江吉浩，王忠堂

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

鎂合金板材室溫成形性能低是限制鎂合金板材應(yīng)用的關(guān)鍵問題。通過激烈塑性變形使鎂合金材料產(chǎn)生更多的孿晶組織、更多的滑移系、更多的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒和弱化織構(gòu)的目的,可以有效提高塑性成形性能。

采用多道次單向彎曲方法可以有效弱化AZ31B鎂合金板材的基面織構(gòu)，顯著提高AZ31B鎂合金板材的塑性變形性能[1-2]。經(jīng)過往復(fù)單向彎曲變形后的鎂合金板材，其室溫成形極限應(yīng)變?cè)黾恿?9%[3]。Jiang等[4]研究了AZ61鎂合金經(jīng)過循環(huán)彎曲變形后的組織性能演變規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形溫度為623K時(shí)，AZ61鎂合金的晶粒尺寸達(dá)到3μm。高強(qiáng)度Mg-8Sn-1Al-1Zn鎂合金經(jīng)過反擠壓變形后，其平均晶粒尺寸達(dá)到1.92μm，微觀組織中出現(xiàn)大量的微米和納米級(jí)顆粒相，表現(xiàn)出典型的基面纖維織構(gòu)[5]。AZ31鎂合金的低溫反復(fù)彎曲工藝與退火工藝相結(jié)合，能有效細(xì)化晶粒，減弱基體織構(gòu)[6]。鎂合金板材單向彎曲變形時(shí)，基體組織發(fā)生偏轉(zhuǎn)，基體組織減弱[7]。Song等[8]采用重復(fù)單向彎曲(RUB)的方法有效弱化了AZ31B鎂合金板材的基面織構(gòu)，從而提高了鎂合金板材的成形性能和力學(xué)性能。當(dāng)AZ31鎂合金通過正擠壓變形時(shí)，大量累積的應(yīng)變誘發(fā)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，基體織構(gòu)明顯減弱[9]。Shingo等[10]提出了改善AZ31鎂合金組織性能和塑性成形性的新方法，即周期應(yīng)變軋制方法(PSR)，該新方法使AZ31鎂合金板材的晶粒得到明顯細(xì)化、織構(gòu)得到明顯弱化。AZ31鎂合金板材經(jīng)過激烈塑性變形(SPD)和短時(shí)間退火后，其組織性能和力學(xué)性能得到顯著提高，平均晶粒尺寸達(dá)到3.5μm，屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了34%和11%[11]。AZ31B鎂合金在熱變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，其位錯(cuò)密度分布高度不均勻，這是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的典型特征。熱加工工藝參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核和生長(zhǎng)行為的影響機(jī)制是通過改變位錯(cuò)累積速率的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。AZ31鎂合金在熱變形后的晶界取向分布規(guī)律與工藝參數(shù)密切相關(guān)，在高應(yīng)變速率下，晶界取向與收縮孿晶和次級(jí)孿晶有關(guān)的重合點(diǎn)陣晶界較多，由于孿晶誘導(dǎo)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增加，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨著應(yīng)變速率的增加而顯著增加[13]。在鎂合金擠壓變形過程中，提高擠壓比可以明顯弱化基面織構(gòu)[14]。復(fù)合變形可以有效改善AZ31鎂合金的微觀組織性能，晶粒得到明顯細(xì)化，力學(xué)性能得到提高[15]。秦博等[16]建立了AZ31鎂合金溫?zé)嶙冃螚l件下的本構(gòu)方程，為變形工藝數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

本文分析了壓彎-壓平復(fù)合變形特征,對(duì)鎂合金壓彎-壓平復(fù)合變形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析鎂合金的組織性能和力學(xué)性能變化規(guī)律。

1 壓彎-壓平復(fù)合變形技術(shù)特征

鎂合金板材經(jīng)過一次壓彎成形后，再將彎曲板材進(jìn)行壓平變形后,使之恢復(fù)平整，這種變形方法稱為壓彎-壓平復(fù)合變形技術(shù)。變形工藝原理圖如圖1所示。

