AZ31鎂合金板材軋制過程邊裂形成原因分析

趙鴻金，李濤濤，楊正斌，胡玉軍，張 兵

（江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州 341000）

AZ31鎂合金板材軋制過程邊裂形成原因分析

趙鴻金，李濤濤，楊正斌，胡玉軍，張 兵

（江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州 341000）

針對AZ31鎂合金板材軋制過程中出現(xiàn)邊部裂紋的問題，采用數(shù)值模擬方法研究了AZ31鎂合金板材軋制過程中軋制溫度對板材邊裂的影響，利用實驗室熱軋試驗方式研究了AZ31鎂合金板坯寬厚比、軋制道次數(shù)以及工作輥直徑等工藝參數(shù)對鎂板邊部裂紋的影響.研究表明，邊裂的產(chǎn)生多數(shù)情況是由于幾種因素共同作用的結(jié)果，其主要影響因素有軋制溫度、道次加工率、軋輥直徑以及板坯寬度和厚度等.在其他條件不變的情況下，減少板材寬厚比，可降低邊部所受拉應力，有利于減少橫向裂紋產(chǎn)生；當b＞（R·△h）1/2時，隨著板材寬度增加，軋制力逐漸升高，邊部產(chǎn)生橫向裂紋的幾率增加；對于相同規(guī)格板坯，隨著輥徑增大，軋制過程中板坯的寬展量和所受摩擦力逐漸增加，有利于發(fā)揮板材塑性從而減小邊部裂紋產(chǎn)生的趨勢.

AZ31鎂合金；邊部裂紋；邊部拉應力；切邊厚度；寬厚比

鎂合金是實際應用中質(zhì)量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低，比強度和比剛度高，散熱快，電磁屏蔽能力強，阻尼減震性能較好，鑄造、切削加工性能優(yōu)良且尺寸穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，在航空，3C領(lǐng)域等得到了日益廣泛的應用［1-3］.但由于常用鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其變形性能不及銅和鋁.

通常，鎂板在軋制過程中容易產(chǎn)生邊裂現(xiàn)象［4-6］，許多學者對此已經(jīng)做了深入研究.黃志權(quán)［7］等研究了軋制溫度對AZ31B鎂合金板材邊裂和組織的影響；馬立峰［8］等發(fā)現(xiàn)在350℃下，隨著壓下量的增加，AZ31B鎂板邊部的損傷也隨之增大，邊部裂紋出現(xiàn)的次數(shù)增多.由于鎂板塑性差，軋制時產(chǎn)生邊裂是不可避免的問題［9］，因此，如何減小邊部紋裂的寬度，盡可能的充分利用鎂板，是工程技術(shù)人員研究的重點.本文從影響板材軋制邊裂因素和切邊厚度選擇等多個角度重點分析了產(chǎn)生裂紋的原因，以及減小邊部紋裂的寬度，提高成材率的方法.

1 實 驗

實驗原料為某企業(yè)生產(chǎn)的AZ31鎂合金連續(xù)鑄造板坯，原始厚度15 mm，化學成分見表1.板坯在400℃下進行13 h均勻化退火，然后加熱到430℃熱軋，道次加工率控制在5%～20%.軋制在規(guī)格為Φ320 mm×500 mm的二輥軋機上進行，輥速為1.47 rad/s，采用SX-12-10型箱式電阻爐加熱.軋制前將軋輥表面溫度預熱到150℃.軋制時觀察板材表面變化及裂紋擴展情況，當板坯按照既定工藝軋制得到3.0、2.0、1.5、1.0 mm樣品時，將邊部開裂部分切掉，繼續(xù)軋制，待軋至0.6 mm時觀察鎂板邊部變化.

表1 AZ31的成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

參照相關(guān)資料，將AZ31鎂合金鑄軋板坯應力-應變曲線［10-12］導入Deform-3D軟件的材料庫中，進行軋制模擬.模擬選取AZ31鎂合金板坯寬度和厚度分別為100和15 mm，單道次壓下量為1.5 mm；數(shù)值模擬板材軋制溫度設(shè)定為430、400、350、300℃，軋輥溫度為150℃，軋機參數(shù)同上.

