軋制參數(shù)對AZ31鎂合金織構(gòu)和室溫成形性能的影響

楊海波，胡水平

(北京科技大學(xué) 高效軋制國家工程研究中心，北京 100083)

鎂合金具有低密度、高比強度和優(yōu)異的減震降噪效果，在航空航天、交通、家電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。盡管如此，由于受材料制備、加工技術(shù)、抗腐蝕性能以及價格等因素的制約，鎂合金尤其是變形鎂合金的應(yīng)用量仍遠遠落后于鋼鐵和鋁合金的應(yīng)用量。鎂是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)對稱性較低，室溫下獨立滑移系數(shù)量遠少于立方結(jié)構(gòu)金屬的，室溫變形條件下其棱柱面滑移和錐面滑移的臨界分切應(yīng)力(Critical resolved shear stress, CRSS)遠大于基面滑移的[2-3]，塑性變形主要靠(0002)〈11 2 0〉基面滑移以及{1 011}、{1 012}面孿生，這是導(dǎo)致鎂合金室溫塑性較差、變形加工困難的主要原因。大量研究[4-6]表明，由于軋制鎂合金在軋制平面上分布著很強的基面織構(gòu)，使得鎂合金板材沿著厚度方向變形困難，強烈的基面織構(gòu)嚴重影響了鎂合金的二次成形性能，制約了鎂合金的應(yīng)用。減弱軋后板材的基面織構(gòu)可以顯著地弱化其各向異性，提高其室溫成形性能。

不同軋制工藝后的板材具有不同的織構(gòu)強度和成形性能；退火能使鎂合金發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，減弱軋制后板材的殘余應(yīng)力，減弱基面織構(gòu)強度，提高板材的成形性能。因此，可以通過優(yōu)化板材軋制工藝來減弱軋制-退火后鎂合金板材的基面織構(gòu)強度，從而提高其成形性能。異步軋制通過在軋制過程中引入剪切變形，改變成形過程中外加應(yīng)力的方向，能夠有效地弱化鎂合金的基面織構(gòu)強度[6]；不同異速比對于基面織構(gòu)強度弱化的能力是不一樣的[7-8]，研究[9-10]認為，當(dāng)異速比為1:1.5時對基面織構(gòu)弱化效果最好；同時由于異步軋制快、慢輥兩側(cè)板材變形程度不一致，因而軋制后兩側(cè)板材的宏觀織構(gòu)強度也不一樣，慢輥側(cè)板材織構(gòu)強度明顯低于快輥側(cè)的，這與鋼和鋁合金軋制的結(jié)果一致[11-12]，基于此，本次實驗中將異速比定為1:1.5，所測宏觀織構(gòu)位置皆選用板材中間部分。

1 實驗

實驗用3.0 mm厚商用AZ31B擠壓板坯的主要成分見表1。軋制前板材在400 ℃下進行2 h退火處理，在異徑異步軋機上進行軋制實驗，異速比為 1:1.5(大輥直徑d120 mm，小輥直徑d80 mm)，軋至1.0 mm。第一組軋制工藝如下：軋制溫度分別為250、300、350、400和450 ℃，道次壓下率為20%，每道次間板材重新回爐保溫 10 min。終軋后板材在溫度 400 ℃下退火，退火保溫時間為30 min。第二組軋制工藝如下：軋制溫度400 ℃，道次壓下率分別為15%，25%，30%和35%，其他條件和第一組的相同。以此來探討軋制溫度和道次壓下率對鎂合金宏觀織構(gòu)和室溫成形性能的影響。根據(jù)所得規(guī)律，以弱化軋后板材的基面織構(gòu)強度為目的，設(shè)計一組新的軋制工藝，并與第一、二兩組軋制-退火工藝的后板材基面織構(gòu)強度和室溫成形性能進行對比。

