李峰 王雁鵬 張熙杰

摘 要：傳統(tǒng)彎曲構(gòu)件成形工藝存在工序流程長、曲率調(diào)控難度大等瓶頸問題。錯(cuò)距擠壓工藝能夠在單道次擠壓成形過程中實(shí)現(xiàn)擠壓-成形一體化，同時(shí)，通過改變凸模端部的錯(cuò)距量h，達(dá)到控制彎曲構(gòu)件曲率特征的目的。由錯(cuò)距擠壓工藝獲得的AZ31彎曲構(gòu)件經(jīng)過EBSD測試，分析了凸模錯(cuò)距量h對彎曲構(gòu)件的晶粒形貌、平均晶粒尺寸、晶界分布、晶粒取向和施密特因子的影響。研究結(jié)果表明，隨著凸模錯(cuò)距量h的增加，AZ31鎂合金構(gòu)件發(fā)生了充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，且由于凸模結(jié)構(gòu)的特殊性，彎曲構(gòu)件中平行于擠壓方向的晶粒數(shù)量增加，晶粒取向由原先的軟取向轉(zhuǎn)為硬取向。為鎂合金彎曲構(gòu)件錯(cuò)距擠壓成形微觀組織演變的研究提供了科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：AZ31鎂合金;錯(cuò)距擠壓;凸模錯(cuò)距量;晶粒形貌;動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;施密特因子

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.006

中圖分類號： TG376

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0029-05

Abstract：Traditional bending processes have many bottlenecks， such as long processing flow and difficulty in controlling bending characteristics. The staggered extrusion （SE） process can realize the integration of extrusion and bending in a single pass. The bending characteristics of bending products can be controlled by adjusting the staggered distance （h） of the stem. The AZ31 bending products obtained by the staggered extrusion process was observed by EBSD. The influence of the staggered distance on grain morphology， average grain size， grain boundary distribution， grain orientation and Schmid factor of bending products was investigated， respectively. The results show that the dynamic recrystallization of AZ31 magnesium alloys occurs and the grains are refined with the increase of the h. Because of the special structure of the stem， the number of grains parallel to the extrusion direction in the bending products increases， and the grains change from the original soft orientation to the hard orientation. The above phenomena provide scientific guidance for the investigation of microstructure evolution in staggered extrusion of magnesium alloy bending products.

Keywords：AZ31 magnesium alloy; staggered extrusion; staggered distance; grain orientation; dynamic recrystallization; Schmid factor

0 引 言

輕量化是現(xiàn)階段工業(yè)應(yīng)用中長期追逐的目標(biāo)[1]，輕質(zhì)彎曲構(gòu)件則是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要手段及途徑之一[2-3]。目前常用的傳統(tǒng)彎曲工藝主要有繞彎法[4]、拉彎法[5]、壓彎法[6]、推彎法[7-8]、滾彎法[9-10]及數(shù)控彎曲[11]等。傳統(tǒng)彎曲構(gòu)件的獲得方式主要為“先成形-后彎曲”的制造模式，存在著工序流程長、曲率調(diào)控難度大、工藝方案制定復(fù)雜等難題。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者開始致力于探索擠壓成形-彎曲一體化技術(shù)的研究。如Klaus等[15]提出了帶導(dǎo)向模片擠壓彎曲成形工藝，可通過將多組導(dǎo)向模片自由組合，直接擠壓成形出帶曲率的型材;Zhou等[16]提出了雙向?qū)?cè)擠壓控制金屬側(cè)向擠壓成形曲率的新方法，是一種非常有趣的嘗試;Shiraishi等[17]提出了一種VCSE工藝，將帶角度的模具固定在擠壓筒上來控制坯料的流動(dòng)方向，從而獲得彎曲構(gòu)件。如李落星等[18]提出了擠壓彎曲-淬火一體化新工藝，并取得了豐富的研究成果;石磊等[19]提出了動(dòng)態(tài)流量控制法，即通過動(dòng)態(tài)調(diào)整傳統(tǒng)分流擠壓模中分流孔內(nèi)金屬的流量獲得了高精度高強(qiáng)度細(xì)晶彎管件。

