铸态AZ31镁合金板材等温轧制工艺及组织性能研究

王 欣，杨 闯，胡连喜

(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001，E-mail:xinwang@hit.edu.cn; 2.黑龙江工程学院材料与化学工程系，哈尔滨150050)

铸态AZ31镁合金板材等温轧制工艺及组织性能研究

王 欣1，杨 闯2，胡连喜1

(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001，E-mail:xinwang@hit.edu.cn; 2.黑龙江工程学院材料与化学工程系，哈尔滨150050)

为研究铸态AZ31镁合金轧制工艺及轧制后组织性能，通过试验得到不同道次和变形量对铸态AZ31镁合金板材显微组织和力学性能的影响规律，并采用扫描电子显微镜研究了轧制后板材组织.结果表明，铸态AZ31镁合金板材经等温4道次、等变形量轧制后，板材厚度由20 mm变化到4.8 mm，抗拉强度和屈服强度分别达到275 MPa和187 MPa，延伸率为32%，板材性能方向性小.研究表明，AZ31镁合金板材力学性能既受到平均晶粒尺寸影响，也受到晶粒取向制约.铸态AZ31镁合金板材采用等温4道次、等变形量轧制工艺，能够获得性能优异的轧制板材.

AZ31镁合金;轧制;力学性能

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、抗震及减震能力强、电磁屏蔽效果优异以及易回收等一系列优点，在电子、电器、汽车、交通、航空、航天、医药材料等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为21世纪最具发展前途的金属结构材料［1－2］.但镁合金的室温塑性低，且与其他广泛使用的材料相比，强度比较低，这与其室温滑移系少，塑性变形能力差有关.

大量研究表明［3－8］，像热轧这种塑性变形方式可以有效细化晶粒，进而改变镁合金机械性能.为了提高镁合金的机械性能，优化轧制工艺参数是必不可少的，其中，非常重要的是轧制道次和变形量.Kim［9］等的研究表明，上下轧辊的速度比对提高镁合金板材的机械性能很有帮助.利用塑性变形方式提高镁合金机械性能主要是细化晶粒，而通过其他方法同样可以获得超细的镁合金晶粒以提高其力学性能，如粉末冶金［10］、快速凝固［11］以及侧向挤压［12］等方法，但对于大尺寸材料，这些方法稍显不足.本文实验研究了轧制条件下，不同轧制道次和变形量对铸态AZ31镁合金板材晶粒细化效果以及力学性能影响.

1 实验

1.1 实验材料

本实验采用的铸态AZ31镁合金是从半连续铸锭切割下的坯料，坯料尺寸为20 mm(厚)× 140 mm(宽)×200 m(长).坯料的组织由粗大的铸造晶粒组成，平均晶粒尺寸约为350 μm.轧制试验在3150 kN压力机上进行.实验用铸态AZ31镁合金的化学成分见表1，其力学性能见表2.

表1 铸态AZ31镁合金化学成分(质量分数/%)

表2 铸态AZ31镁合金的力学性能

1.2 实验方案

第1道次实验对20 mm厚铸态AZ31镁合金板材坯料进行轧制，轧制温度为400℃，轧制速度为5 m/min，分别对板材坯料进行变形程度为20%，30%，40%，50%的轧制，具体方案见表3.第2道次实验同样是400℃等温轧制，只是坯料选取第1道次轧下量为30%的14 mm厚板坯，轧制速度为5 m/min，分别进行变形程度为20%，30%，40%，50%的轧制，具体方案见表3.

表3 铸态AZ31镁合金不同变形程度轧制工艺方案

在上述实验研究基础上，本文制定了铸态AZ31镁合金板材坯料4道次轧制工艺.其中第1、2道次为400℃等温轧制，第3、4道次为300℃等温轧制，变形程度同为30%，具体方案见表4.

表4 铸态AZ31镁合金轧制工艺方案

对不同工艺等温轧制AZ31镁合金板材取金相试样，金相组织分析在奥林巴斯GX71金相显微镜上进行，晶粒尺寸计算由光学显微镜通过线性插值法测定.采用Instron5569拉伸试验机对轧制后AZ31镁合金板材的室温力学性能进行测试，拉伸试验的应变速率为1×10－3s－1，拉伸试样尺寸如图1所示.

图1 拉伸试样的几何尺寸(mm)

2 结果与讨论

图2所示为第1道次、不同变形量轧制后金相组织照片.从图2可以看出，随着变形程度增大，细小晶粒越来越多，粗大晶粒越来越少，平均晶粒尺寸随着变形量的增加逐渐增大.但晶粒大小的不均匀普遍存在，基本上还是混晶组织.这是由于在等温轧制过程中发生了动态再结晶，基本上消除了原始铸态组织形态.产生动态再结晶的原因是由于镁的层错能较低，与面心立方结构的金属相比滑移系较少，且镁合金的晶界扩散速度较高.

