鑄態(tài)AZ31鎂合金熱壓縮過(guò)程中的再結(jié)晶行為

肖 凱

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)院，上海200232）

鑄態(tài)AZ31鎂合金熱壓縮過(guò)程中的再結(jié)晶行為

肖 凱

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)院，上海200232）

利用Gleeble－1500在溫度200～500℃和應(yīng)變速率0.001～1s－1范圍內(nèi)對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，并對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行研究?；跍囟龋瓚?yīng)變速率的變化規(guī)律（Zener－Hollomon參數(shù)，Z參數(shù)），分析了形變溫度和應(yīng)變速率對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生后，再結(jié)晶晶粒尺寸隨著形變溫度的降低而減小。隨著Z值的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用增強(qiáng)，形變組織細(xì)化。為了便于工程應(yīng)用的參考，給出了相應(yīng)的熱加工三維圖。

鎂合金；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；熱變形；Z參數(shù)

鎂及其合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽效果佳、機(jī)加工性能優(yōu)良、零件尺寸穩(wěn)定、易回收等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、汽車、計(jì)算機(jī)、電子、通訊和家電等行業(yè)已有多年的應(yīng)用歷史。近年來(lái)，隨著汽車輕量化和環(huán)保要求的不斷提高以及能源日趨緊張等原因激發(fā)了人們對(duì)鎂及其合金的極大興趣［1］。由于鎂為密排六方結(jié)構(gòu)，室溫下塑性加工性能差，形變時(shí)易發(fā)生脆裂，大部分鎂合金零件采用鑄造成型［2］。形變條件特別是形變溫度和應(yīng)變速率對(duì)鎂合金的塑性成形能力影響很大［3－5］。采用較高溫度及低應(yīng)變速率的塑性加工方法有利于鎂合金制品的塑性成形。在熱變形過(guò)程中，鎂合金由于層錯(cuò)能較低，容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作為一種重要的軟化和晶粒細(xì)化機(jī)制，對(duì)控制鎂合金的變形組織、改善其塑性變形能力、提高力學(xué)性能具有十分重要的意義［6］。

目前，對(duì)鎂合金的熱變形研究主要集中在流變應(yīng)力和應(yīng)變速率及形變溫度之間的關(guān)系上［7－10］。而關(guān)于鎂合金熱變形參數(shù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶微觀組織演變之間關(guān)系的研究較少，因此，本工作利用Gleeble－1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金在熱壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行了研究，為制定合理的熱加工工藝，有效地控制產(chǎn)品的組織性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量提供可靠的實(shí)驗(yàn)支持。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

實(shí)驗(yàn)材料采用鑄態(tài)AZ31鎂合金，名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為3%Al，1%Zn，Mn≤0.2%，其余為Mg。鑄態(tài)試樣的平均晶粒尺寸為230μm，如圖1所示。試樣加工成Φ10mm×15mm的圓柱體。壓縮試驗(yàn)在Gleeble－1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件為：溫度為200～500℃，應(yīng)變速率為0.001～1s－1。進(jìn)行壓縮前以5℃/s升至變形溫度，保溫2min消除試樣內(nèi)部溫度梯度，在試樣端面涂抹潤(rùn)滑劑以減小摩擦力影響。壓縮結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行水冷，保留變形組織。壓縮后的試樣沿軸截面切開，表面經(jīng)研磨、拋光、腐蝕處理后，用金相顯微鏡觀察顯微組織。利用截線法計(jì)算平均晶粒尺寸，數(shù)點(diǎn)法計(jì)算動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)。

圖1 鑄態(tài)AZ31鎂合金的組織Fig.1 The initial microstructure of as received as－cast AZ31alloy

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流變應(yīng)力特征

圖2所示為AZ31鎂合金在等應(yīng)變速率、不同形變溫度下壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從流變應(yīng)力曲線可以看出鎂合金的流變應(yīng)力對(duì)溫度的變化很敏感。鎂合金在壓縮變形初期表現(xiàn)出加工硬化，應(yīng)力迅速增加到一個(gè)峰值；隨著應(yīng)變?cè)黾樱V合金表現(xiàn)出明顯的軟化特征，應(yīng)力逐漸減小，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。應(yīng)力達(dá)到峰值后曲線趨勢(shì)下降的原因是鎂合金在變形過(guò)程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。鎂合金較之鋁等金屬具有低的層錯(cuò)堆垛能，因此在變形初期容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶后晶粒得到細(xì)化，流變應(yīng)力下降。隨著變形增加，鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化大于加工硬化，流變應(yīng)力逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，曲線趨于平緩。并且，熱變形過(guò)程中，鎂合金不同滑移系的臨界分切應(yīng)力隨溫度的變化不同，基面滑移的臨界分切應(yīng)力幾乎不隨溫度改變，而柱面、棱面滑移等非基面滑移的臨界分切應(yīng)力隨溫度的升高明顯下降［6］，因此，隨著變形溫度的提高，非基面滑移系的臨界切應(yīng)力下降，可以啟動(dòng)更多的非基面滑移，導(dǎo)致應(yīng)變硬化效應(yīng)削弱，變形抗力下降［6，11］。

圖2 不同應(yīng)變速率下真應(yīng)力－應(yīng)變曲線 （a）0.001s－1；（b）0.01s－1；（c）0.1s－1；（d）1s－1Fig.2 The true stress－strain curves at different strain rates （a）0.001s－1；（b）0.01s－1；（c）0.1s－1；（d）1s－1

