AZ31镁合金异齿复合形变工艺的研究

高升栋，王忠堂

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

AZ31镁合金异齿复合形变工艺的研究

高升栋，王忠堂

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

研究了炉内保温温度、炉内保温时间、保压时间对镁合金板材微观组织和力学性能的影响规律。研究结果表明，炉内温度为300℃、炉内保温时间为20min、压下量为3mm、模具温度为150℃、保压时间为10s时，异齿复合形变后的镁合金板材的平均晶粒尺寸为6.5μm、显微硬度为68.12HV。在室温条件下拉伸时，屈服强度为215MPa、抗拉强度为320MPa、延伸率为17.6%，与等齿复合形变相比，晶粒细化了16.6%，屈服强度提高了1.4%，抗拉强度提高了7.4%，延伸率提高了3.5%。

镁合金；异齿复合形变；微观组织；力学性能

随着全球能源紧张和汽车行业的迅速发展，汽车轻量化问题日益成为研究的焦点。轻量化金属的应用也随之变得重要[1]。目前，由于镁合金在实现轻量化、降低能源消耗、减少环境污染等方面具有良好的作用，在军工领域、家庭用品及运动器材方面已经得到应用[2-4]。然而镁合金的密排六方结构导致镁合金滑移系较少，室温塑性较差，通过塑性加工方法提高镁合金塑性已经成为重要的研究课题。

提高镁合金塑性，主要是通过细化晶粒和弱化织构来实现[5-6]。在镁合金塑性成形的研究中，强烈塑性形变是实现晶粒细化，获得细小晶粒从而提高金属塑性的有效方法[7-8]。Y.Saito等[9]提出连续剪切形变可以细化晶粒，但该项技术在形变过程中模具底部存在死区，板材形变不充分。通过复合形变工艺，使镁合金板材产生大角度的形变诱使晶粒细化，具有良好的细化晶粒的作用[10]。在引入剪切形变，改变再结晶晶粒基面取向方面，可以通过异步轧制和等径角轧制的加工方法实现，从而弱化形变镁合金织构[11-12]。朱素琴等人[13]的研究表明异步轧制能减少镁合金板材中的孪晶并促进动态再结晶的发生，使板材的晶粒组织细化和均匀化。通过降低基面织构的强度使镁合金板材获得非基面织构，提高镁合金塑性[14]。

镁合金板材多道次轧制过程中或者轧制后一般都需进行退火处理，退火工艺对形变镁合金的织构有一定弱化效果[15]。采用固溶强化、时效析出相、复合强韧化等手段，可以实现高强度和高韧性的镁合金材料的制备[16]。

本文以AZ31镁合金板材为研究对象，在等齿复合形变的基础上，借鉴异步轧制弱化织构的特性，采用异齿形变和整平的复合形变工艺来提高镁合金材料的成形性能和力学性能。研究不炉内加热温度、炉内保温时间、保压时间等复合形变工艺参数对AZ31镁合金板材的显微组织和力学性能的影响，获得合理的工艺参数。

1 异齿复合形变概念

等齿形变和异齿形变模具结构如图1所示。等齿形变时，上模具和下模具的齿间距相同，见图1a,因此镁合金板材上下表面产生的材料流动规律是对称的。而对于异齿形变时，上模具和下模具的齿间距不同，见图1b,因此镁合金板材上下表面产生的材料流动规律不对称，这样就产生镁合金板材上下表面形变的不均匀性，这样有利于弱化镁合金材料的织构，以改善材料的组织性能，进而提高材料的成形性能。

图1 复合形变模具结构(1上模板，2上压平模具，3下压平模具，4下模板，5上固定板，6上凸齿，7下凸齿，8下固定板)

2 实验材料及方法

实验采用商用镁合金AZ31 板材，原始板材厚度为7mm，平均晶粒尺寸为30μm。上模具和下模具的齿间距分别为5mm和6mm，加热保温时间分别为200℃、225℃、250℃、300℃、350℃和400℃，板材炉内保温时间分别为5min、10min、20min、30min和60min。异齿复合形变保压时间为10s、20s和30s。采用加热棒加热方法，使异齿复合形变模具保持150℃恒温，齿半径为2mm，实验在1000kN的四柱万能液压机上进行，液压机速度为10mm/s。工艺流程见图2。