從軋制-退火后板材中間部位截取試樣, 以進行微觀組織觀察和室溫成形性能分析。用25 mL無水乙醇＋2 g苦味酸＋5 mL去離子水＋5 mL冰醋酸混合溶液侵蝕金相試樣。通過Carl Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察板材的微觀組織，用Image-Pro Plus圖像分析軟件分析晶粒尺寸；采用飛利浦X’pert MRD射線衍射儀進行宏觀織構(gòu)測定；使用Zwick板料成形試驗機進行室溫埃里克森實驗, 以分析材料的室溫成形性能。圓片試樣的直徑為60 mm，沖頭速度為0.1 mm/s，壓邊力為10 kN，對每種板材重復(fù)進行3次實驗。

表1 實驗用AZ31鎂合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of tested AZ31 magnesium alloys (mass fraction, %)

2 實驗結(jié)果

2.1 軋制溫度對AZ31鎂合金宏觀織構(gòu)強度和埃里克森值的影響

軋制溫度對軋制后鎂合金板材基面織構(gòu)強度及室溫埃里克森值的影響如圖1所示。由圖1可以看出，軋制后板材存在強烈的基面織構(gòu)。隨著軋制溫度的升高基面織構(gòu)強度降低，但是300 ℃軋制后板材強度相比于250 ℃軋制后板材強度更高，繼續(xù)提高軋制溫度，基面織構(gòu)強度降低十分迅速，特別是當(dāng)軋制溫度高達450 ℃時，基面織構(gòu)強度僅為14184，明顯低于其他溫度下軋制后板材的基面織構(gòu)強度。室溫埃里克森值隨著軋制溫度的升高而增加。

圖 1 軋制溫度對鎂合金板材宏觀織構(gòu)強度和室溫埃里克森值的影響Fig. 1 Influence of rolling temperature on macro-texture intensity and Erichsen value of rolled magnesium sheets at room temperature

圖2 不同溫度軋制后AZ31鎂合金{0002}面極圖Fig. 2 {0002} plane pole figures of rolled AZ31 magnesium alloy sheet at different rolling temperatures: (a) 250 ℃; (b) 350 ℃;(c) 450 ℃

圖2所示為軋制后板材{0002}面極圖。從圖2可以看出，軋制后極圖等密度線沿著RD方向被拉長，最強極密度點與板材法向偏離約 10°左右，并且呈多峰織構(gòu)，這是異步軋制的“搓軋”效應(yīng)所致。異步軋制引入了剪切應(yīng)力, 使滑移面法線方向偏離軋制壓力方向一定的角度, 故其形成的晶粒取向也會隨之偏離一定的角度。隨著軋制溫度的升高，極密度線偏離板材法向更多，而且極密度等高線相鄰兩條線相距更遠，說明軋制溫度的提高使軋制過程中參與滑移的滑移系明顯增多，使得變形后晶粒取向更加隨機，變形后基面織構(gòu)得到弱化。結(jié)合圖1可以看出，此時板材的室溫埃里克森值較高，板材各向異性得到弱化。

2.2 道次壓下率對AZ31鎂合金宏觀織構(gòu)強度和埃里克林值的影響

軋制溫度對軋制后鎂合金板材基面織構(gòu)強度及室溫埃里克森值的影響如圖3所示。從圖3可以看出，隨著道次壓下率的增加，基面織構(gòu)強度明顯增加，室溫埃里克森值持續(xù)減小。道次壓下率為15%時，基面織構(gòu)強度較小，但是當(dāng)?shù)来螇合侣蔬_到20%時織構(gòu)強度急劇增加，繼續(xù)增加道次壓下率，織構(gòu)強度增加不明顯，當(dāng)?shù)来螇合侣蔬_到30%時，基面織構(gòu)強度增加又較明顯。這說明高溫下小的道次壓下率有利于弱化基面織構(gòu)強度，同時，當(dāng)?shù)来螇合侣试?0%～30%之間時，增加道次壓下率的增加對基面織構(gòu)強度影響不大，但是當(dāng)?shù)来螇合侣蚀笥?0%后，道次壓下率的增加對基面織構(gòu)強度的影響十分明顯。