图3所示为第2道次不同变形程度400℃等温轧制后 AZ31镁合金的金相组织，变形量为20%，30%，40%，50%，原始坯料选取第1道次轧下量为30%的14 mm板坯，但由于40%和50%轧下量板材破裂严重，无法进行力学性能测试，故第2道次仅选择20%和30%轧制变形量的板材进行组织分析.由图3可以看出，随着轧制变形量的进一步加大，晶粒大小并没有太多变化，只是晶粒尺寸逐渐变得均匀，平均晶粒尺寸大约在20 μm.

由于第2道次大变形量轧制情况下板材破裂严重，因此，接下来通过降低轧制温度，即300℃的等温轧制，坯料采用第2道次30%变形量的板材，厚度为9.8 mm，进行变形量为30%共2道次轧制，即第3和第4道次轧制，结果如图4所示。从图4可以看出，随着轧制道次的增加，晶粒进一步细化，第3和第4道次轧制后板材平均晶粒尺寸分别为12 μm和6 μm..

图2 第1道次不同变形程度400℃等温轧制后AZ31镁合金的金相组织

图3 第2道次不同变形程度400℃等温轧制后AZ31镁合金的金相组织

图4 变形量30%、300℃等温轧制AZ31镁合金的金相组织

图5为室温条件下，等变形量轧制AZ31镁合金板材的抗拉强度、屈服强度和延伸率随轧制道次的变化规律，可以看出，屈服强度、抗拉强度及延伸率随着轧制道次的增加不断提高.并且板材的纵向(RD)和横向(TD)的屈服强度和抗拉强度随着轧制道次的增加相差并不大，由此可看出，经4道次轧制后板坯从20 mm到4.8 mm，累积总变形量为76%，板材综合性能优异，无方向性.

图5 AZ31镁合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率与轧制道次的关系曲线

由图5(a)可以看出，第3和第4道次相对于第1和第2道次，也就是300℃轧制相对于400℃轧制，板材的屈服强度和抗拉强度有明显提高，300℃轧制后屈服强度和抗拉强度均在165和275 MPa以上.文献［13］提到密排六方结构的镁合金材料，晶粒大小及组织内部织构分布决定着其力学性能的好坏.由于第3和第4道次的轧制后，AZ31镁合金的晶粒尺寸较小(图4)，因此，其抗拉强度和屈服强度较高.

由图5(b)可以看出，第3和第4道次相对于第1和第2道次，板材的延伸率明显提高，300℃轧制后延伸率保持在32%左右.这是由于400℃轧制时，大部分晶粒的基面产生偏转，进行拉伸试验时基面施密特因子较大，基面处于软取向，促进塑性变形，从而提高了延伸率.另外，由图5(b)可以看出，AZ31镁合金第4道次轧制后的延伸率与第3道次轧制后稍有减小.这是由于第4道次轧制后，基面的施密特因子较小，处于硬取向，因而延伸率稍有降低.

3 结论

1)铸态AZ31镁合金板材经400℃两道次等温轧制和300℃两道次等温轧制，共4道次轧制，每道次轧制变形量为30%，板材厚度由20 mm轧制到4.8 mm，板材纵向和横向性能差别较小，获得了性能优异的AZ31镁合金轧制板材.

2)AZ31镁合金板材经不同温度、等变形量4道次轧制后，晶粒尺寸显著细化，力学性能明显提高.平均晶粒尺寸由350 μm减小到6 μm，抗拉强度由 190 MPa增加到 275 MPa，屈服强度由57 MPa增加到187 MPa，延伸率由15%增加到32%.

3)AZ31镁合金板材经不同温度、等变形量4道次轧制后，其力学性能不仅受到组织平均晶粒大小的影响，还受到晶粒取向分布的影响.

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Mechanical properties and isothermal rolling process of AZ31 as-cast Mg alloy plate

WANG Xin1，YANG Chuang2，HU Lian-xi1
(1.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，E-mail:xinwang@hit.edu.cn; 2.Materials and Chemistry Technology，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin150001，China)

To understand the microstructure and properties of AZ31 as-cast Mg alloy plate，rolling tests were carried out in this paper.The influences of rolling pass and deformation extent on microstructure and mechanical properties were studied by experiments.After the plate rolled by four passes at the same temperature and equal deformation extent，the thickness changes from 20 mm to 4.8 mm.The tensile strength，yield strength and elongation are 275 MPa，187 MPa and 32%，respectively.The properties of plate are uniform at all direction.It is revealed that the mechanical properties are related to the average grain siz and grain orientation.

AZ31 Mg alloy;rolling;mechanical properties

TG335.5 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)02－0034－04

2010－06－17.

王 欣(1974－)，男，博士.

(编辑 吕雪梅)