图2 异齿模具复合形变工艺流程图

3 实验结果与分析

3.1 炉内加热温度对AZ31镁合金板材组织的影响

图3为原始坯料晶粒组织，晶粒尺寸为30μm，组织较为均匀。

炉内保温温度对镁合金板料的显微组织的影响如图4所示。在图4a中，在炉内保温温度为200℃时， 镁合金的形变以孪生为主，在图4b中225℃时孪生逐渐出现动态再结晶，孪生组织被再结晶晶粒逐渐代替。在图4d炉内保温温度为300℃时，镁合金组织变得均匀，晶粒相比原始组织得到细化，平均晶粒尺寸为6.5μm。随着温度的增加，晶粒继续长大，组织变得粗大。

图3 原始坯料晶粒组织

图4 炉内保温温度对复合形变后镁合金组织的影响

3.2 保温时间对镁合金晶粒的影响

在相同的形变温度下，不同的保温时间对晶粒大小的影响也不同。图5为在保温温度为300℃，保温时间分别为10min、30min和60min，相同的形变位置处的晶粒情况。由图5可以看出，保温时间10min时晶粒组织比较粗大。保温时间30min时，晶粒尺寸略有减小，但是减小幅度不大。保温时间60min后，组织又变得粗大，平均晶粒尺寸为62.6μm。

图5 不同的保温时间下镁合金对应的组织

晶粒尺寸随保温时间、保温温度的变化规律如图6所示。晶粒尺寸先减小后增大是由于在保温温度300℃时，材料发生了再结晶，在保温时间20min左右，再结晶完成，晶粒得到细化，而后随着保温时间的增长，晶粒开始长大，组织变得粗大。

图6 AZ31镁合金晶粒尺寸与保温温度和保温时间关系

3.3 复合形变参数对AZ31镁合金硬度的影响

未经处理的试样硬度为52.77HV，处理之后，相同的保温温度和保压时间下，硬度的变化如图7所示。由图7可知，随着温度的升高，硬度总体先升高后降低。250℃时硬度最高，在保温20min，应力时效30s的试样中，硬度高达104.32HV。250℃后，随着保温温度的升高，硬度反而降低，在400℃时，硬度最低达到59.89HV，但是仍然比未经处理的试样硬度要高。

图7 AZ31镁合金硬度与保温温度的关系

图8为镁合金材料复合形变后硬度与保压时间和炉内保温温度的关系曲线。由图8a可以看出，AZ31镁合金的硬度值随着保压时间的增长而增大。在10～20s的区间，保压时间对镁合金的硬度影响较大；在30～60s的时间段内，保压对硬度的影响减弱，趋于平稳。这是由于镁合金的传热速率较快，在前30s，温度降低非常快，对镁合金的硬度产生影响，随着板材与模具温度的接近，镁合金温度变化减缓，硬度变化也变得不明显。

图8 AZ31镁合金材料硬度与保温时间的关系

在10～20s的保压时间里，由于镁合金板材温度较高，镁合金第二相析出速度较快，强化相的析出导致了硬度的提高。而随着时间的增长，镁合金板材与空气进行了热传递而导致温度的降低，强化相析出速度减小，硬度的变化速度减慢，趋于平稳。由图8b可以看出，随着保温时间的增加，板材的硬度随着下降。在10～30min的区间，变化幅度较大。

3.4 复合形变参数对板材拉伸性能的影响

图9为镁合金试样在室温条件下的拉伸曲线。图9a表示不同炉内保温温度、相同炉内保温时间和相同保压时间下的试件在室温下的拉伸曲线。图中，如200-10-10表示炉内保温温度为200℃，炉内保温时间10min，复合形变时保压时间10s，其他类似。由图9a可看出，随着板材形变温度的提高，AZ31镁合金板材的强度先升高后下降。在300℃时应变值最大，强度也最高，屈服强度达到215MPa，拉伸强度达到320MPa，延伸率达到17.6%。由图9b可看出，在300℃不同的保温时间下，板材的塑性随着保温时间的增长而先增强后降低，在保温20min时，塑性最高，应变值为0.14，延伸率在17.6%；保温10min时，抗拉强度最高，但塑性相比保温20min略有下降。由图9c可以看出，随着保压时间的增加，屈服强度增加，但是塑性降低，保压时间10s时塑性较好。综合比较，选择形变温度为300℃，炉内保温时间20min，复合形变时保压时间10s。

