高挤压比下挤压工艺对AZ31B镁合金组织与力学性能的影响

林涛，刘运腾,2，周吉学,3，庄海华，马百常，杨院生,4

(1.山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；2.山东省轻质高强金属材料省级重点实验室(筹)，山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；3.山东省汽车轻量化镁合金材料工程技术研究中心，山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；4.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016)



【新材料】

高挤压比下挤压工艺对AZ31B镁合金组织与力学性能的影响

林涛1，刘运腾1,2，周吉学1,3，庄海华1，马百常1，杨院生1,4

(1.山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；2.山东省轻质高强金属材料省级重点实验室(筹)，山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；3.山东省汽车轻量化镁合金材料工程技术研究中心，山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014；4.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016)

摘要：研究了高挤压比条件下挤压温度、速度对AZ31B镁合金微观组织、力学性能的影响。采用光学显微镜观察了显微组织，拉伸试验测试了力学性能，并配合扫描电镜观察了拉伸试样的断口形貌。结果表明，高挤压比条件下，动态再结晶较为充分，少量晶粒长大，混晶组织消失。低温、高速挤压有助于晶粒细化，并使晶粒尺寸分布均匀，因而可获得高的抗拉强度、屈服强度以及良好的塑性。350 ℃，2 m/min条件下挤压，试样抗拉强度与延伸率最高，为336.5 MPa与 23%。低温、高速下的挤压试样的拉伸断口韧窝较深且细密，呈现明显的韧性断裂特征，而高温、低速的断口为混合断裂。

关键词：AZ31B镁合金；挤压工艺；微观组织；力学性能；高挤压比

《中国制造2025》已将节能与新能源汽车作为重点发展领域，明确了材料轻量化的发展战略[1]。镁合金比强度和比刚度高，减震降噪性佳，是理想的轻量化金属材料[2-3]。变形镁合金由于具有更好的综合力学性能，适合于制造车身的结构件。变形镁合金常采用挤压工艺制造车辆用的型材。尹从娟等[4]研究了挤压工艺对AZ31镁合金组织和性能的影响，挤压比增大后，抗拉强度、延伸率都增高；随着温度升高，抗拉强度降低，但是延伸率未能呈现明显变化规律。文中未能给出屈服强度的变化规律。赵秀明等[5]研究了挤压速度对NZ30K镁合金组织和力学性能的影响，研究表明挤压速度降低，动态再结晶不充分，抗拉强度增高而塑性下降。张广俊等[6]对AZ61在360～400 ℃条件下型材组织与性能变化规律进行研究，随着挤压温度的提高，再结晶程度增加，断口呈现较多韧窝，屈服强度提高，但抗拉强度、延伸率变化不大，这可能是因为挤压温度范围小，规律不明显。于宝义等[7]选用高挤压比的工艺参数对典型的稀土镁合金WE43进行管材热挤压工艺试验研究，得出极限挤压比在70～98之间，挤压比增加，管材组织更加均匀，晶粒尺寸得到细化，抗拉强度和屈服强度随之增加。张晓芳[8]研究了不同挤压比对ZK60镁合金组织与性能的影响，结果表明，300 ℃，挤压比为30是最理想的挤压工艺，组织比较细小均匀，综合性能优良。挤压工艺参数对ZK60镁合金力学性能的影响主要是通过控制其晶粒度及析出相的含量和分布来实现的。

AZ31B是目前应用较为广泛的变形镁合金，无法通过热处理强化，而细化晶粒是提高其强度和塑性的唯一途径。研究AZ31B镁合金在高挤压比条件下挤压工艺对组织和力学性能的影响规律，有利于拓展镁合金的应用范围。