本文提出了一種錯(cuò)距擠壓成形新方法。該工藝通過凸模部分結(jié)構(gòu)的改變，可對擠出截面處金屬流速不均勻性進(jìn)行定量調(diào)控，這對在單道次擠壓成形帶曲率構(gòu)件成為了可能。通過前期探索，獲得了較理想的效果[20]。但錯(cuò)距擠壓成形中微觀組織的變化較復(fù)雜，本文重點(diǎn)圍繞再結(jié)晶對微觀組織的影響展開研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案

錯(cuò)距擠壓法對傳統(tǒng)正擠壓的凸模局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用擠出模口流速的不均勻性進(jìn)行調(diào)控，從而獲得帶曲率特征的彎曲構(gòu)件，如圖1所示。錯(cuò)距擠壓工裝模具組成主要包括：凸模、擠壓筒、芯模、底座等部分。將凸模端部設(shè)計(jì)成臺(tái)階式的錯(cuò)距結(jié)構(gòu)，可以控制擠出構(gòu)件的曲率特征，實(shí)現(xiàn)擠壓-成形一體化的目的。

本實(shí)驗(yàn)采用商用AZ31鎂合金，具體成分如表1所示。將原始鑄態(tài)AZ31鎂合金加工成尺寸為Φ40mm×40mm的圓柱形坯料，把加工好的坯料在673K下進(jìn)行均勻化退火12h，在空氣中冷卻至室溫。將退火后的坯料與工裝模具按照圖1a）所示方式裝配好，實(shí)驗(yàn)采用水基石墨作為潤滑劑。使用箱式保溫爐將模具加熱到623K并保溫30min，采用熱電偶控制實(shí)驗(yàn)溫度誤差在±2K之內(nèi)，壓力機(jī)擠壓速度為1mm/s。

為了對比研究，凸模端部錯(cuò)距量h分別取8mm、12mm、16mm、20mm、24mm，擠壓比為19.75，最終獲得Φ9mm的彎曲構(gòu)件。將擠壓成形的彎曲構(gòu)件脫模后馬上在水中進(jìn)行淬火，以保留彎曲構(gòu)件的微觀組織。

在每個(gè)彎曲構(gòu)件的中心部位取一個(gè)尺寸為5mm×5mm×1mm的長方體試樣進(jìn)行微觀組織測試。先把試樣在電解溶液中進(jìn)行電解拋光，然后放置在Quanta 200F場發(fā)射掃描電鏡中進(jìn)行電子背散射衍射（electron backscattered diffraction， EBSD）測試。實(shí)驗(yàn)臺(tái)傾斜70°，掃面步長為1.2μm，工作距離為13mm，采用HKL-Channl 5.0軟件對彎曲構(gòu)件的晶粒形貌、晶界分布和施密特因子（Schmid factor， SF）進(jìn)行分析。

2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為

圖2為不同錯(cuò)距量h條件下，通過錯(cuò)距擠壓獲得的AZ31鎂合金彎曲構(gòu)件。

從圖2中可以看出，隨著錯(cuò)距量h的增加，彎曲構(gòu)件的彎曲高度增加，彎曲半徑減小。證明了錯(cuò)距擠壓能夠?qū)崿F(xiàn)擠壓-成形一體化，縮短了此類構(gòu)件制造的工藝流程且能通過調(diào)整凸模結(jié)構(gòu)來獲得相應(yīng)的曲率特征。

圖3為通過不同錯(cuò)距量h加載成形獲得彎曲構(gòu)件的晶粒形貌和晶界分布對比。其中，紅色晶界表示大角度晶界（high angle grain boundary， HAGBs>15°），黑色晶界表示小角度晶界（low angle grain boundary， LAGBs>15°）。晶粒形貌是判斷晶粒再結(jié)晶的標(biāo)準(zhǔn)之一，從圖3中可以看出，經(jīng)過錯(cuò)距擠壓后，鎂合金彎曲構(gòu)件的晶粒形貌均呈現(xiàn)均勻的等軸狀，這說明了錯(cuò)距擠壓成形后晶粒發(fā)生了充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為。

大角度晶界的分布是判斷晶粒再結(jié)晶現(xiàn)象是否充分的依據(jù)之一。從圖3中還可以看出，經(jīng)錯(cuò)距擠壓后，大部分晶粒之間具有大角度晶界且均勻分布在彎曲構(gòu)件中。

