彎曲矯直變形路徑對(duì)ZK60鎂合金板材組織及性能的影響

任健斌, 王 昆, 梁 偉, 聶慧慧, 李線絨

(1. 太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山西 太原 030024;2. 太原理工大學(xué) 先進(jìn)鎂基材料山西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024;3. 太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

鎂及鎂合金作為21世紀(jì)新型綠色結(jié)構(gòu)材料,是繼鋼鐵、鋁之后新興的第三大金屬材料。鎂合金的廣泛應(yīng)用可以有效推進(jìn)汽車行業(yè)和3C行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。由于鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度、易成形加工等優(yōu)異性能,使其具有巨大的開發(fā)潛力和商業(yè)價(jià)值[1]。鎂為密排六方(Hexagonal close packed, HCP)晶體結(jié)構(gòu),對(duì)稱性低,室溫僅有2個(gè)獨(dú)立的滑移系可開動(dòng),而根據(jù)Von Mises準(zhǔn)則,均勻變形須有5個(gè)獨(dú)立的滑移系[2],所以在室溫下,鎂合金的加工性能差。由于可動(dòng)滑移系較少,孿生在鎂合金變形過程中占據(jù)著重要的地位[3]。商用鎂合金通常通過熱軋或熱擠壓技術(shù)進(jìn)行加工,板材在變形過程中由于存在擇優(yōu)取向,大部分鎂合金晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn),在平行于軋向面形成了一層基面織構(gòu),板材表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性并導(dǎo)致其室溫下的可成形性差。研究發(fā)現(xiàn)拉伸孿晶可使晶粒取向發(fā)生86.3°偏轉(zhuǎn),弱化基面織構(gòu),有效改善鎂合金的塑性成形性能[4-6]。所以在大尺寸商用軋制鎂板中可通過預(yù)置大體積分?jǐn)?shù)的拉伸孿晶有效提高鎂合金的成形性能。本文采用彎曲矯直工藝在厚度為1.5 mm的ZK60鎂合金薄板中預(yù)置拉伸孿晶,研究不同預(yù)變形路徑對(duì)板材組織以及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

圖1 彎曲矯直工藝示意圖

根據(jù)ASTM-E8M《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》,在原始熱軋板上分別沿RD和TD方向切割拉伸試樣,記為AR-RD和AR-TD試樣,在沿RD方向彎曲矯直后的板材上分別沿RD和TD方向切割拉伸試樣,記為RD-RD和RD-TD試樣,在沿TD方向彎曲矯直后的板材上分別沿RD和TD方向切割拉伸試樣,記為TD-RD和TD-TD試樣,拉伸試樣尺寸如圖2所示。利用CMT5250萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),用引伸計(jì)控制拉伸速度為0.5 mm/min,得到不同預(yù)變形方式下板材的拉伸曲線,并用TESCAN Mira 3場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。另在原始熱軋板和沿RD、TD方向彎曲矯直后的板材上切取6 mm×8 mm的金相試樣,分別將RD-ND面和TD-ND面用1000、2000、3000、4000號(hào)砂紙打磨光亮,然后用苦味酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,在Leica DM2500光學(xué)顯微鏡下觀察微觀組織。

圖2 拉伸樣尺寸示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

圖3為不同彎曲矯直方向下ZK60板材的顯微組織。由圖3(a)可知,ZK60鎂合金熱軋板的原始組織晶粒大小分布不均勻,小晶粒圍繞在大晶粒周圍且無任何拉伸孿晶。由圖3(b～e)可見,熱軋板沿TD和RD方向彎曲矯直后均會(huì)使板材產(chǎn)生大量的透鏡狀拉伸孿晶,拉伸孿晶大部分產(chǎn)生在大晶粒中,而且相互平行,這是由于孿生的發(fā)生對(duì)晶粒尺寸比較敏感,大晶粒晶界較長,位錯(cuò)滑移行程大,在變形過程中位錯(cuò)難以繞過晶粒,這會(huì)導(dǎo)致在晶界上的應(yīng)力集中處進(jìn)行孿生[7-8]。沿RD方向彎曲矯直后產(chǎn)生的拉伸孿晶數(shù)量要多于沿TD方向彎曲矯直后產(chǎn)生的,沿TD方向彎曲矯直后,TD-ND面的拉伸孿晶最少(如圖3(e)所示),沿RD方向彎曲矯直后,TD-ND面的拉伸孿晶最多(如圖3(c)所示),拉伸孿晶基本貫穿整個(gè)母晶,但止于母晶界,這是由于孿晶形核后,釋放了大部分應(yīng)力,而后續(xù)傳遞的應(yīng)力不足以支撐激發(fā)形核后的孿晶快速長大并穿過晶界。而且應(yīng)力由一個(gè)晶粒傳遞到相鄰晶粒時(shí),跨越晶界遇到阻礙,會(huì)消耗部分能量,從而影響應(yīng)力的進(jìn)一步傳遞[9-10]。

