織構(gòu)和晶粒尺寸對AZ31鎂合金薄板成形性能的影響

胡水平，王 哲

(北京科技大學 冶金工程研究院，北京 100083)

織構(gòu)和晶粒尺寸對AZ31鎂合金薄板成形性能的影響

胡水平，王 哲

(北京科技大學 冶金工程研究院，北京 100083)

采用不同的軋制工藝，制備4種晶粒尺寸為7～18 μm和不同強度基面織構(gòu)的AZ31鎂合金板材，通過單向拉伸試驗和室溫Erichsen試驗，探討晶粒尺寸與織構(gòu)對鎂合金板材室溫成形性能的影響。結(jié)果表明：晶粒細化雖然增強了板材的力學性能，但不利于提高板材的脹形性能；基面織構(gòu)的減弱使板材沿厚度方向變形能力增強，具有較好的脹形性能，但另一方面使板材的屈服強度降低。

鎂合金；織構(gòu)；晶粒尺寸；Erichsen試驗；成形性能

鎂合金具有密度低、比強度高、減震性良好、回收容易以及電磁屏蔽效果好等優(yōu)點，在汽車以及電子工業(yè)中受到越來越多的重視[1-3]。傳統(tǒng)鎂合金產(chǎn)品大多依靠壓鑄和半固態(tài)成形，但相比之下，沖壓工藝能成形更小壁厚的零件，產(chǎn)品性能更為穩(wěn)定，生產(chǎn)率更高[4]。但由于具有密排六方結(jié)構(gòu)、室溫下可開動的滑移系較少，導致鎂合金的塑性較差，難以成形[5]。因此，對鎂合金的研究不僅僅致力于提高其力學性能，還需要提高其塑性變形能力，尤其是室溫下的沖壓成形性能。

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發(fā)生擇優(yōu)取向而形成強烈的基面織構(gòu)，織構(gòu)的強度以及形態(tài)都會對鎂合金薄板的成形性能產(chǎn)生重要影響[6-10]。晶粒尺寸也是影響鎂合金性能的主要因素，有研究指出，通過晶粒細化可以提高鎂合金板材的強度以及延展性[11-13]，但與單向拉伸相比，沖壓成形過程中的應(yīng)力狀態(tài)更為復雜，CHINO等[14]的研究表明，細晶鎂合金板材雖然具有良好的力學性能和斷后伸長性能，但脹形性能卻很差，單向拉伸條件下的斷后伸長率并不足以表征材料沖壓成形性能的優(yōu)劣。本文作者以最常用的AZ31鎂合金為研究對象，制備晶粒尺寸和織構(gòu)各不相同的4種板材，研究其在單向拉伸以及雙向拉伸條件(Erichsen試驗)下的成形特點。

1 實驗

采用2.4 mm厚的擠壓AZ31B板坯，軋前在400 ℃下退火2 h，然后分別在150、250、350和450 ℃下軋至1 mm，道次壓下量為15%，每道次間板材重新回爐保溫10～15 min。軋后板材在300 ℃下退火1 h。在以上4種溫度下軋制的板材依次標記為A、B、C和D。通過光學顯微鏡觀察板材的微觀組織，并通過截線法測量晶粒尺寸；利用SIEMENS D5000 X射線衍射儀測量板材中間層宏觀織構(gòu)，得到{0002}、和4個晶面的不完全極圖。

單向拉伸試驗在室溫下進行，取樣方向分別與軋制方向成0°、45°和90°角，拉伸速度為2 mm/min。一組試樣拉伸至試樣斷裂，另一組試樣拉伸到應(yīng)變10%時停止，測量試樣的r值。

室溫Erichsen試驗在Zwick板料成形試驗機上進行，試驗示意圖如圖1所示。在半球形凸模作用下，凹模內(nèi)板料不斷凸起直至出現(xiàn)穿透裂紋后停止，測量凸起高度即Erichsen值IE。試樣為直徑d60 mm的圓片，壓邊力為10 kN，沖頭速度為0.1 mm/s，每種板材重復3次。

圖1 Erichsen試驗?zāi)＞呤疽鈭DFig. 1 Schematic diagram of die of Erichsen test (mm)

圖2 4種板材的微觀組織Fig. 2 Microstructures of four AZ31 magnesium alloy sheets: (a) Specimen A; (b) Specimen B; (c) Specimen C; (d) Specimen D

2 實驗結(jié)果

2.1 板材的微觀組織和織構(gòu)

