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温变形对AZ31镁合金组织的影响
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-03-25
以AZ31合金为研究对象，对铸态AZ31镁合金温变形时显微组织演变过程和力学性能影响进行分析，为进一步开发镁合金的成形工艺提供实验依据。
1 引言
20世纪90年代以来，作为最轻的金属结构材料，镁合金用量急剧增长，在交通、计算机、通讯、消费类电子、国防军工等诸多领域具有极为广泛应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。镁合金由于其优异的性能，许多发达国家已将镁合金列为研究开发的重点。
常用的镁合金成形方法有压铸、半固态铸造、挤压铸造等。而镁合金通过塑性变形和热处理工艺相结合，可获得高强度和优良延展性，成为更多样化性能的结构材料。为节约原材料、缩短加工工艺。降低生产成本，提出由铸坯直接成型产品的方案。但是由铸坯直接成型工件，其成型性脏乱成形对产品性能的影响研究甚少，工艺制定上也缺少参考依据，为此，本文以AZ31合金为研究对象，对铸态AZ31镁合金温变形时显微组织演变过程和力学性能影响进行分析，为进一步开发镁合金的成形工艺提供实验依据。
2 实样制备
实验材料的AZ31合金的铸造棒材，其材料成分（质量分数%）如表1所示：
3 实验结果及讨论
3.1 铸态及变形组织
从图1a中可看出，经退火处理后的铸造组织是由粗大的α基体上分布β相组成，其原始晶粒尺寸约为100μm。变形后的组织如图1b-f所示，在挤压变形初期，镁合金铸棒中粗大的晶粒在挤压力的作用下，在垂直于压力方向被压扁，进而发生弯曲和破碎成细晶粒，并在应力作用下获得重新分布（见图1b）；同时发生晶粒间的相对转动，带动已破碎的第二相发生滑移和变形，呈离散状分布，在平行流线上分布着大量细小、致密的等轴晶粒，可见形变组织已发生再结晶；图1c中开始出现再结晶组织，但变形孪晶组织仍占大部分；随应变增加，图1d再结晶组织大量增加，原晶粒的晶界处的晶内形成无畸变的新晶粒；而图1e中几乎为再结晶组织，晶粒细小，但变形仍不均匀；图1f为充分变形后得到均匀的等轴晶，其晶粒大小约为5μm。 可见，在等温挤压过程中，随变形程度的增加，再结晶速度加快，有效的消除铸态合金中粗大的晶粒及偏析，获得致密、细小的再结晶等轴晶组织。
3.2 拉伸实验结果
从拉伸实验得到数据，并进行处理，可得△σb-ε曲线（如图2所示），其中△σb为变形后的强度相对于原始铸态组织下强度的增加值。由于材料的屈服强度与晶粒大小存在着Hall-Petch关系，同时晶粒细化不仅可以提高材料的强度，而且可以提高其塑性，对AZ31镁合金，细晶强化是提高镁合金强度的有效方法之一。与铸态组织相比，在210℃变形，AZ31镁合金的强度有很大的提高，且增加幅度较大（其中ε为80%时，其σb绝对值最大，达305MPa，较原始组织提高约50%），同时实验发现，变形后试样强度增量初是随着变形程度的增加而增大，但达到一定程度，强度增量下再增大，甚而有减小的趋势。在210℃下的变形是ε约为80%时出现强度增量的最大值。
20世纪90年代以来，作为最轻的金属结构材料，镁合金用量急剧增长，在交通、计算机、通讯、消费类电子、国防军工等诸多领域具有极为广泛应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。镁合金由于其优异的性能，许多发达国家已将镁合金列为研究开发的重点。
常用的镁合金成形方法有压铸、半固态铸造、挤压铸造等。而镁合金通过塑性变形和热处理工艺相结合，可获得高强度和优良延展性，成为更多样化性能的结构材料。为节约原材料、缩短加工工艺。降低生产成本，提出由铸坯直接成型产品的方案。但是由铸坯直接成型工件，其成型性脏乱成形对产品性能的影响研究甚少，工艺制定上也缺少参考依据，为此，本文以AZ31合金为研究对象，对铸态AZ31镁合金温变形时显微组织演变过程和力学性能影响进行分析，为进一步开发镁合金的成形工艺提供实验依据。
2 实样制备
实验材料的AZ31合金的铸造棒材，其材料成分（质量分数%）如表1所示：
表1 实验材料的化学成分
3 实验结果及讨论
3.1 铸态及变形组织
从图1a中可看出，经退火处理后的铸造组织是由粗大的α基体上分布β相组成，其原始晶粒尺寸约为100μm。变形后的组织如图1b-f所示，在挤压变形初期，镁合金铸棒中粗大的晶粒在挤压力的作用下，在垂直于压力方向被压扁，进而发生弯曲和破碎成细晶粒，并在应力作用下获得重新分布（见图1b）；同时发生晶粒间的相对转动，带动已破碎的第二相发生滑移和变形，呈离散状分布，在平行流线上分布着大量细小、致密的等轴晶粒，可见形变组织已发生再结晶；图1c中开始出现再结晶组织，但变形孪晶组织仍占大部分；随应变增加，图1d再结晶组织大量增加，原晶粒的晶界处的晶内形成无畸变的新晶粒；而图1e中几乎为再结晶组织，晶粒细小，但变形仍不均匀；图1f为充分变形后得到均匀的等轴晶，其晶粒大小约为5μm。 可见，在等温挤压过程中，随变形程度的增加，再结晶速度加快，有效的消除铸态合金中粗大的晶粒及偏析，获得致密、细小的再结晶等轴晶组织。
3.2 拉伸实验结果
从拉伸实验得到数据，并进行处理，可得△σb-ε曲线（如图2所示），其中△σb为变形后的强度相对于原始铸态组织下强度的增加值。由于材料的屈服强度与晶粒大小存在着Hall-Petch关系，同时晶粒细化不仅可以提高材料的强度，而且可以提高其塑性，对AZ31镁合金，细晶强化是提高镁合金强度的有效方法之一。与铸态组织相比，在210℃变形，AZ31镁合金的强度有很大的提高，且增加幅度较大（其中ε为80%时，其σb绝对值最大，达305MPa，较原始组织提高约50%），同时实验发现，变形后试样强度增量初是随着变形程度的增加而增大，但达到一定程度，强度增量下再增大，甚而有减小的趋势。在210℃下的变形是ε约为80%时出现强度增量的最大值。
之所以出现上述现象，可以认为在较低的变形程度下，随着变形程度的增加，晶粒发生细化，强度增加；而应变增大到一定程度后，由于较大的变形提供了更多的能量，使得相界的扩散能力增强，有机会吞并附近细小的晶粒，从而在一定条件下，使得晶粒数量减少，尺寸变大。即变形所引起的动态再结晶，只发生在一公平的应变范围内，当变形超过该值后，则进入晶粒长大阶段。从而出现随变形程度增大，强度增量不再增大反而有减小的趋势。
4 结论
1）AZ31镁合金在温变形时发生明显的动态再结晶。
2）通过压缩变形，可以显著的细化铸造AZ31合金的晶粒，其尺寸可由原来100μm减少到5μm左右。
3）在210℃时变形量超过一定值后（80%左右），镁合金的抗拉强度有下降的趋势；故在具体工艺中，应合理控制变形量。
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