2 結(jié)果與討論

2.1 邊部裂紋宏觀檢驗

出現(xiàn)邊部裂紋的AZ31鎂合金宏觀形貌如圖1所示，裂邊主要分布在鎂合金兩側(cè)，裂紋在邊部呈現(xiàn)不規(guī)則分布，開口較寬，邊緣粗糙且開口方向基本垂直于軋制方向；部分裂紋沿軋制方向橫向延伸，裂紋延伸至距邊部約20 mm；板材側(cè)面裂紋與上表面呈45°夾角.

圖1 AZ31鎂合金邊裂位置

2.2 邊裂的主要影響因素

影響板材軋制邊裂因素較多，板坯成分均勻性、軋制溫度、道次加工率、流變應力、軋輥大小、溫度以及板坯寬度和厚度等都與邊裂有關(guān)，但邊裂的產(chǎn)生大多數(shù)情況是由多種因素共同作用的結(jié)果.

2.2.1 軋制溫度對板材邊裂的影響

其他條件不變，板坯軋制溫度分別為430、400、350和300℃，當4塊鎂板都出現(xiàn)裂紋后，比較發(fā)現(xiàn)，邊部裂紋長度隨著軋制溫度的降低逐漸增長.當軋制溫度分別為300、350、400、430℃時對應的邊部最大損傷因子依次為0.126、0.123、0.122、0.119，說明隨著軋制溫度降低，邊部損傷因子逐漸增大.COCKCROFT和LATHAM［13］認為對于已知材料，在一定的溫度和應變速率下，當損傷因子達到材料的臨界損傷因子時材料產(chǎn)生斷裂.

由此可知，當鎂板軋制溫度降低時，板材邊部開裂趨勢增大，這與實驗結(jié)果相符合.有研究［7］指出，鎂合金板坯因溫降而引起中部與邊部存在較大的溫差，致使軋制過程中板坯中部與邊部在縱向上存在金屬流動量的差異，從而使邊部受到附加拉應力的作用，當邊部所受的附加拉應力超過其斷裂強度極限即產(chǎn)生了邊裂.

圖2為單道次軋制過程中，不同軋制溫度下鎂板溫度場數(shù)值模擬結(jié)果.當軋制溫度為300、350、400、430℃時，鎂板中心與邊部溫度差分別為24、32、39、41℃，軋制溫度越高，鎂板中心與邊部的溫度差越大.在一定范圍內(nèi)，鎂板塑性隨溫度的升高逐漸增加，雖然軋制溫度低時板材中心與邊部溫差小，板材邊部與心部金屬性能相對均勻，但溫度低時板材塑性差，軋制過程中很容易產(chǎn)生邊裂現(xiàn)象.綜上所述，軋制溫度越低，板材邊部與心部金屬性能越均勻，但鎂板塑性隨溫度降低逐漸下降，邊部出現(xiàn)裂紋的幾率大大增加.

2.2.2 道次數(shù)對邊裂的影響

厚度為15 mm原始板坯在430℃下分別采用不同道次進行軋制，保持總加工率（50%）不變，其結(jié)果見圖3.由圖3可以看到，板坯經(jīng)8道次軋制情況下，板材表面較平整，邊部未見有明顯裂紋，如圖3（a）所示；經(jīng)6道次軋制時，軋板邊部出現(xiàn)長20 mm的斷斷續(xù)續(xù)小裂紋，如圖3（b）所示；而經(jīng)3道次軋制時鎂板邊部裂紋穿透心部，鎂板失效，見圖3（c）.這表明，在總加工率不變的情況下，道次數(shù)越少，AZ31鎂板邊部的損傷也隨之增大，同時邊部裂紋增多且迅速長大.