图9 镁合金试样在室温条件下应力-应变曲线

AZ31镁合金常规平辊轧制后的显微组织及力学性能，如图10所示，平均晶粒尺寸为10.13μm，屈服强度203MPa，抗拉强度278MPa，伸长率为16.5%，显微硬度为82.47HV。异齿复合形变后的板材相对于平辊轧制和等齿复合形变后的板材，晶粒进一步细化，屈服强度、抗拉强度和延伸率等性能均有所提高，但硬度有所降低，具体参数见表1。

图10 AZ31镁合金常规平辊轧制后的显微组织及力学性能表1 不同状态下AZ31镁合金材料显微组织和力学性能

晶粒尺寸/μm显微硬度/HV屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%原始退火25575430169248156平辊轧制10138247203279165等齿复合形变7849199212298172异齿复合形变6546812215320176

4 结论

(1) 镁合金板材在形变温度(炉内保温温度)为200℃时，镁合金的形变以孪生为主，在225℃时孪生逐渐出现动态再结晶，孪生组织被再结晶晶粒逐渐替代，随着再结晶晶粒的长大，原始晶粒形变，再结晶晶粒长大。在300℃时，镁合金组织变得均匀，晶粒相比原始组织得到细化，平均晶粒尺寸为6.5μm。随着温度的增加，晶粒继续长大，组织变得粗大。

(2) 异齿复合形变过程中的保压时间对镁合金材料的硬度和晶粒尺寸都有影响，随着保压时间的增加，镁合金的硬度得到提高。

(3) 异齿复合形变后材料的塑性随着形变温度的增加先升高后降低，屈服强度和抗拉强度在300℃时最高。随着保压时间的增长，材料的强度提高，但是塑性降低。

(4) 异齿复合形变的合理的工艺参数为坯料温度为300℃，炉内保温时间为20min，压下量为3mm，模具温度为150℃，保压时效时间为10s，此时AZ31镁合金平均晶粒尺寸为6.5μm，显微硬度为68.12HV，屈服强度为215MPa，抗拉强度为320MPa，延伸率为17.6%。

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(责任编辑：马金发)

Different -size -teeth compound deformation technology of AZ31 Magnesium alloy

GAO Shengdong， WANG Zhongtang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

It had been studied that the influence of deformation temperatures,heating times,and pressing time on microstructure and mechanical properties of AZ31 Magnesium alloy.The results presented that the average grain size of AZ31 Magnesium alloy which deformed by different-size-teeth compound deformation was 6.5μm，and the hardness was 68.15HV.In which,the deformation temperature was 300℃,and holding time was 20minutes,and the reduction was 3mm，and temperature of tools was 150℃,and pressing time was 10 seconds.Under the room temperature,the mechanical properties of AZ31 Magnesium alloy was that yield strength being 215MPa and tensile strength being 320MPa and the elongation ratio being 17.6%.Compared with same-size-teeth compound deformation technology，the grain-size of AZ31 Magnesium alloy which deformed by different-size-teeth compound deformation reduced 16.6%,the yield strength improved 1.4%,tensile strength improved 7.4% and elongation ratio increased 3.5%.

Magnesium alloy;Different-size-teeth compound deformation;microstructure；mechanical properties

2015-11-09

国家自然科学基金资助项目(51575366)；沈阳市科技计划项目(F14-231-1-32)

高升栋(1989—)，男，硕士研究生；通讯作者:王忠堂(1962—)，男，教授，工学博士，研究方向：先进塑性成形技术。

1003-1251(2016)06-0007-06

TG146.22；TG115.21

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