AZ31镁合金棒材在不同温度下拉伸和压缩变形机制分析

2018-07-30宋广胜赵原野杨常彬张士宏

沈阳航空航天大学学报 2018年3期

宋广胜，赵原野，杨常彬；张士宏

(1.沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，沈阳 110136； 2.中国科学院金属研究所专用材料与器件研究部，沈阳 110016)

镁合金具有低密度和高比刚度等优点，是潜在的绿色环保材料，近些年来已在电子、汽车和航空等产业中得到应用。目前镁合金所生产的零件主要以压铸工艺为主，而铸件中不可避免存在缩松缩孔等缺陷，并且强度也难以满足要求，而镁合金塑性成型工艺能够克服上述缺点，但镁合金室温下能够启动的独立滑移系较少，导致镁合金室温塑性变形能力较差[1,2]。

虽然关于镁合金挤压棒材的力学性能、微观组织和织构演化等研究结果在相关文献中都有报道[9-12]，但相比于关于镁合金板材的研究[13-14]，缺乏镁合金棒材变形过程相关特征的系统研究结果。

本文以商用AZ31镁合金挤压棒材为分析对象，通过在不同温度下进行拉伸和压缩变形，分析上述变形过程中的力学性能、织构和微观组织演化，系统掌握镁合金棒材的变形机理。

1 实验

所用材料为ø26mm的商用AZ31B镁合金(名义成分：3.0% Al，1.0% Zn，0.2% Mn,余下为 Mg)挤压棒材，经420 ℃×6 h退火处理后，加工成拉伸或压缩试样，其中压缩试样为ø10 mm×15 mm圆柱体，拉伸试样的尺寸如图1所示，拉伸和压缩方向都与棒材的轴线方向(挤压方向)一致。拉伸和压缩实验在SANS-CMT-5105微机控制电子万能实验机上进行，变形速率为1×10-3/s，在加热变形实验中，试样加热至设定的温度并保温20 min后进行变形。

图1 拉伸试样

在EBSD实验中，所测的试样经砂纸研磨和机械抛光后，在成分是体积比为10%高氯酸+90%的酒精的电解液中电解抛光，电解时，电解液中倒入液氮降温至-20℃开始电解，直流电源电压为15V，电解时间约2分钟。EBSD实验在Zeiss Gemini SEM500/300 场发射扫描电镜上进行，所测得晶粒取向数据经HKL Channel5 软件处理。

图2 挤压棒材的EBSD测试结果(原始挤压棒材经420℃×6h退火处理)

图3 挤压棒材的极图

2 实验结果分析

2.1 力学性能

镁合金挤压棒材在不同温度下的拉伸和压缩过程中力学性能曲线如图4所示，图4中显示从室温至230℃的变形过程中，同一温度下的拉伸和压缩变形的应力应变曲线差异明显，其中压缩应力应变曲线为硬化速率波动明显的s型曲线，而拉伸应力应变曲线呈现平缓的硬化特征，上述特征体现了典型的镁合金拉压非对称性。图4e显示300 ℃条件下的变形过程中，拉伸和压缩应力应变曲线呈现相似的硬化速率变化特征，没有呈现出明显的拉压非对称性。镁合金所呈现的拉压非对称性是由孪晶启动机制决定的[15,16]，镁合金的微观变形机制有拉伸孪晶、基面滑移、柱面滑移、锥面滑移和压缩孪晶，其中拉伸孪晶和基面滑移的临界剪切应力(CRSS)远低于其它变形模式而易启动，而拉伸孪晶的启动具有极性特征，即需满足于压应力垂直于晶粒C轴或拉应力平行于晶粒C轴的条件，在镁合金的板材或棒材的压缩变形通常满足拉伸孪晶启动条件而易启动。

由于镁合金棒材呈现典型的丝织构，在沿棒材的挤压方向压缩过程中拉伸孪晶将大量启动，如图4a～4d中的压缩过程应力应变曲线都呈现约为100 MPa的低屈服强度，表明拉伸孪晶的CRSS与温度无关[17]，该屈服强度点对应着拉伸孪晶启动的饱和状态，在随后的变形过程中由于CRSS值较高的柱面和锥面滑移系的启动，而使力学性能曲线呈现快速硬化特征。