不同道次壓下率軋制后鎂合金的{0002}面極圖如圖4所示，不同道次壓下率軋制后板材中均有非常明顯的基面織構(gòu)。從極圖的等高線分布可以看出，隨著道次壓下率的增加，峰值中心逐漸向RD方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，且隨著道次壓下率的增加，偏轉(zhuǎn)角度逐漸增加，兩條等高線間距離也隨之減小，基面織構(gòu)較為集中，等高線在TD方向的擴展也減小而逐漸接近于圓形。結(jié)合圖3可以看出，此時板材各向異性明顯，基面取向晶粒較多，室溫埃里克森值較低。

圖 3 道次壓下率對鎂合金板材宏觀織構(gòu)強度和室溫埃里克森值的影響Fig. 3 Influence of pass reduction on macro-texture intensity and Erichsen value at room temperature of rolled magnesium sheets

3 分析與討論

鎂合金軋制后會呈現(xiàn)強烈的基面織構(gòu)，嚴重影響了其成形性能。軋制過程中基面織構(gòu)強度主要受到板材本身材料、軋制溫度、道次壓下率、變形程度的影響，在本次軋制過程中由于實驗材料和總變形量一定，則其主要受軋制溫度和道次壓下率的影響，根據(jù)本次實驗結(jié)果對其具體影響進行如下討論。

圖4 不同道次壓下率軋制后AZ31鎂合金{0002}面極圖Fig. 4 {0002} plane pole figures of rolled AZ31 magnesium alloy sheet at different pass reductions: (a) 15%; (b) 25%; (c) 35%

3.1 軋制溫度的影響

軋制溫度對鎂合金板材軋制后織構(gòu)的影響，其實質(zhì)是通過對軋制時的塑性變形機制和動態(tài)再結(jié)晶過程的影響來實現(xiàn)的[13]。低溫軋制時，非基面滑移難以啟動，變形主要以基面滑移和孿生方式進行，軋制后存在明顯的基面織構(gòu)，高溫軋制時非基面滑移啟動。在一定程度上軋制溫度越高，開動的非基面滑移系越多，變形越容易，軋制后晶?？梢猿嗳∠蜣D(zhuǎn)動，使得軋后基面取向晶粒數(shù)量越少。同時，高溫軋制過程中會發(fā)生再結(jié)晶，軋制過程中取向改變的晶粒發(fā)生再結(jié)晶形核時，新形核的晶粒取向會更加隨機，更高的再結(jié)晶溫度使得再結(jié)晶形核率和新形核的晶粒具有更大的長大速率，因而生成更多的非基面取向晶粒，使基面織構(gòu)得到弱化。WU等[14]研究發(fā)現(xiàn)隨著軋制溫度的升高，{0002}織構(gòu)減弱。MABUCHI等[15]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)軋制溫度升高到500 ℃時，{0002}織構(gòu)幾乎完全消失，形成{0 552}+{1 011}織構(gòu)，這種織構(gòu)的形成是高溫下基面、棱柱面、錐面滑移和孿生及晶粒異常長大共同導(dǎo)致的。在高溫軋制時，鎂合金的滑移系明顯增多，棱柱面滑移和錐面滑移均參與變形，使得軋制后板材的基面取向的晶粒明顯減少，{1 011}面和{1012}面取向晶粒數(shù)量增加[16]。

值得注意的是，300 ℃軋制后板材宏觀織構(gòu)強度大于250 ℃軋制后板材的。觀察兩溫度軋制后微觀組織(見圖5)可以發(fā)現(xiàn)，250 ℃軋制后組織中存在條狀的灰白色“變形帶”，鎂合金中的切變帶一般是在變形量較高的情況下由大量的孿晶匯聚而形成，在侵蝕時與苦味酸發(fā)生劇烈的反應(yīng)，生成這種灰白色的帶狀組織[16]。切變帶區(qū)域儲存的畸變能很高，退火時容易發(fā)生再結(jié)晶，使得退火后板材晶粒取向隨機；同時，低溫軋制由于板材塑性差，金屬流動能力差，異步軋制的“搓軋”效應(yīng)也更加明顯，使得軋制后晶粒取向更加隨機。兩方面原因使得250 ℃軋制后板材基面織構(gòu)強度低于300 ℃軋制后板材基面織構(gòu)強度，但是板材的成形性能不僅與織構(gòu)有關(guān)，而且與晶粒大小也有很大關(guān)系，250 ℃軋制后板材晶粒細小，室溫成形時孿生等機制不易發(fā)生，不利于板材室溫成形。綜合兩方面原因，300 ℃軋制后板材的室溫埃里克森值更高。