2.2.3 板坯寬厚比對軋制邊裂的影響

由采里柯夫公式可知，軋件寬展量與板寬之間存在反比關(guān)系，當軋制過程中其他因素不變時，隨板材寬度的增加，軋件寬展量逐漸減小.

當b＜（R·△h）1/2時（其中b為板寬，R為軋輥半徑，△h為單道次壓下量），寬展量隨著板坯寬度的增加逐漸增大；

圖2 不同軋制溫度下鎂板溫度場

圖3 不同道次邊部裂紋情況

當b＞（R·△h）1/2時，寬展量隨著板坯寬度的增加逐漸減?。?/p>

當b=（R·△h）1/2時，寬展量相比于其他條件時最大.

同一寬度板材，寬展越大，變形越不均勻，板材越容易開裂；不同寬度板材，隨其寬度增加開裂幾率逐漸提高.

理論上，軋件邊部在寬展時，受附加的拉應力，而中間部分受附加壓應力，金屬的寬展越大，這種應力也愈大.通常，這些應力的存在并不能影響軋件邊緣的完整性.但當邊部受到的應力超過金屬的抗拉強度時，就會產(chǎn)生橫向裂紋.因此，在其他條件不變的情況下，b＞1.15（R·△h）1/2，隨著寬厚比增加，軋輥輥間應力增加［14］，板材開裂的幾率逐漸上升.

2.2.4 工作輥半徑對AZ31鎂合金板材邊裂的影響

工作輥半徑對板坯軋制過程有明顯影響，隨著工作輥半徑的增加，裂紋長度減小.當工作輥半徑從150 mm增加到320 mm，總變形量為86%時，裂紋長度從14.8 mm減少到9.7 mm.由采里柯夫公式可知，當b＞（R·△h）1/2時，對于相同規(guī)格板坯，隨著輥徑增大寬展量和板材所受摩擦力逐漸增加，而板材所受摩擦力越大軋制過程中邊部塑性越好.對于同一軋件，增加輥徑有利于充分發(fā)揮板材的塑性，從而減小邊部裂紋的長度，由此驗證了大輥徑軋輥可降低邊部裂紋的長度.在實際生產(chǎn)過程中，當b＞（R·△h）1/2時，使用半徑較大的工作輥可以降低邊裂產(chǎn)生的可能性.

2.3 切邊厚度對軋板邊部裂紋擴展的影響

綜上分析可以看出，影響鎂板軋制邊裂［9，15-16］的因素較多，如何提高產(chǎn)品成材率，需考慮綜合因素.控制裂紋源，切除邊部開裂部分可有效提高成材率.

經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在本實驗條件下，原始板坯熱軋至7 mm開始出現(xiàn)裂紋，道次總加工率為53%；繼續(xù)軋制，表面裂紋不斷向心部擴展，且擴展速度較快，待軋至2 mm后，邊部裂紋擴展緩慢.

圖4為軋板切邊前寬度、切邊后寬度以及切邊后繼續(xù)軋制得到的板寬.按既定工藝獲得的3 mm板坯切除邊部軋裂部分，切邊后樣品熱軋至1.7 mm出現(xiàn)邊裂，繼續(xù)軋制，原有裂紋擴展量較小，邊部出現(xiàn)許多新的細小裂紋；對切邊后的2.0、1.5、1.0 mm樣品軋至0.6 mm，軋件表面光亮，邊部未發(fā)現(xiàn)裂紋，軋制后樣品寬度分別為101，103，101 mm.綜上所述，切邊厚度過大，軋制后邊部易出現(xiàn)再度邊裂現(xiàn)象，切邊厚度較薄，軋制后板材寬度相對較窄，降低了成材率.本研究表明待板材軋制1.5 mm左右對其進行切邊處理，既提高了成材率又可得到表面質(zhì)量良好的鎂板.由于實驗坯料較小，研究結(jié)果可能不具備普遍性，但其意義在于驗證了提高成材率的可行性，本課題將繼續(xù)深入探討影響鎂板軋制邊裂的主要因素.