圖4為彎曲構(gòu)件中大角度晶界與錯(cuò)距量h之間的關(guān)系曲線。從圖4可以看出，隨著錯(cuò)距量h從8mm增加到24mm，大角度晶界的數(shù)量百分比從78.04%增加到89.88%，證明了錯(cuò)距擠壓成形后，晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行的較為充分，這對改善彎曲構(gòu)件的微觀組織無疑是有益的。

圖5為彎曲構(gòu)件在透射電子顯微鏡（transmission electron microscope， TEM）下的晶界形貌。從圖5（a）， （b）， （e）藍(lán)色圓形區(qū)域中可以發(fā)現(xiàn)，TEM可以觀測到相鄰晶粒之間出現(xiàn)三叉晶界。小角度晶界逐漸形成大角度晶界后，大角度晶界又能夠通過遷移促進(jìn)彎曲構(gòu)件晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為。圖5（c）， （d）中藍(lán)色矩形區(qū)域所示為被晶界截?cái)嗟奈诲e(cuò)線，可以看出，在晶界處的位錯(cuò)密度較高。彎曲構(gòu)件塑性變形主要是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能夠促進(jìn)再結(jié)晶晶粒的形成。

3 晶粒取向演化

圖6中不同顏色的晶粒代表不同的晶粒取向，灰色六棱柱為晶粒3D點(diǎn)陣取向圖示意圖。從圖6中可以看出，錯(cuò)距擠壓成形中鎂合金的晶粒在外力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致晶粒取向發(fā)生改變。晶粒取向具有向平行于ED方向變化的趨勢，該方向的晶粒數(shù)量在錯(cuò)距擠壓后顯著增多，即平行于{0001}基面的晶粒數(shù)量增加。同時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒能夠在旋轉(zhuǎn)過程中逐漸吸收能量長大，小角度晶界逐漸吸收能量轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы纭?/p>

圖7所示為平均施密特因子（Average Schmid factor， ASF）與錯(cuò)距量h之間的關(guān)系。施密特因子作為判斷晶體發(fā)生塑性變形的重要依據(jù)，在微觀組織演變分析中起到重要作用[21]。

從圖7中可以看出，隨著錯(cuò)距量h從8mm增加至24mm，彎曲構(gòu)件的ASF從0.34降低至0.11。經(jīng)錯(cuò)距擠壓后，晶粒有由最初的軟取向轉(zhuǎn)為硬取向的變化趨勢。且隨著錯(cuò)距量h的增加，硬取向晶粒的數(shù)量增多。說明了經(jīng)過錯(cuò)距擠壓后，鎂合金彎曲構(gòu)件的晶粒ASF減小，這有利于消除彎曲構(gòu)件的各向同性。

4 結(jié) 論

1）錯(cuò)距擠壓所獲AZ31鎂合金彎曲構(gòu)件具有均勻分布的微觀組織，這是由于在擠壓過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所致。隨著錯(cuò)距量h從8mm增加至24mm，彎曲構(gòu)件的平均晶粒尺寸從14.88μm減小至10.51μm，同時(shí)，大角度晶界的數(shù)量百分比從78.04%增加到89.88%，這對于提高彎曲構(gòu)件的綜合力學(xué)性能非常有益;

2）AZ31鎂合金錯(cuò)距擠壓成形促使平行于基面{0001}的晶粒增加，晶粒從最初的軟取向向硬取向轉(zhuǎn)變。隨著錯(cuò)距量h從8mm增加至24mm，彎曲構(gòu)件的ASF從0.34降低至0.11，這有利于消除彎曲構(gòu)件的各項(xiàng)同性，使得彎曲構(gòu)件在后續(xù)的應(yīng)用中具有穩(wěn)定的力學(xué)性能;

3）錯(cuò)距擠壓法巧妙地通過對凸模結(jié)構(gòu)的局部改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了鎂合金彎曲構(gòu)件擠壓-成形一體化的目的。縮短了工藝流程，節(jié)約了生產(chǎn)成本。且通過凸模錯(cuò)距量h的調(diào)整，定量調(diào)控AZ31鎂合金彎曲構(gòu)件的曲率特征，為帶曲率構(gòu)件成形制造提供了一種新思路。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：王 萍）