图4 镁合金棒材在不同温度下的拉伸和压缩力学性能曲线

对比图4中的不同温度下的压缩变形应力应变曲线，可以看出在230 ℃时的最大延伸率约为25%，而对于变形温度低于230 ℃的最大延伸率则约为17%，这意味着230 ℃时压缩变形量明显高于室温、100 ℃和170 ℃时的压缩变形，较大的变形量导致230 ℃下压缩过程中将有更多的晶粒基体转变为拉伸孪晶。

图4中的拉伸过程应力应变曲线在应力值高于屈服强度后呈现平缓的硬化特征，并且随着变形温度的升高，硬化速率逐渐降低，图4d显示当变形温度达到230 ℃时，拉伸应力应变曲线呈现软化特征流变曲线，意味着在此温度下的拉伸变形发生回复和动态再结晶，这一特征在300 ℃下的拉伸变形过程尤为明显。由于棒材存在丝织构，在沿挤压方向拉伸变形过程中，应力方向垂直于晶粒C轴，应力垂直于晶粒C轴的拉伸变形对应的微观变形机制为基面滑移+柱面滑移[13,18]。

图4显示对于不同温度下的拉伸和压缩变形过程，压缩变形的应力应变曲线对应的最大应力远高于同一温度下的拉伸变形，这是由于二者的微观变形机制不同引起的。对于垂直于晶粒C轴的压缩变形，在变形初期对应微观变形机制为拉伸孪晶和基面滑移启动为主，在变形后期锥面滑移系大量启动[13,18]，由于锥面滑移系的CRSS值较高，故压缩应力应变曲线在后期呈现高的应力值，而对于垂直于晶粒C轴的拉伸变形，变形过程中基面滑移系和柱面滑移系启动，锥面滑移系不启动，而柱面和基面滑移系的CRSS值远低于锥面滑移系，故导致拉伸变形过程的应力峰值远低于压缩变形。

图4显示不同温度下的压缩变形应力应变曲线对应的屈服强度都约为100 MPa左右，而拉伸变形应力应变曲线对应的屈服强度随着变形温度升高不断降低，当变形温度达到170℃时，拉伸变形和压缩变形的屈服强度接近相等，而当变形温度升至230 ℃时，拉伸变形的屈服强度低于压缩变形。上述拉伸变形过程只有基面和柱面滑移系启动，由于柱面滑移系的CRSS值高于基面滑移系，所以拉伸变形过程的应力应变曲线的应力值主要由柱面滑移系决定，而柱面滑移系的CRSS值随着变形温度升高会明显降低，在230 ℃和300 ℃温度下，柱面滑移系的CRSS值已经低于拉伸孪晶，导致拉伸应力应变曲线的屈服强度低于同温度下的压缩应力应变曲线。

2.2 微观组织

镁合金棒材在不同温度下变形后的微观组织如图5所示，图5b、图5d和图5f中显示对于室温、100 ℃和170 ℃压缩变形的微观组织，晶粒中存在着大量平行或交叉排列的透镜状孪晶带，为典型的拉伸孪晶，组织特征与图4中的压缩变形应力应变曲线对应的微观变形机制一致。图5h显示230 ℃下压缩变形后的微观组织中无明显的孪晶带，而图4d中的s型压缩应力应变曲线则意味着在变形过程中启动了大量拉伸孪晶，这意味着图5h中晶粒基体已完全转变为拉伸孪晶，从而导致晶粒中没有出现孪晶带。镁合金的压缩变形机制相关研究表明，当压缩变形量较大时，晶粒基体将完全转变为拉伸孪晶而在晶粒中看不到孪晶带[13,19]。