隨著軋制溫度的升高，滑移在軋制過程中的作用逐漸增大，孿晶迅速減少，變形帶消失，退火后晶粒長大明顯，如圖6所示。400 ℃、30 min退火后晶粒基本為大小均勻的等軸晶，隨著軋制溫度的升高，晶粒大小明顯增加，這是退火過程中形成的細小再結(jié)晶晶粒吞噬了周圍大量的不同取向的晶粒所致，吞噬作用也使得高溫軋制后基面取向的晶粒數(shù)目減小，基面織構(gòu)得到弱化?？棙?gòu)弱化使板材晶粒取向更加散漫，晶粒C軸不再集中垂直于板面，使板厚方向的變形能力增加，從而使板材埃里克森值得到提高。粗大的晶粒中更容易發(fā)生孿生，特別是壓縮孿晶的產(chǎn)生使得晶粒偏轉(zhuǎn)近 56°，在室溫成形時偏轉(zhuǎn)后的晶粒更容易發(fā)生滑移，顯著提高了板材的室溫成形性能。因此，提高軋制溫度可以使基面織構(gòu)強度得到弱化，晶粒更加粗大，基面織構(gòu)弱化和晶粒粗化可以顯著增大板材的埃里克森值，提高板材的成形能力。

3.2 道次壓下率對AZ31鎂合金織構(gòu)和性能的影響

軋制時，可以根據(jù)道次壓下率的不同計算應(yīng)變速率，其換算公式[17]如下：

式中：v為軋制速度，m/s；Δh為道次壓下率，mm；R為工作輥半徑，m；H和h分別為軋前和軋后的坯料厚度，mm。根據(jù)式(1)，道次壓下率對軋制鎂合金來說，主要影響其變形速率和道次變形程度，道次壓下率越大，變形速率和道次變形程度也越大。根據(jù)文獻[13]可知，變形速率對織構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面是變形速率將影響變形過程中的工件的溫度變化；另一方面為變形速率會影響高溫軋制過程的變形機制，并最終導(dǎo)致織構(gòu)類型變化或強弱不同。變形程度對軋制鎂合金的織構(gòu)影響主要在于鋒銳程度發(fā)生變化。道次壓下率對鎂合金織構(gòu)的影響由兩方面共同決定。

張亞萍等[18]對 Mg-0.5%Zn-0.5%Ce-0.5%Zr合金在400 ℃下進行道次壓下率分別為20%、30%和50%的軋制變形，發(fā)現(xiàn)隨著道次壓下率的增加，軋制后板材基面織構(gòu)強度明顯增加，{0002}面極圖鋒銳程度也受到了影響，變得更加接近于圓形。變形速率對位錯運動有一定影響，變形速率過高不利于相鄰晶粒之間滑移的傳播和連續(xù)性，容易引起應(yīng)力集中[19]，變形后板材中存在大量的殘余應(yīng)力，這為退火時再結(jié)晶提供了大量的形核點，同一區(qū)域新形核的晶粒取向差較小，不能通過吞噬周圍的晶粒長大，退火后板材的晶粒十分細小，大量的晶粒取向為基面取向，提高了基面織構(gòu)強度。同時，變形程度對織構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在極圖的鋒銳程度，從圖4中也能明顯看出，大道次壓下率軋制后{0002}面極圖中兩條密度等高線的距離減小，等高線在TD和RD方向上的擴展也被壓縮而逐漸成為圓形，此時板材室溫成形性能較差，其室溫埃里克森值僅為3.98 mm。因此，降低道次壓下率可以弱化板材基面織構(gòu)，提高板材成形性能。

