稀土元素钐添加对镁合金轧制边裂影响的研究
2018-01-22刘鹏涛黄庆学马立峰
刘鹏涛，黄庆学，马立峰，王 涛
(1.太原理工大学 机械工程学院，太原 030024；2.太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室，太原 030006)
镁合金由于耐腐蚀差、塑性加工能力差等缺点，限制了其广泛应用；而稀土元素拥有净化合金熔体、改善合金组织的特性，较好地弥补了镁合金的缺点，可以很好地改善镁合金的力学性能和耐蚀性能。
随着对镁合金以及稀土元素的研究，添加各种稀土元素的镁合金成了又一研究趋势。起初通过添加稀土元素来提高镁合金的强度，然后研究添加稀土元素后镁合金板材在轧制前后组织织构的变化。HANTZSCHE et al[1]研究发现，添加Nd、Ce等稀土元素会弱化板坯的织构；加入镁合金中的稀土元素量和固容能力密切影响着其对织构的弱化程度。此外，织构弱化还会影响特殊剪切带(包含孪晶)的形成，这种特殊剪切带与因剧烈非均匀变形而产生的剪切带不同。因剧烈非均匀变形而产生的剪切带是造成镁合金板成形时发生断裂的根本原因，因此，特殊剪切带(包含孪晶)可以减少镁合金板材成形的断裂，增强板材的组织性能。韩恩厚等[2]通过轧制添加有稀土元素的Mg-Gd-Zn合金板坯，研究其轧后板坯的组织性能发现，添加稀土元素后合金的织构得到了改变和弱化。在相同轧制参数条件下，稀土镁合金和AZ31镁合金的力学性能和冲压性能的对比得出：合金中添加Gd稀土元素后，板坯的延伸率得到很好的提高，差不多达到50%，均匀延伸率也提高到30%以上；而加稀土元素之后IE(埃里克森值)值约为8(正常情况下，AZ系镁合金室温下的IE大约在2～4之间)，得到很大的提高[3-7]。
本文对添加稀土元素Sm后的镁合金进行轧制，后对其组织及力学性能进行研究后得出，稀土元素的添加能较好地提高镁合金板坯轧制后的性能，同时对边裂问题也有较明显的改善。
1 实验
实验基材为AZ31B的镁合金铸锭，经过一次挤压塑性变形得到镁合金板料。铸造前分别添加不同量的镧系稀土Sm(钐元素)，分为3组：1#，AZ31B(原基材镁合金)；2#，AZ31B-1Sm；3#，AZ31B-3Sm；4#，AZ31B-6Sm.挤压板坯如图1所示。
图1 稀土镁合金板材Fig.1 Rare-earth-Mg alloy plate
先对原材料进行挤压塑性成形，得到镁合金板坯，见图1.分别加入不同量的Sm(钐元素)，得到3组添加稀土元素的镁合金板坯；然后，分别进行冷轧(室温条件下)和温轧(350 ℃)实验；最后，研究分析轧制后金相组织、力学性能以及宏观的边部裂纹情况。实验分两道次轧制，单道次压下量为10%.温轧时每道次轧制后，将板坯回炉(气氛炉)350 ℃保温15 min，然后再进行下一道次的轧制。
2 结果及讨论
2.1 轧后添加钐的镁合金板坯边部
对两组板坯分别进行冷轧和温轧，轧后的板坯裂纹都不明显，见图2、图3.经过轧制后镁合金板坯的边部都较好，但是冷轧工艺下的板坯有少量裂纹，而温轧工艺得到的板坯边部基本没有裂纹；说明镁合金经过挤压变形后组织得到较好的改善，但是其室温下的塑性变形能力仍较差。对比成分不同的板坯裂纹发生程度，基材裂纹相对较严重，而添加了稀土元素Sm的板坯裂纹较轻，说明稀土元素的添加一定程度上改善了镁合金的边裂问题[8]。
图2 冷轧后板坯边部Fig.2 Edge of RE-Mg alloy plate after cold rolling
图3 温轧后板坯边部Fig.3 Edge of RE-Mg alloy plate after warm rolling
2.2 轧后镁合金板坯组织
2.2.1 冷轧后镁合金板坯组织
基材的晶粒较添加稀土元素的合金小，因为基材镁合金没有添加稀土元素，不需要经过再次高温溶解，见图4、图5.对比图4(或图5)中各个板坯晶粒的分布情况，添加稀土元素的合金晶粒尺寸比较均匀，而且随着稀土元素量的增加，大部分晶粒均匀程度越明显。因为稀土元素Sm(钐)的加入使镁合金中产生的第二相明显增多并且分布均匀[9]，稀土元素的加入量越大，晶粒均匀化效果越明显。
图4 冷轧后镁合金板材显微组织Fig.4 Substrate microstructure of RE-Mg alloy plates after cold rolling
图5 温轧后镁合金板材显微组织Fig.5 Substrate microstructure of RE-Mg alloy plates after warm rolling
2.2.2 温轧后镁合金板坯组织
比较冷轧(图4)和温轧(图5)后板坯晶粒尺寸，温轧后镁合金晶粒没有明显的长大。因为稀土元素加入到镁合金后形成的稀土型第二相熔点较高，在高温轧制过程中，当合金的变形量较大时同样会产生再结晶现象，而稀土型第二相一定程度上对镁合金晶粒起到限制“生长”的作用[10]。
2.3 添加稀土元素对镁合金板坯性能的影响
图6和图7为室温条件下拉伸实验得到的应力-应变曲线，分析比较可以得到，添加稀土元素后合金屈服强度、抗拉强度较基材都有所增大，2#试样的延伸率相对为最好(见图8、图9)。镁合金材料中添加稀土元素Sm(钐)后，组织中产生稀土元素相；当合金发生再结晶时，这一特殊相会“限制”晶界的变化，使晶粒分布均匀；随着稀土元素量的增加，稀土相析出越多，使得镁合金晶粒分布更均匀，因此屈服强度更高。
图6 冷轧后镁合金应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of Mg alloy after cold rolling
图7 温轧后镁合金应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curve of Mg alloy after warm rolling
图8 镁合金板(冷轧)的力学性能Fig.8 Values of magnesium alloy plates mechanical properties
镁合金基材中加入稀土元素后，会产生特殊的第二相——稀土相，而稀土相过多会产生脆性效果，会使得合金容易被割裂，造成镁合金较差的塑性变形能力[11-13]。镁合金本身产生的Mg17Al12就是一种脆性相，另外稀土元素量越大，合金组织再结晶效果越好，也会产生更多的脆性相，两者都会造成塑性变形继而发生断裂，因此伸长率也减小。
图9 镁合金板(温轧)的力学性能Fig.9 Values of magnesium alloy plates mechanical properties
3 结论
1) 添加稀土元素能较好地改善边裂问题。稀土元素Sm(钐)的添加使得镁合金组织晶粒分布均匀化，随着稀土元素量的增加，均匀化效果更加地明显。
2) 添加稀土元素Sm(钐)可以提高镁合金材料的屈服强度，但是由于析出相脆性，使得伸长率减小，造成镁合金断裂几率增大。
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