織構(gòu)與晶粒對(duì)擠鍛復(fù)合成形AZ61鎂合金力學(xué)性能的影響
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
曹鳳紅1,2,3 陳云貴1 龍思遠(yuǎn)4
1．四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2．四川理工學(xué)院；3．成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院；4．重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）
摘要采用AZ61鎂合金擠壓態(tài)預(yù)成形坯材，通過不同變形程度的模鍛成形試驗(yàn)制備AZ61鎂合金拉伸試樣，運(yùn)用金相觀察、電子背散射衍射( EBSD)取向成像技術(shù)，分析了AZ61鎂合金在擠鍛復(fù)合成形過程中晶粒尺寸與織構(gòu)對(duì)其室溫力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，擠壓態(tài)預(yù)成形試樣存在強(qiáng)烈的基面織構(gòu)，晶粒處于硬取向，基面滑移難以啟動(dòng)，AZ61鎂合金具有較高的屈服強(qiáng)度。在基面織構(gòu)強(qiáng)度相似的情況下，晶粒細(xì)化可提高試樣的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，但不能通過變形的無限增加改善合金的組織與性能。
關(guān)鍵詞 AZ61鎂合金；擠鍛復(fù)合成形；織構(gòu)；晶粒尺寸；力學(xué)性能
中圖分類號(hào) TG113. 25；TG146. 22 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 03. 005
鎂合金以其低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)點(diǎn)，在汽車及航空工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于其密排六方( HCP)晶體結(jié)構(gòu)，在室溫下僅具有3個(gè)獨(dú)立的基面滑移系，不能滿足多晶體均勻變形所需至少5個(gè)獨(dú)立滑移系的要求，導(dǎo)致室溫下塑性變形能力很差。因此，鎂合金的塑性加工一般在高溫下進(jìn)行，以激活非基面滑移。
鎂合金板材在各領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，但目前高質(zhì)量的鎂合金板材并不多。由于鎂合金塑性變形能力差，所以通常采用多道次、小壓下量軋制，并且要經(jīng)過數(shù)次中間加熱，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，與其他輕合金特別是鋁合金相比競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不大。近年來，用擠壓方法制備鎂合金板材來提高其綜合力學(xué)性能并降低成本開展了較多研究。但目前國內(nèi)外對(duì)擠壓板材的研究主要在其后續(xù)軋制方面，擠壓板材厚度一般大于10 mm，而對(duì)于擠壓成形制備承力件研究較少，而且采用擠壓工藝，不能擠壓形狀較復(fù)雜的承力件。本課題在前期研究的基礎(chǔ)上，研究分析了晶粒取向及織構(gòu)對(duì)擠鍛復(fù)合成形試樣力學(xué)性能的影響。
1 試驗(yàn)材料及方法
在385℃下對(duì)AZ61鎂合金半連續(xù)鑄錠保溫12 h進(jìn)行均勻化處理并在XJ-800T臥室擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓以獲得鎂合金預(yù)成形坯型材，擠壓比為32，其材料化學(xué)成分見表1，保溫時(shí)間為4h，擠壓速度為13～17 mm/s。圖1為擠壓態(tài)及模鍛成形后ASTM標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，模鍛溫度為385℃，模鍛速度為5.6 mm/min，保壓時(shí)間為2s。
利用線切割對(duì)預(yù)成形擠壓坯及模鍛試樣進(jìn)行金相試樣和EBSD試樣的制備。待測(cè)試樣經(jīng)砂紙磨平、機(jī)械拋光，最后用AC-2電解液電解拋光制得EBSD試樣，并進(jìn)行檢測(cè)分析。擠壓預(yù)成形坯試樣取樣方向?yàn)闄M向(TD，transverse direction)，成形后試樣取樣位置為試樣標(biāo)距位置，見圖1。
2試驗(yàn)結(jié)果的分析及討論
2.1 AZ61鎂合金變形過程中晶粒取向變化
圖2為不同狀態(tài)下試樣的EBSD取向圖。從圖2a可看出，擠壓預(yù)成形坯組織為均勻細(xì)小的等軸分布的晶粒，平均晶粒尺寸為5μm，晶粒分布均勻，且組織內(nèi)部應(yīng)力分布均勻，應(yīng)變也較為均勻，見圖2a。圖2a中顏色深淺代表一個(gè)晶體學(xué)不同取向，顏色深淺相近，則晶粒取向相近。可以看出，擠壓態(tài)AZ61鎂合金的擇優(yōu)取向明顯，變形組織與再結(jié)晶組織取向相似，大部分晶粒的(0001)基面平行擠壓方向；變形量為10%和30%時(shí)，晶粒大小開始變得不均勻，細(xì)小品粒由于應(yīng)變作用而細(xì)化，較大晶粒形狀發(fā)生畸變及轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)有少量的孿晶產(chǎn)生，說明內(nèi)部開始發(fā)生晶粒的滑動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，其晶粒尺寸平均在1～30 μm，見圖2b和圖2c。原因可能是擠壓預(yù)成形坯試樣在變形初期，坯料僅受兩向壓應(yīng)力而使試樣受力不均有關(guān)。隨著變形量的增加，晶粒取向明顯發(fā)生變化，大部分平行于擠壓方向的纖維織構(gòu)即{ 0001}晶面和<100>晶向開始轉(zhuǎn)向軟取向的方向，同時(shí)不均勻性組織逐漸減少。當(dāng)變形量為50%時(shí)，鎂合金組織的不均勻程度最�。ㄒ妶D3d），這是由于大晶粒在模鍛變形過程中在三向壓力作用下破碎的緣故，合金的組織被進(jìn)一步細(xì)化，初始的晶粒幾乎被完全打碎，等軸晶粒再次出現(xiàn)，平均晶粒尺寸細(xì)化為3～5μm，晶粒大小較為均勻；當(dāng)變形程度為60%時(shí)，其晶粒大小沒有變化，見圖2e。