圖4 不同切邊厚度下樣品寬度的變化

有研究［17］指出，鎂板抗拉強度隨加工道次增加逐漸升高，結(jié)合本實驗研究結(jié)果認為邊部所受拉應力與高溫抗拉強度滿足圖5關(guān)系曲線.按照既定工藝進行軋制，軋制初期，邊部所受拉應力小于軋板高溫抗拉強度，軋板表面質(zhì)量較好；當軋至k道次，由于寬厚比發(fā)生變化以及加工硬化等因素，使得軋板邊部所受拉應力大于其高溫抗拉強度，鎂板出現(xiàn)裂紋，繼續(xù)軋制，裂紋不斷向心部擴展；待軋至（k+l）道次，將軋板邊部裂開部分切除而后繼續(xù)軋制，在（k+l+m）道次又發(fā)現(xiàn)新的裂紋.當軋件不采取切邊措施，k道次以后邊部所受拉應力將始終大于高溫抗拉強度，邊部裂紋不斷向軋板心部擴展.研究認為裂紋的擴展除與上述影響因素有關(guān)，還與邊部裂紋源有關(guān).在軋制過程中由于邊裂的產(chǎn)生，隨著軋制的進行，裂紋將不斷通過裂紋源擴展，直至邊部應力松弛，不足以驅(qū)動裂紋向心部擴展.由此可知，在（k+l+m）道次前制品達到所需厚度，則選擇（k+l）道次進行切邊，在獲得光潔鎂板的同時又可提高鎂板成材率.

圖5 （k+l）道次切邊后邊部所受拉應力與其邊部高溫抗拉強度隨時間變化規(guī)律

3 結(jié) 論

1）邊裂的產(chǎn)生大多數(shù)情況是由于幾種因素共同作用的結(jié)果，其主要影響因素有軋制溫度、道次加工率、軋輥直徑以及板坯寬度和厚度等.基體成分越不均勻，越容易在軋制過程中形成邊部裂紋.

2）在其他條件不變的情況下，當b＞（R·△h）1/2時，隨著板材寬度增加，軋制力逐漸升高，邊部產(chǎn)生橫向裂紋的幾率增加.

3）當b＞（R·△h）1/2時，對于相同規(guī)格板坯，隨著輥徑增大寬展量和板材所受摩擦力逐漸增加，板材所受摩擦力越大軋制過程中邊部塑性越好，因此，增加輥徑有利于發(fā)揮其塑性減小邊部裂紋產(chǎn)生的趨勢.

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（編輯 呂雪梅）

Causes analysis on the edge crack formation of rolled AZ31 Mg alloy sheet

ZHAO Hongjin，LI Taotao，YANG Zhengbin，HU Yujun，ZHANG Bing

（School of Materials Science and Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

To concern the edge cracks of AZ31 Mg alloy sheet during rolling，in this paper，we study the effect of rolling temperature on edge cracks of AZ31 Mg alloy by numerical simulation and the effect of width to thickness ratio，passes and work roll diameter on the edge cracks of Mg sheet by hot rolling on laboratory mill. The results showed that the apperace of edge cracks was due to several factors including rolling temperature，passes，roll diameter and width to thickness ratio.The theoretical research proved that if the others conditions keep constant，the decrease of Mg sheet＇s width to thickness ratio could reduce the edge tensile stress，thus reduce transverse cracks.With b＞（R·△h）1/2，increasing sheet width could raise the rolling stress.For the same size slab，the friction of Mg plate increases with increasing roll diameter.This can release plasticity of Mg sheet and decrease the possibility of emerging edge cracks.

AZ31 magnesium alloy；edge cracks；edge stress；the thickness of crap edge；ratio of width to thickness

TG335.5+6

A

1005-0299（2015）06-0093-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150617

2015-04-20.

趙鴻金（1967—），男，博士，教授.

李濤濤，E-mail：Litaotao_0616@163.com.