图5 镁合金棒材在不同温度下的拉伸和压缩变形后的微观组织

图5a显示镁合金棒材室温拉伸变形后的微观组织中出现了大量孪晶，镁合金在应力垂直于晶粒C轴的拉伸变形中通常不易启动孪晶，在镁合金棒材的拉伸实验中发现室温拉伸试样存在少量的颈缩现象，根据材料力学原理，试样在径缩区不再是径缩前的单向拉应力状态，而是三向压应力状态，如图6所示(图6中的六棱柱表示晶粒的取向特征)，依据棒材丝织构对应的晶粒取向特征，存在着垂直于晶粒C轴的压应力，从而易引起拉伸孪晶的启动。

图6 拉伸试样颈缩区的应力及晶粒取向分布的示意图

镁合金在高于200 ℃时变形过程中通常会发生动态再结晶，图5g和图5i中的微观组织与其它试样的组织对比可以看出，230 ℃和300 ℃下的拉伸变形过程发生动态再结晶，晶粒得到明显细化，而图5e中也显示100 ℃下的拉伸变形发生了动态再结晶，在晶界处分布着再结晶生成的细小晶粒，相比于230 ℃和300 ℃的拉伸变形，100 ℃下的拉伸变形过程的动态再结晶进行得不充分，只是在大晶粒晶界处刚刚生成细小晶粒，而没有完成小晶粒的继续长大过程。

对于上述的压缩变形过程，图5中的不同温度压缩试样的微观组织对比表明，只是在300 ℃时的压缩变形发生了动态再结晶，如图5j所示，大晶粒的晶界处分布着众多的再结晶所生成的小晶粒。图5中显示，对于170 ℃、230 ℃和300 ℃下的拉伸变形，都发生了动态再结晶，而对于压缩变形，只有300 ℃压缩试样发生了动态再结晶。图4显示，在变形温度相同条件下，拉伸变形的最大延伸率远高于压缩变形，意味着拉伸试样的变形程度高于压缩变形，而变形程度越大越容易发生动态再结晶。

2.3 织构变化

图7 镁合金棒材在不同温度下的拉伸和压缩变形后的织构

图7b和图7d中的极图显示，在室温和170℃下压缩变形后，原始挤压棒材中的丝织构已完全消失，而转变为晶粒C轴与挤压方向平行，即形成{0001}⊥ED的基面织构，在上述压缩变形过程中，压应力垂直于晶粒C轴，符合拉伸孪晶启动条件，拉伸孪晶启动使晶粒C轴向压缩方向偏转约86°，从而产生新的基面织构。上述压缩过程中晶粒取向的变化的示意图如图8所示。

图8 压缩过程中晶粒取向变化的示意图

图7e显示镁合金挤压棒材在300°下的压缩变形后，原始棒材中的丝织构有一定程度的削弱，一部分晶粒的C轴发生偏转而与棒材的挤压方向呈约30°的夹角。图5j中显示在300°压缩变形后发生动态再结晶，并且无孪晶启动，图4e中的压缩变形应力应变曲线特征也显示该变形过程中无孪晶启动，则意味着上述晶粒取向的偏转并非由孪晶启动引起的。镁合金动态再结晶过程新生成的晶粒与原始晶粒间往往存在明显的取向差，从而形成新的再结晶织构[20-23]，即动态再结晶过程会引起晶粒取向发生变化。图5j显示动态再结晶所生成的晶粒分布在原始的大晶粒间，其中原始大晶粒的取向为丝织构取向，而再结晶粒取向与原始大晶粒取向不同，再结晶晶粒的C轴与棒材的挤压方向成约30°的夹角，从而形成图7e所示的织构特征。

3 结论

(1)镁合金挤压棒材在室温至230 ℃下变形时，应力应变曲线呈现明显的拉压非对称性，而当变形温度达到300 ℃时，应力应变曲线则不存在明显的拉压非对称性。

(2)对于镁合金棒材的拉伸变形，当变形温度达到170 ℃时，已发生动态再结晶，而当拉伸变形温度达到230 ℃时，微观组织主要由动态再结晶晶粒组成，组织明显得到细化。镁合金挤压棒材在压缩变形过程中启动大量拉伸孪晶，当变形温度达到300 ℃时，无拉伸孪晶启动，动态再结晶所生成的晶粒分布在原始大晶粒的晶界间。