圖1 壓彎-壓平復(fù)合變形工藝原理圖

復(fù)合變形參數(shù)包括變形溫度(T)、彎曲間距(s)、彎曲壓下量(2h)、復(fù)合變形系數(shù)(λ=2h/s)。圖2為壓彎-壓平復(fù)合變形過程中變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)變狀態(tài)分布。

圖2 壓彎-壓平復(fù)合變形應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)

壓彎-壓平復(fù)合變形可以產(chǎn)生激烈切向變形，從而可以加劇鎂合金材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒和弱化基面織構(gòu)的目標(biāo)，顯著提高鎂合金板材成形性能。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 鎂合金壓彎-壓平復(fù)合變形模具研制

多功能壓彎-壓平模具結(jié)構(gòu)如圖3a所示。模具整體分為上下兩部分:1為上模座，2為上壓彎凸模，3為下壓彎凸模，4為下模座，5為下壓平模具，6為上壓平模具。凸柱中設(shè)計(jì)了12mm的通孔，通孔作用為放入加熱棒，對(duì)模具起加熱的作用。圖3b為固定在液壓機(jī)上的實(shí)際模具圖。

圖3 壓彎-壓平模具結(jié)構(gòu)

壓彎-壓平復(fù)合變形工藝：(1)鎂合金板材放在加熱爐中加熱一定溫度并且保溫一定時(shí)間，采用電加熱棒給模具預(yù)熱到一定溫度；(2)鎂合金板材經(jīng)過壓彎凸模2和3進(jìn)行壓彎變形，即一次變形；(3)完成壓彎變形的鎂合金板材經(jīng)過壓平模具5和6完成壓平變形，即二次變形，即可加工出高性能的鎂合金板材。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)材料為2mm厚的軋制態(tài)AZ31鎂合金板材，在彎曲變形之前對(duì)其進(jìn)行退火處理，加熱溫度450℃，保溫時(shí)間60min。退火后AZ31鎂合金板材原始晶粒為等軸晶粒，平均晶粒大小為36μm，晶粒內(nèi)部沒有孿生現(xiàn)象。

鎂合金板材經(jīng)過壓彎-壓平兩個(gè)工序?yàn)橐粋€(gè)變形道次。彎曲工藝參數(shù)：壓彎凸柱間距為38mm，彎曲壓下量為15mm，壓彎速度為10mm/s。變形溫度分別為為443K、483K、523K，并且保證恒溫條件下變形，復(fù)合變形系數(shù)為0.39。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 微觀組織特征

鎂合金板材在第一次壓彎變形過程中，其板材壓彎內(nèi)側(cè)與外側(cè)所受的應(yīng)力狀態(tài)不同，所以導(dǎo)致其變形后板材內(nèi)外兩側(cè)的顯微組織不同。當(dāng)變形溫度為443K時(shí)，板材壓彎1道次后，板材橫截面的外側(cè)、中心、內(nèi)側(cè)的微觀組織如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，板材外側(cè)微觀組織變化不明顯，只有少量孿晶組織。在板材中心層出現(xiàn)比例較小的孿晶組織。在壓彎變形板材的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)大量孿晶組織。在彎曲板材內(nèi)側(cè)，由于垂直于C軸的壓應(yīng)力存在，易產(chǎn)生拉伸孿晶，而外側(cè)受垂直于C軸的拉應(yīng)力，則不容易產(chǎn)生拉伸孿晶。

復(fù)合變形溫度對(duì)鎂合金板材的微觀組織影響明顯，如圖5所示。在變形溫度為443K和483K條件下，壓彎-壓平復(fù)合變形1個(gè)道次，鎂合金微觀組織中產(chǎn)生了明顯的孿晶組織。當(dāng)變形溫度達(dá)到523K時(shí)，孿晶組織不明顯。當(dāng)變形溫度為483K時(shí)，孿晶組織的比例最大，這主要是由于鎂合金在483K以下溫度變形時(shí)，其柱面和錐面滑移系不容易啟動(dòng)，變形機(jī)制主要是孿生變形。隨著變形溫度的升高，柱面和錐面滑移系的臨界剪切應(yīng)力降低，滑移系容易啟動(dòng)，此時(shí)，滑移變形成為主要的變形機(jī)制。

