劉華強(qiáng)，唐 荻，胡水平，米振莉，王 哲

(北京科技大學(xué) 高效軋制國(guó)家工程研究中心，北京 100083)

變形鎂合金是目前使用最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，不僅具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，而且具有優(yōu)良的電磁屏蔽性、散熱性、減震性和機(jī)械加工性能。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”[1-2]。

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)[3-6]。織構(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[7-10]，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[11]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[12-14]，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[15-19]，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 實(shí)驗(yàn)

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2.0 mm，寬300 mm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1 mm厚，道次壓下量為15%，道次間板材重新回爐加熱至300 ℃，保溫10～15 min。終軋后板材在300 ℃下退火，保溫1 h。

采用異步軋制將上述擠壓板坯在 300 ℃下軋至1 mm厚，道次壓下量為15%，道次間板材重新回爐加熱至300 ℃，保溫10～15 min。終軋后板材在300 ℃下退火，保溫1 h。使用d90 mm軋輥與d80 mm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1 mm厚，道次壓下量為15%，道次間板材重新回爐加熱至300 ℃，保溫10～15 min。終軋后板材在300 ℃下退火，保溫1 h。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。

圖1 異步軋制和交叉軋制示意圖Fig.1 Schematic diagrams of differential speed rolling and cross rolling: (a)Differential speed rolling; (b)Cross rolling

實(shí)驗(yàn)使用Carl Zeiss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)：Cu Kα射線，管電壓 40 kV，電流100 mA。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。

表1 實(shí)驗(yàn)鎂合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of tested alloys (mass fraction, %)

圖2 埃里克森試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of Erichsen test (mm)

圖3 錐杯實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of cone-cup test (mm)

2 結(jié)果與討論分析

2.1 不同軋制工藝獲得鎂合金薄板微觀組織分析

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9.5 μm。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10.5 μm。常規(guī)軋制的晶粒(見圖4(a))較粗大，平均晶粒尺寸12.0 μm。

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(zhǎng)。

圖4 不同軋制工藝下鎂合金板材的微觀組織Fig.4 Microstructures of magnesium alloy sheet obtained by different rolling technologies: (a)Normal rolling; (b)Differential speed rolling; (c)Cross rolling

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[15]。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(zhǎng)；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。

圖5 不同軋制工藝制備的鎂合金板材(0002)極圖Fig.5 (0002)pole figures of magnesium alloy sheet obtained by different rolling technologies: (a)Normal rolling; (b)Differential speed rolling; (c)Cross rolling

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 不同軋制工藝制備鎂合金板材的基本成形性能分析

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。織構(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?；婵棙?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(zhǎng)，即有更多的晶?；娣ㄏ蚱蛴谲埾颉．?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(zhǎng)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(zhǎng)率并未明顯提高。由此分析可知，伸長(zhǎng)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)。

圖6 不同軋制工藝制備鎂合金板材的力學(xué)性能Fig.6 Mechanical properties of magnesium alloy sheet obtained by different rolling technologies: (a)Tensile strength; (b)Yield strength; (c)Elongation; (d)r value(plastic strain ratio)

2.3 不同軋制工藝制備鎂合金板材的模擬成形性能分析

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??；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。

圖7 不同軋制工藝制備的板材的埃里克森值Fig.7 Erichsen value of magnesium alloy sheets obtained by different rolling technologies

圖8 鎂合金板材的埃里克森值與r值Fig.8 Eriksson value and r value of magnesium alloy sheets obtained by different rolling technologies

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粒基面偏轉(zhuǎn) 56°，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。

圖9 不同軋制工藝制備的鎂合金板材的錐杯值Fig.9 Value of cone-cup of magnesium alloy sheets obtained by different rolling technologies

4 結(jié)論

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(zhǎng)率主要取決于晶粒大小，晶粒越細(xì)小，板材伸長(zhǎng)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)板材的成形性能有重要影響：晶粒較粗大，板材脹形性能越好。這是因?yàn)檩^粗大晶粒相比細(xì)晶更容易發(fā)生孿生，壓縮孿晶可使晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有利于基面滑移，使板材塑性提高；室溫錐杯的試驗(yàn)結(jié)果也表現(xiàn)出與脹形試驗(yàn)一致的規(guī)律。

3)對(duì)比異步軋制、交叉軋制及常規(guī)軋制的板材，異步軋制明顯降低了板材基面織構(gòu)強(qiáng)度，從而使板材室溫沖壓性能得到提高；而交叉軋制的板材，晶粒顯著細(xì)化，基面織構(gòu)增強(qiáng)，提高了板材的力學(xué)性能，卻降低了板材沖壓成形性能；交叉軋制可以減弱板材各向異性。

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