4 優(yōu)化工藝及其對性能與組織影響

根據(jù)上述兩工藝結(jié)果可知，較高的軋制溫度、較小的道次壓下率有利于板材的基面織構(gòu)弱化，板材室溫成形性能提高。為此設(shè)計如下一組軋制工藝：軋制溫度為450 ℃，道次壓下率分別為5%和10%，退火工藝和上兩組一致。觀察其軋制后{0002}面極圖和室溫埃里克森值。

實驗后測得道次壓下率為 5%時板材宏觀織構(gòu)強度為7897，室溫埃里克森值為4.81 mm；道次壓下率為10%時板材宏觀織構(gòu)強度為9852，埃里克森值達到5.33 mm。其所得{0002}面極圖如圖7所示，與其他軋制工藝相對比可以明顯看出，優(yōu)化后板材的基面織構(gòu)強度更弱，最強極密度中心與板法向取向差更大，相鄰兩等高線之間的距離更大，等高線沿著RD方向和TD方向被拉長，說明該方案下板材晶粒取向更加隨機，基面織構(gòu)得到弱化。相對于道次壓下率為10%的板材，道次壓下率為 5%的板材軋制后具有更弱的織構(gòu)強度，說明高溫小道次壓下率軋制時基面織構(gòu)能夠得到弱化，但是其埃里克森值反而更低。觀察其兩組軋制后的微觀組織(見圖8)發(fā)現(xiàn)，道次壓下率為5%時，晶粒明顯十分粗大，晶粒尺寸在30 μm左右，其中部分晶粒甚至達到50 μm，同時晶粒出現(xiàn)了明顯的混晶組織，混晶組織也不利于板材成形。同時，由于軋制溫度很高，晶界能量很高，小道次壓下率軋制時，晶界滑移也參與了變形，板材中的大晶粒在變形時根本沒有被破碎與再結(jié)晶，就直接通過晶界滑移存在于軋制后板材中。過于粗大的晶粒在成形時增大了變形的難度，成形時更容易出現(xiàn)頸縮等現(xiàn)象，使其成形能力明顯降低。對450 ℃道次壓下率為10%的板材進行室溫拉伸實驗，其拉伸性能如下：抗拉強度為230 MPa，屈服強度為175 MPa，伸長率達到22.2%，具有十分優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

圖7 不同軋制工藝后AZ31鎂合金板材{0002}面極圖Fig. 7 (0002) plane pole figures of rolled AZ31 magnesium alloy sheet after different rolling processes: (a) 450 ℃, 5%; (b) 450 ℃,10%

圖8 新軋制工藝軋制后AZ31鎂合金板材的微觀組織Fig. 8 Microstructures of rolled AZ31 magnesium alloy sheet with new rolling processes: (a) 450 ℃, 5%; (b) 450 ℃, 10%

5 結(jié)論

1) 軋制后板材出現(xiàn)強烈的基面織構(gòu)，通過改進的軋制工藝基面織構(gòu)能夠得到明顯弱化，弱化后 AZ31鎂合金板材的室溫埃里克森值有所增加，板材成形性能得到有效改善。

2) 提高軋制溫度和減小道次壓下率能夠顯著弱化基面織構(gòu)強度，特別是當(dāng)軋制溫度提高到450 ℃時，基面織構(gòu)得到明顯弱化，室溫成形能到顯著提高。但是在450 ℃、道次壓下率為5%時，軋制后板材晶粒粗大，即使軋后基面織構(gòu)強度較弱也不利于室溫埃里克森值的提高。

3) 最優(yōu)的軋制工藝為軋制溫度450 ℃，道次壓下率為10%，軋后板材基面織構(gòu)強度為9852，室溫埃里克森值達到5.33 mm，顯著提高了板材的室溫成形性能。

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