圖4 壓彎-壓平復(fù)合變形板材不同位置微觀組織

圖5 變形溫度對(duì)AZ31鎂合金微觀組織的影響

3.2 再結(jié)晶行為

AZ31鎂合金板材經(jīng)過三個(gè)道次的復(fù)合變形后，其微觀組織如圖6所示。根據(jù)圖6a可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形溫度為483K時(shí)，細(xì)小的再結(jié)晶晶粒替代初始的孿晶區(qū)域帶，平均晶粒尺寸為12.2μm。孿晶與晶界交叉區(qū)域是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的主要形核位置。孿晶與孿晶之間的交叉形成由兩對(duì)孿晶界包圍的矩形區(qū)域，鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織在孿晶交叉處優(yōu)先形核，并且開始長(zhǎng)大，覆蓋初始粗大晶粒，細(xì)化了鎂合金組織。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒以孿晶的孿晶界為界，再結(jié)晶晶粒尺寸小于孿晶寬度。根據(jù)圖6b可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形溫度為523K時(shí)，在AZ31鎂合金的初始粗大晶粒的晶界上，出現(xiàn)了少量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，但再結(jié)晶效果不明顯。

圖6 不同變形溫度下AZ31鎂合金微觀組織(復(fù)合變形3個(gè)道次)

4 力學(xué)性能

拉伸試樣采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣尺寸。圖7所示給出了4組循環(huán)彎曲后的AZ31鎂合金板材的室溫拉伸性能曲線，應(yīng)變速率為0.01s-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)變形溫度為443K時(shí)經(jīng)過1道次循環(huán)變形的試樣的延伸率為7%，抗拉強(qiáng)度為330MPa,屈服極限為280MPa。當(dāng)變形溫度在483K下循環(huán)變形3道次時(shí)，試樣的延伸率達(dá)到17.1%，比原始試樣提高了約42%?？估瓘?qiáng)度為298MPa,屈服極限為248MPa。當(dāng)變形溫度為523K循環(huán)變形5道次時(shí)，試樣的延伸率為14.5%。經(jīng)過變形溫度443K，一個(gè)道次變形后，抗拉強(qiáng)度為325MPa,屈服強(qiáng)度為225MPa,與原始坯料力能參數(shù)相比，抗拉強(qiáng)度提高了19%,屈服強(qiáng)度提高了28%。

圖7 復(fù)合變形后的AZ31鎂合金板材室溫拉伸性能

5 結(jié)論

(1)分析鎂合金壓彎-壓平復(fù)合變形特征，確定了復(fù)合變形工藝參數(shù)，對(duì)AZ31鎂合金壓彎-壓平復(fù)合變形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。隨著變形溫度的增大，鎂合金在循環(huán)彎曲變形過程中出現(xiàn)了明顯的孿晶組織，當(dāng)變形溫度為483K時(shí)，孿晶組織的比例最大，孿生為主要變形機(jī)制。

(2)當(dāng)變形溫度為483K時(shí)，細(xì)小的再結(jié)晶晶粒替代初始的孿晶區(qū)域帶，平均晶粒尺寸為12.2μm。

(3)當(dāng)變形溫度為483K、循環(huán)3道次時(shí)，AZ31鎂合金的延伸率為17.1%，較原始材料提高了42%。

(4)當(dāng)變形溫度為523K循環(huán)變形道次為5次時(shí)，試樣的延伸率為14.5%。經(jīng)過變形溫度443K，一個(gè)道次變形后，抗拉強(qiáng)度為325MPa,屈服強(qiáng)度為225MPa,與原始坯料力能參數(shù)相比，抗拉強(qiáng)度提高19%,屈服強(qiáng)度提高28%。