溫度和應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響可以表示為［2，11，12］：

式中：A，n，α為與材料有關(guān)的常數(shù)；R為普適氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；σ為流變應(yīng)力；Q為變形激活能；為應(yīng)變速率；Z為Zener－Hollomon參數(shù)，其物理意義是溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子，因此，Q可以表示為：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出Q的具體數(shù)值。此壓縮實(shí)驗(yàn)的平均Q值為156.476kJ/mol。而且，lnsinh（ασ）與lnZ之間的關(guān)系由圖3所示，從圖3中可以看出，兩者之間表現(xiàn)出近似線性的關(guān)系。這說(shuō)明AZ31鎂合金的變形是個(gè)熱激活過(guò)程。

2.2 微觀組織演變規(guī)律

圖4表示了AZ31鎂合金在不同形變溫度和應(yīng)變速率下的金相顯微組織。隨著溫度和應(yīng)變速率的變化，再結(jié)晶晶粒尺寸和分?jǐn)?shù)均發(fā)生了變化。當(dāng)形變溫度在200～500℃時(shí)，出現(xiàn)條帶狀的再結(jié)晶晶粒。隨著形變溫度的升高，再結(jié)晶晶粒變細(xì)并且再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增加。當(dāng)形變溫度高于450℃時(shí)，尤其在低應(yīng)變速率的條件下，發(fā)生了明顯的晶粒長(zhǎng)大。

圖3 Z參數(shù)與流變應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Flow stress vs Zvalue of the as－cast AZ31alloy

圖4 不同形變溫度（T）和應(yīng)變速率（ε·）條件下AZ31鎂合金的金相組織Fig.4 Microstructure evolution at different deformation temperature and strain rate of AZ31Mg alloy

鎂合金在經(jīng)過(guò)塑性變形后，內(nèi)部的空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷密度增加，以及畸變能升高，使其處于熱力學(xué)的不穩(wěn)定高自由能狀態(tài)，而且鎂合金具有較低的堆垛層錯(cuò)能，它們?yōu)樵俳Y(jié)晶形核提供了有力的條件。隨著溫度的升高，位錯(cuò)更容易通過(guò)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)重組，合金中原子熱振動(dòng)及擴(kuò)散速率增加，位錯(cuò)的滑移、攀移、交滑移及位錯(cuò)節(jié)點(diǎn)脫錨比低溫時(shí)更容易，因而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核率增加［13，14］。在低應(yīng)變速率下，能夠?yàn)樵俳Y(jié)晶提供更多的時(shí)間，隨著溫度的升高，晶界將具有更高的遷移率，這也為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核和晶粒長(zhǎng)大提供了有利條件。因此，在高溫低應(yīng)變速率下，AZ31鎂合金更易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

由金相分析可知，熱加工過(guò)程中，成形溫度和應(yīng)變速率與AZ31鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)（VDRX－G）及晶粒尺寸（dDRX）有著緊密的聯(lián)系。圖5和圖6分別給出了Z參數(shù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)（VDRX－G）及晶粒尺寸（dDRX）的關(guān)系：

其中B，C為常數(shù)，Z值與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)及晶粒尺寸的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系：較大的Z值有利于完全再結(jié)晶及其晶粒的細(xì)化。圖6為熱加工三維圖，進(jìn)一步表明平均晶粒尺寸、形變溫度和應(yīng)變速率的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

（1）鑄態(tài)鎂合金在壓縮變形中表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的特征，流變應(yīng)力隨著溫度的上升而下降，應(yīng)力正弦函數(shù)的對(duì)數(shù)與Z參數(shù)的對(duì)數(shù)具有近似線性關(guān)系。

（2）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生后，再結(jié)晶晶粒尺寸隨著溫度的降低而減小。隨著Z值的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用增強(qiáng)，變形組織得到細(xì)化。

（3）依據(jù)熱加工變形三維圖（形變溫度、應(yīng)變速率和再結(jié)晶晶粒平均尺寸），選擇合適的參數(shù)，通過(guò)塑性加工可獲得組織細(xì)小致密的組織。

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Recrystallization of As－cast AZ31Magnesium Alloy During High Temperature Compression

XIAO Kai
（Shanghai Aircraft Design Institute，Shanghai 200232，China）

High temperature compression tests at a temperature range of 200－500℃with various strain rates 0.001－1s－1on a conventional as－cast AZ31were carried out using a Gleeble－1500dynamic material testing machine.The effects of deformation temperature and strain rate on microstructure evolution of the as－cast AZ31magnesium alloy were analyzed by introducing temperature－compensated strain rate（Zener－Hollomon parameter，Zvalue）.The results of the microstructure observations indicate that as the volume fraction of DRX grains increased，the size of DRX grain size is decreased.The mean size of the DRX grains decreases and the volume fraction of DRX grains increase with an increase of Zvalue.The three dimensional graph has been established to provide a clear guideline for forming craft selection.

magnesium alloy；dynamic recrystallization；high temperature compression；Zparameter

TG301

A

1001－4381（2012）02－0009－04

2011－07－18；

2011－11－20

肖凱（1982－），男，碩士研究生，工程師，主要從事商用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用研究及管理，聯(lián)系地址：上海市云錦路5號(hào)（200232），E－mail：xiaokai＠comac.cc