圖2所示為不同溫度下軋制板材退火后的微觀組織。150 ℃下軋制的板材(試樣A)退火后組織為細小的等軸晶，平均晶粒尺寸為7 μm。隨著軋制溫度的升高，晶粒尺寸逐漸增大。250、350和450 ℃下軋制的板材平均晶粒尺寸分別為12 μm(試樣B)、14 μm(試樣C)和 18 μm(試樣 D)。

不同軋制工藝下板材的晶粒取向也有較大差異。圖3所示為4種板材的{0002}極圖?？梢钥闯觯堉坪蟮逆V合金板材都表現(xiàn)出一定的基面織構(gòu)，即大部分晶粒的{0002}面都平行于板材軋面。A、B和C 3種板材基面織構(gòu)較強，而試樣D基面織構(gòu)強度明顯減弱。同時，極圖等高線形態(tài)也各異。試樣A的極圖等高線沿橫向被拉長；試樣B和C的極圖等高線形態(tài)相似，都是沿軋向被拉長；試樣D的等高線形態(tài)較為圓整。

圖3 4種板材的{0002}極圖Fig. 3 {0002} pole figures of four AZ31 magnesium alloy sheets: (a) Specimen A; (b) Specimen B; (c) Specimen C; (d) Specimen D

2.2 成形性能

4種板材室溫單向拉伸試驗結(jié)果列于表 1。從試樣A到試樣D，抗拉強度呈逐漸降低趨勢，但降幅很小。屈服強度也逐漸降低，且降幅較大。斷后伸長率也逐漸降低。值得注意的是，試樣A軋向的屈服強度高于橫向的，而試樣B和C橫向的屈服強度則明顯高于軋向的。試樣 D在板材平面不同方向強度相差不大，較為均勻。r值(塑性應(yīng)變比，即材料在沖壓成形時寬度方向的應(yīng)變與厚度方向的應(yīng)變的比)在軋向、橫向以及45°這3個方向都表現(xiàn)出相同的降低趨勢。

室溫Erichsen試驗的結(jié)果見圖4所示?？梢?，從試樣A到試樣D，Erichsen值逐漸增大，即板材的脹形性能逐漸提高。

3 分析與討論

3.1 織構(gòu)與晶粒尺寸對鎂合金板材力學性能的影響

從試樣A到試樣D，4種板材的屈服強度呈有規(guī)律的下降趨勢，這是晶粒尺寸與基面織構(gòu)雙重因素影響的結(jié)果。在A、B和C3種板材基面織構(gòu)強度相近的情況下，屈服強度隨晶粒尺寸的增大而減小。這是因為粗大晶粒晶界前塞積的位錯數(shù)目多于細晶的，應(yīng)力集中大，易于啟動相鄰晶粒的位錯源，有利于滑移的傳遞而使屈服強度降低。相對于其他3種板材，試樣D的屈服強度大幅降低，這與基面織構(gòu)顯著弱化有關(guān)。鎂合金主要滑移模式包括{0002}〉基面滑移、〉棱柱面滑移和〉錐面滑移等?？棙?gòu)對鎂合金力學性能的影響，其實質(zhì)是通過改變各滑移系特別是〉基面滑移的 Schmid因子，產(chǎn)生織構(gòu)強化或軟化而實現(xiàn)的[15]。室溫下，非基面滑移系的臨界剪切應(yīng)力遠大于基面滑移系的，難以啟動?；婊剖亲钪匾乃苄宰冃文Ｊ街?，對室溫塑性變形貢獻很大。當板材基面織構(gòu)較強，即大多數(shù)晶粒的{0002}面平行于板材軋面時，Schmid因子很小，晶粒處于硬取向，基面滑移難以進行，使合金的屈服強度增高。在同樣的外力條件下，基面織構(gòu)強度降低后，晶粒處于有利于基面滑移的取向，基面滑移容易啟動，屈服強度降低。

圖4 4種板材的Erichsen試驗結(jié)果Fig. 4 Results of Erichsen tests for four AZ31 magnesium alloy sheets: (a) Specimen A, IE=3.34 mm; (b) Specimen B, IE=3.41 mm;(c) Specimen C, IE=4.51 mm; (d) Specimen D, IE=5.19 mm

表2 4種板材的晶粒尺寸、基面織構(gòu)強度、平均 r值和Erichsen值Table2 Grain size, basal texture intensity, average r and Erichsen value of four specimens