1　试验材料及方法

试验所用材料是经过均匀化处理的商用AZ31B镁合金铸锭，化学成分如表1所示。坯料的尺寸为Ø120 mm×200 mm，采用800 t挤压机进行圆棒挤压，圆棒直径为12 mm，挤压筒直径为125 mm，相应挤压比为109。考虑到300 ℃大挤压比难以挤压，本文坯料温度选取为350 ℃、400 ℃，挤压筒、模具温度比坯料温度低 20 ℃，挤压出口速度(v)为2 m/min、4 m/min。铸态显微组织如图1所示，平均晶粒尺寸按D=1.74L[9]计算，大小为1.8 mm。在挤压棒材中心截取拉伸试棒，尺寸如图2所示，拉伸试验在济南试金WDW-200E 型拉伸试验机上进行，拉伸速率为2 mm/min。在铸锭和挤压棒材的垂直挤压方向上截取试样进行组织观察，试样经过粗磨、细磨、抛光后腐蚀，腐蚀溶剂为：苦味酸4.2 g+10 mL水+10 mL醋酸+70 mL酒精，腐蚀时间10～30 s。采用Zeiss Axio observerAlm的光学显微镜(OM)进行组织观察，采用Zeiss EVO MA10扫描电镜(SEM)进行拉伸试棒断口分析。

表1　AZ31B镁合金的化学成分(质量分数，%)

图1　试验用AZ31B镁合金的铸态组织Fig.1　As-cast microstructure of the tested AZ31 magnesium alloy

图2　拉伸试样示意图Fig.2　Illustration of the tensile sample

2　试验结果

2.1挤压工艺对显微组织的影响

图3为不同挤压工艺条件下的AZ31B镁合金挤压棒材微观组织。从图中可以看出,在高挤压比情况下，得到的棒材未呈现混晶组织——由发生再结晶的细小晶粒包裹未发生再结晶的粗大晶粒，而是由再结晶程度完全的细小的动态再结晶晶粒组成。在400 ℃时，由于温度较高，部分晶粒发生了长大，平均晶粒尺寸为3～4 μm。温度较低时，晶粒细小，平均晶粒尺寸为1～2 μm。挤压速度降低时，晶粒尺寸略有增大。相比低速的挤压，高速的挤压组织更加均匀。

a 400 ℃,4 m/min; b 350 ℃,4 m/min;c 400 ℃,2 m/min;d 350 ℃,2 m/min图3　不同挤压温度、挤压速度下AZ31B合金的显微组织Fig.3　Microstructure of extruded AZ31B alloy for different extrusion temperature and speed

2.2挤压工艺对力学性能的影响

图4为不同挤压温度和挤压速度下AZ31B 镁合金棒材拉伸试验的工程应力-应变曲线。从图中可以看出，随着挤压温度降低，材料的抗拉强度和屈服强度明显升高，并且延伸率随之增加。挤压速度为4 m/min时，抗拉强度由303.4 MPa增加到336.5 MPa，延伸率由18.1%增加到23%；挤压速度为2 m/min时，抗拉强度由310 MPa到333 MPa，延伸率由12%增加到17.8%。挤压速度减小，抗拉强度变化较小，变化程度小于7 MPa，而屈服强度有所增加，延伸率增加了6%，变化明显。挤压温度在350 ℃，挤压速度4 m/min时，综合性能最优，抗拉强度达336.5 MPa，延伸率达23%。

2.3断口形貌

图5为不同挤压工艺条件下的AZ31镁合金拉伸断口形貌。从图中可以看出，温度降低，断口由准解理断裂转变为韧性为主混合断裂形貌——大且深的韧窝和含有微孔的晶间韧性断裂花样。挤压速度逐渐加快时，断裂方式从准解理断裂过渡到韧性断裂。由图5 c可见，400 ℃、2 m/min条件下挤压棒材断口由“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的准解理断裂形貌较为明显。图5b可见，在350 ℃、4 m/min条件下，断口韧窝既大又深，且大韧窝内部包含许多微孔，可以反映出其断裂过程从微孔长大、增殖开始，最后连接成较大的孔洞，而导致断裂，即典型的韧性断裂。

图4　不同挤压温度与挤压速度下的AZ31B合金的室温力学性能Fig.4　Indoor temperature mechanical properties of extruded AZ31B alloy for different extrusion temperature and speed

a　400 ℃,4 m/min; b　350 ℃,4 m/min; c　400 ℃,2 m/min; d　350 ℃,2 m/min图5　不同挤压温度、挤压速度下AZ31B合金的断口形貌Fig.5　Fracture morphology of extruded AZ31B alloy for different extrusion temperature and speed