2.2 力學(xué)性能

不同變形路徑下ZK60板材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)性能如圖4和表1所示。由圖4(a)可以看出,沿RD方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),熱軋板沿TD方向進(jìn)行彎曲矯直后表現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,且應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原始熱軋板相似,而沿RD方向進(jìn)行彎曲矯直后表現(xiàn)出低屈服強(qiáng)度和高抗拉強(qiáng)度,這是由于沿TD方向彎曲矯直產(chǎn)生的拉伸孿晶很少(如圖3(e)所示),取而代之的是產(chǎn)生了晶粒尺寸更小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,而沿RD方向彎曲矯直產(chǎn)生的拉伸孿晶較多(如圖3(c)所示),而拉伸孿晶的出現(xiàn)改變了材料中晶粒取向,弱化了基面織構(gòu)且拉伸前期以退孿生為主,發(fā)生退孿生所需要的臨界分切應(yīng)力(CRSS)較小所以屈服強(qiáng)度大大降低[11]。由圖4(b)可以看出,沿TD方向進(jìn)行拉伸時(shí)熱軋板沿RD和TD方向進(jìn)行彎曲矯直后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所提高。需要指出的是,由于圖3(c, e)示出的TD-ND面對(duì)應(yīng)拉伸試樣的側(cè)面,因此圖4(a)中TD-RD和RD-RD試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與圖3(c, e)所示TD-ND面相對(duì)應(yīng),相應(yīng)地,圖4(b)中TD-TD和RD-TD試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與圖3(b, d)所示RD-ND面相對(duì)應(yīng)。

圖4 不同變形方式下ZK60鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 不同變形方式下ZK60鎂合金板材的力學(xué)性能

由表1可以看出,ZK60鎂合金板材在沿RD和TD方向進(jìn)行彎曲矯直試驗(yàn)時(shí)的力學(xué)性能差異較大。在沿RD方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),沿RD方向彎曲矯直獲得的試樣屈服強(qiáng)度降低,抗拉強(qiáng)度升高,而沿TD方向彎曲矯直獲得的試樣屈服強(qiáng)度大幅度升高,抗拉強(qiáng)度同樣升高;在沿TD方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),不論是沿RD或TD方向進(jìn)行彎曲矯直,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均得到提高。另外,熱軋板經(jīng)過彎曲矯直后表現(xiàn)出較高的應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)和較低的塑性應(yīng)變比(r值),低的屈強(qiáng)比有利于鎂合金板的沖壓變形[12],使板材的均勻變形能力和室溫下的塑性成形能力得到提高。

2.3 斷口形貌

圖5為不同彎曲矯直方向下ZK60板材的拉伸斷口形貌?？梢钥闯?熱軋板經(jīng)彎曲矯直后的拉伸斷口均存在少量的解理平臺(tái)和大量韌窩,斷裂形式以塑性斷裂為主。沿TD方向拉伸時(shí)斷口中的韌窩數(shù)量明顯比沿RD方向拉伸時(shí)的多,且韌窩尺寸較小,解理平臺(tái)也較少,這與圖4所示應(yīng)力-應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為更高的應(yīng)變量相對(duì)應(yīng)。另外,在RD-RD試樣的斷口中有較大面積分?jǐn)?shù)的解理面且韌窩分布不均勻,而在RD-TD試樣的斷口中韌窩分布均勻且沒有大塊面積的解理平臺(tái),這與圖4中RD-TD試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出更好的塑性和抗拉強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。

圖5 不同變形方式下ZK60鎂合金板材的拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1) 通過彎曲矯直在ZK60鎂合金板材中成功預(yù)置大體積分?jǐn)?shù)拉伸孿晶,彎曲矯直方向不同會(huì)對(duì)原始熱軋板中預(yù)置拉伸孿晶的體積分?jǐn)?shù)造成影響,其中沿RD方向彎曲矯直后產(chǎn)生的拉伸孿晶體積分?jǐn)?shù)高于沿TD方向彎曲矯直。

2) ZK60鎂合金板材在沿RD方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),沿RD方向彎曲矯直獲得的試樣屈服強(qiáng)度降低,抗拉強(qiáng)度升高,而沿TD方向彎曲矯直獲得的試樣 屈服強(qiáng)度大幅度升高,抗拉強(qiáng)度同樣升高;在沿TD方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),不論是沿RD或TD方向進(jìn)行彎曲矯直,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均得到提高。

3) ZK60鎂合金板材彎曲矯直后的拉伸斷裂形式以塑性斷裂為主。RD-TD試樣的斷口中韌窩分布均勻且沒有大塊面積的解理平臺(tái),塑性最好。

4) 通過彎曲矯直,ZK60鎂合金板材表現(xiàn)出較高的應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)和較低的塑性應(yīng)變比(r值),改善了板材均勻變形的能力和提高了室溫下的塑性成形能力。