表1 4種AZ31鎂合金板材單向拉伸試驗結(jié)果Table1 Results of uniaxial tensile tests for four AZ31 magnesium alloy sheets

3.2 織構(gòu)與晶粒尺寸對鎂合金板材脹形性能的影響

4種板材的晶粒大小、基面織構(gòu)強度、平均r值與Erichsen值列于表2。其中，平均r值按式(1)計算：

式中：r0、r45和r90分別表示與軋制方向成0°、45°和90°角取樣測得的r值。

表2顯示試樣D的Erichsen值明顯高于其他3種板材的，這與試樣D的基面織構(gòu)強度顯著降低有關(guān)?；婵棙?gòu)減弱，取向因子增大，基面滑移系容易啟動。雖然基面滑移無法協(xié)調(diào)c軸方向應(yīng)變，但織構(gòu)弱化使晶粒取向更加散漫，晶粒c軸不再集中垂直于板面，使板厚方向獲得應(yīng)變，因而板材脹形性能得到提高。

晶粒細化有助于提高鎂合金的塑性，從斷后伸長率看，A、B和C3種板材在基面織構(gòu)強度相近的情況下，晶粒越細小，伸長率越大。但從脹形實驗結(jié)果看，如表2所示，A、B和C3種板材在基面織構(gòu)強度相近的情況下，Erichsen值隨晶粒尺寸的增大而增大?？梢姡ЯＴ酱?，反而越有利于提高板材的脹形性能。從單向拉伸試驗中得到的斷后伸長率，并不足以表征鎂合金在復雜沖壓過程中的塑性成形能力。

圖5所示為Erichsen試驗后試樣的微觀組織。取樣部位在凸起部分最頂端。由圖5可知，變形前后試樣A的組織變化較小，仍然為細小的等軸晶。試樣B有少許孿晶組織，試樣C中孿晶增多，試樣D中孿晶進一步增多。粗大的晶粒內(nèi)部更容易發(fā)生孿晶，這主要是因為粗晶內(nèi)位錯滑移程長，晶界附近應(yīng)力集中嚴重。而細晶組織不僅位錯滑移程短，還可以通過晶界滑動機制(GBS)來釋放局部應(yīng)力集中，應(yīng)力狀態(tài)難以滿足孿晶形核的要求。

r值表征試樣沿寬度方向與厚度方向的變形能力，r值越小表示板材沿厚向變形越容易，越容易減薄，脹形性能也越好。這與表2中Erichsen值隨r值的降低而增大這一趨勢相對應(yīng)。試樣D的r值大幅降低，這與基面織構(gòu)減弱有關(guān)。

4 結(jié)論

1) 軋制后的鎂合金薄板存在強烈的基面織構(gòu)，晶粒處于硬取向，基面滑移難以啟動，材料具有較高的屈服強度。基面織構(gòu)的弱化可顯著提高板材的脹形性能。

2) 在基面織構(gòu)強度相近的情況下，晶粒細化可以提高板材的屈服強度和斷后伸長率，但會降低板材的脹形性能。粗大晶粒在雙向拉伸條件下更容易發(fā)生孿晶，特別是〉壓縮孿生可以使晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使晶粒處于有利基面滑移的取向，孿晶和滑移交互進行，塑性成形性能得到提高。

3) 基面弱化可增強板材厚度方向的變形能力，降低r值，r值越小，板材的脹形性能越好。

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Effects of texture and grain size on press formability of AZ31 magnesium alloy sheets

HU Shui-ping, WANG Zhe
(Engineering Research Institute, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Four magnesium alloy sheets which show different grain sizes from 7 μm to 18 μm and significant basal textures with different intensities were prepared by different rolling processes. The uniaxial tensile test and Erichsen test were carried out at room temperature to investigate the influences of grain size and texture on the press formability of magnesium alloy sheets. The results show that the grain refinement can lead to high strength, but it can not improve the stretch formability of the sheets. The weakened basal texture can induce strain in the thickness direction to obtain excellent stretch formability; however, it reduces the yield strength of the samples at the same time.

magnesium alloys; texture; grain size; Erichsen test; formability

TG142

A

1004-0609(2012)09-2424-06

北京市高成長企業(yè)自主創(chuàng)新科技專項

2011-09-09；

2012-03-28

胡水平，副研究員，博士；電話：13611044910; E-mail: husp@nercar.ustb.edu.cn

(編輯 陳衛(wèi)萍)