圖2亦為擠壓態(tài)和經(jīng)過不同變形程度的變形后合金內(nèi)部晶粒大小及取向圖，圖中黑色區(qū)域代表再結(jié)晶組織，灰色區(qū)域代表亞晶組織，白色區(qū)域代表變形組織，粗黑線代表大于150的晶界，細(xì)黑線代表20～150之間的小角度晶界。試樣的初始織構(gòu)是基面織構(gòu)，沿著與晶粒
C軸平行的方向進(jìn)行單軸壓縮變形。
再結(jié)晶的小晶粒主要是在變形晶粒的晶界處形成的，并且在變形組織內(nèi)部有很多小角度晶界。隨著變形的進(jìn)行，細(xì)小的再結(jié)晶晶粒越來越多，但兩類組織的取向仍然保持相近，表現(xiàn)出連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的特點(diǎn)。從圖2a～圖2e的EBSD取向信息中可看出，新的再結(jié)晶小晶粒是通過亞晶的逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)而形成。變形量為50%N60%（見圖2d、圖2e）時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶逐漸結(jié)束，得到的是無畸變或畸變晶粒減少的等軸再結(jié)晶晶粒。由于變形過程中溫度升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒之間出現(xiàn)相互吞并而長(zhǎng)大的現(xiàn)象。長(zhǎng)大的速度大于變形細(xì)化晶粒的速度，故出現(xiàn)晶粒隨變形程度的增加，晶粒反而長(zhǎng)大，但是坯料合金的纖維組織特征消失，代之以呈模鍛成形后的流線組織特征，組織內(nèi)部應(yīng)變不均的現(xiàn)象減少。
2.2 力學(xué)性能的變化
圖3為AZ61鎂合金在擠鍛復(fù)合成形過程中，合金內(nèi)部組織應(yīng)變的變化規(guī)律。顏色深淺不一，說明在變形過程中試樣內(nèi)部發(fā)生了應(yīng)變的強(qiáng)弱變化。如擠壓態(tài)（見圖3a）時(shí)，顏色主要為黑色和深灰色，深淺分布較為均勻，說明在初始態(tài)時(shí)其內(nèi)部應(yīng)變分布均勻；圖3b和圖3c中顏色主要是灰色和白色，同時(shí)分布有深灰色，說明隨著變形量的增加，應(yīng)變逐漸變得不均勻，應(yīng)變隨變形量的增加而增加；當(dāng)變形量為50%時(shí)，主要為黑色和深灰色，同時(shí)少量區(qū)域分布有灰色和白色（見圖3d），說明應(yīng)變開始趨向變得均勻，當(dāng)達(dá)到60%的變形量時(shí)，灰色和白色區(qū)域迅速增加（見圖3e），說明當(dāng)超過50%的變形量時(shí)，合金內(nèi)部的應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，在應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)的區(qū)域可明顯看到極細(xì)小的晶粒。應(yīng)變區(qū)域的變化，表明合金內(nèi)部晶粒變形不均勻，導(dǎo)致合金內(nèi)部組織應(yīng)力的變化。
圖4為AZ61鎂合金在擠鍛復(fù)合成形過程中，不同變形量條件下的晶粒極圖，變形方式為模鍛變形，變形量分別為10%、30%、50%、60%。圖4a為擠壓態(tài)極圖，屬軋制基面織構(gòu)，極圖基本以中心點(diǎn)和橫向?yàn)閷?duì)稱，平行擠壓方向。大部分晶粒的c軸與擠壓方向趨近于垂直，極圖最強(qiáng)點(diǎn)基本是以圓心為對(duì)稱的位置，最大極密度為15. 37。在模鍛變形過程中，織構(gòu)強(qiáng)度大幅度下降，在變形量為10%時(shí)，織構(gòu)強(qiáng)度為5.48(見圖4b)，隨變形量增加，織構(gòu)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，變形量為30%和50%時(shí)，織構(gòu)強(qiáng)度分別為6. 84和9.62(見圖4c和圖4d)，當(dāng)變形量達(dá)到60%時(shí)，織構(gòu)強(qiáng)度為9.30，又有下降趨勢(shì)(見圖4e)。
表2為不同變形量時(shí)合金的力學(xué)性能。從擠壓態(tài)預(yù)成型坯到模鍛成形為試樣，試樣隨變形量的增加，屈服強(qiáng)度呈先下降后上升趨勢(shì)，是晶粒尺寸與基面織構(gòu)雙重因素影響的結(jié)果。
3 結(jié) 論
(1)擠壓態(tài)預(yù)成型試樣存在強(qiáng)烈的基面織構(gòu)，晶粒處于硬取向，基面滑移難以啟動(dòng)，合金的屈服強(qiáng)度較高。
(2)在基面織構(gòu)強(qiáng)度相似的情況下，合金內(nèi)部的應(yīng)變會(huì)增加；晶粒細(xì)化可提高試樣的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，擠鍛復(fù)合成形過程中，組織的晶粒大小變化不大，使初始的基面織構(gòu)稍微減弱，其屈服強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率波動(dòng)不大，因此合金晶粒細(xì)化不能通過無限增加合金的變形量得到提升。
