不僅與晶粒尺寸有關(guān),還與晶粒取向有關(guān)。板材平面力學(xué)性能的差異與板面不同方向晶粒取向的分布有關(guān);室溫下鎂合金薄板的伸長率主要取決于晶粒大小,晶粒越細(xì)小,板材伸長率越高。2)室溫埃里克森試驗(yàn)的結(jié)果表明,基面織構(gòu)的減弱可明顯提高板材的脹形性能;在基面織構(gòu)強(qiáng)度相似的強(qiáng)況下,晶粒大小對(duì)板材的成形