3　分析与讨论

综上所述，由AZ31B镁合金挤压试棒的力学性能、微观组织验及断口形貌可知，随着温度的降低，动态再结晶充分且减小晶粒长大的数量，组织全部为细小均匀的等轴晶，因而综合性能、强度与塑性明显提升，通过断口形貌可以明显看到，低温试样的断口为韧性断裂，韧窝深而细致。产生上述现象的原因是300 ℃以上变形时，镁合金可以开动5个滑移系，可以进行稳定的塑性变形。挤压温度升高，导致形核率和晶粒长大速度都增加，相应的晶粒细化，依据Zener-Hollomon(Z)参数，提高形变温度导致Z参数变小，动态再结晶晶粒尺寸增大，因而部分晶粒也会快速长大，出现局部晶粒粗大的组织，如图3a、3c中的局部粗大的等轴晶。根据Hall-Petch公式可知晶粒尺寸的增加会引起强度的增加减小，同时由于组织更均匀，相应延伸率得到提高[9-10]。在高挤压比的条件下，挤压速度增加，对于堆垛层错能较低的镁合金来说，其滑移面上不全位错之间的层错带较宽，滑移和攀移均难于进行，动态回复难，位错缠结随着变形加快难以回复，因此产生了足够高的局部位错密度差，促使动态再结晶的发生，且当挤压速度提高时，动态再结晶因所需要堆垛层错能累积时间变短而更容易发生，这使得动态再结晶非常充分[11-12]。此外，挤压速度的提高会使温度增加，晶界扩散速率相应增加，由此导致局部再结晶晶粒尺寸增大。因此，随着挤压速度增加而屈服强度有所下降，延伸率明显增加。

4　结论

通过高挤压比挤压试验，研究了350～450 ℃，挤压速度为2～4 m/min条件下，AZ31B镁合金的微观组织和力学性能，结果表明：

(1)高挤压时棒材的组织为完全动态再结晶组织，未出现混晶组织，部分晶粒发生长大。

(2)350～400 ℃时，随着挤压温度降低，晶粒细化，强度与塑性同时增加，拉伸断口由混合断裂转变为明显韧性断裂。随着挤压速度的提高，屈服强度有所下降，延伸率明显增加。

(3)350 ℃，2 m/min条件下挤压，试样抗拉强度与延伸率最高，为336.5 MPa与 23%。

参考文献：

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[4]尹从娟，张星，张治民，等. 挤压温度和挤压比对AZ31镁合金组织性能的影响[J]. 有色金属加工，2008, 37(1): 45-47.

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[6]张广俊，龙思远，曹凤红. AZ61镁合金在不同挤压温度下的组织与力学性能[J]. 特种铸造及有色合金，2009, 29(3): 270-272.

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.04.009

收稿日期：2016-04-13

基金项目：山东省科学院青年基金(2016QN014)；山东省自然科学基金(ZR2015EQ019)

作者简介：林涛(1982-)，男，博士，研究方向为镁合金加工。Email: lintao@sdas.org

中图分类号：TG146.2

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)04-0039-05

Impact of extrusion process on microstructure and mechanical properties of high extrusion ratio AZ31B magnesium alloy

LIN Tao1,LIU Yun-teng1,2, ZHOU Ji-xue1,3, ZHUANG Hai-hua1,MA Bai-chang1, YANG Yuan-sheng1,4

(1. Institute of Advanced Materials, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of High Strength Lightweight Metallic Materials (in preparation), Institute of Advanced Materials, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 3. Shandong Provincial Engineering Research Center for Lightweight Automobile Magnesium Alloy,Institute of Advanced Materials, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China;4. Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract∶We addressed the impact of extrusion temperature and velocity on microstructure and mechanical properties of high extrusion ratio AZ31B magnesium alloy.We employed optical microscopy (OM) to observe its microstructure, indoor temperature tensile test to determine its mechanical properties, and scanning electron microscopy (SEM) to observe its fracture morphology. Results show that dynamic recrystallization is complete, a few grains grow and mixed grain structure disappears for high extrusion ratio. Low temperature and high speed extrusion are benefit for fine grain and even grain distribution, so we can get high tensile and yield strength and better ductility.Its optimal tensile strength and elongation rate are 336.5 MPa and 22.5% for 350 ℃ and 2 m/min extrusion. For low temperature and high speed extrusion, its tensile fracture has finer and deep dimples, obvious ductile fracture characteristic. However, mixed fracture exists for high temperature and low speed extrusion.

Key words∶AZ31B magnesium alloy; extrusion process; microstructure; mechanical properties; high extrusion ratio