室温多向压缩道次变形量对AZ80镁合金力学性能影响

魏增，张宝红，吴卓阳，何金文

室温多向压缩道次变形量对AZ80镁合金力学性能影响

魏增，张宝红，吴卓阳，何金文

（中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051）

探明室温塑性变形对AZ80塑性、硬度及最大应力等力学性能的影响规律，为其成形工艺参数制定提供依据。对挤压态AZ80镁合金均匀化处理后，在室温下控制道次变形量（0.05、0.075、0.1）及累积应变进行多向多道次压缩变形；利用力学试验机和维氏硬度计分析道次变形量与累积应变对其力学性能的影响。在室温下，当AZ80镁合金单向压缩的真应变达到0.124时会发生开裂，通过小应变多向多道次压缩可以将累积应变至少提高至3.6以上。在道次变形量为0.05、0.075和0.1时，累积应变分别可达到7.5、6和3.7；在累积应变为3.6时，随着道次变形量的增加试样硬度（HV）分别达到94、110和121，较未变形试样硬度（70HV）分别提升了33%、57%和73%。AZ80镁合金通过室温多向多道次压缩有利于改善材料塑性，提高力学性能。其塑性随着道次变形量的减小而提高，硬度和最大应力随道次变形量和累积应变的增加而升高，且道次变形量比累积应变对硬度和最大应力的影响更大。

晶粒细化；镁合金；室温；多向压缩；挤压态；力学性能

镁及镁合金是最轻的金属结构材料，具有高的比强度和比刚度，是航空航天、汽车等领域节能减排的理想材料[1-2]。由于属六方密排晶体结构，其具有的独立滑移系较少，因而综合力学性能很差，影响了镁合金的广泛应用[3]。升温或者晶粒细化可以开动原本剪切应力阈值较高的柱面滑移系和锥面滑移系，以此来改善镁合金的塑性，这也是加工、改性的最重要手段。为了提高镁合金的塑性变形能力，研究人员采用了如等径角挤压（ECAE）[4-5]、累积叠扎（ARB）[6-7]、高压扭转变形（HPT）[8-9]等一系列大塑性变形（SPD）[10]方法，这些工艺是晶粒细化获取高性能材料的有效方法，甚至可以使材料获得超塑性[11-13]。

近年来，通过多向锻造（MDF）改变加载方向来发挥镁合金孪生的作用引起了研究者的广泛关注。多向锻造主要是通过变形引入[10-12]不同方向的孪生片层及后续的再结晶机制来细化晶粒、弱化织构，从而产生不同的强化效果[13-18]。然而，这些大塑性变形方法主要集中在高温下变形，材料在加工过程中对于温度的精确控制明显降低了生产效率。室温多向锻造的最大优点在于材料加工环境无需加热，比热成形不易产生氧化，操作方便，且在低温下更容易通过产生大量孪晶分割细化晶粒。若此工艺能够得到广泛研究并应用于生产，则会进一步降低成本。虽然目前已有部分关于镁合金多向锻造的研究，但都集中在350 ℃以上，在室温状态下的研究相对较少。Miura等[19-21]在室温下通过0.1应变对AZ80镁合金进行多向锻造，获得了晶粒细化、分布均匀的组织，屈服和抗拉强度得到显著提升，得到了平均尺寸0.3 µm的超细晶。宋广胜等[22]分析了不同压缩方式引入的孪晶，在室温多向锻造中对AZ31镁合金各向异性和塑性的影响。蒋莉萍等[23]发现，AZ31镁合金在室温多向锻压下累积应变增加，在后续退火过程中再结晶数量增大。吴文昊等[24]研究发现，ZK60镁合金室温多向锻造过程的位错是产生显著加工硬化的原因。

AZ80镁合金的强度高、耐蚀性较好，价格较低，冶炼工艺简单，质量容易控制且工业应用广泛。以AZ80为研究对象，通过对比不同道次变形量、累积应变对镁合金室温多向压缩时力学性能的影响，探究了更佳的加工工艺。

1 实验方法

采用直径为100 mm的挤压态AZ80镁合金棒料（化学成分Al、Zn、Mn、Si的质量分数分别为7.5%～ 8.5%、0.3%～0.7%、0.17%、0.1%，Mg为余量），预先进行375 ℃、10 h均匀化处理，均匀化处理前后的微观组织见图1。由图1可知，挤压态AZ80镁合金在原始晶粒的晶界上有大量的粗大第二相存在，不利于塑性变形；均匀化处理之后晶粒尺寸有所增加，但大多数第二相已溶入基体，有利于塑性变形的进行。将均匀化处理后的镁合金棒料通过线切割，沿其外圆加工出12 mm（ED）×11 mm（TD）×10 mm（RD）的试样，如图2所示。

实验在Instron3382万能力学试验机上完成。选择单向压缩及道次变形量分别为0.05、0.075、0.1的4组试样进行试验，为了避免线切割裂纹对压缩过程产生影响，各个表面都用砂纸打磨光滑，然后在试验机上分别沿轴循环往复进行室温多向压缩，压缩速率为0.01 mm/s，电脑自动记录下位移−载荷曲线，再利用Origin绘图软件转换输出真应力−应变曲线和真应力与累积应变的关系图。采用光学显微镜观察室温多向压缩的试样，变形后试样沿最终压缩方向切割为2部分，剖面为观察面。将剖面经砂纸打磨后在型号MP−2A型抛光机进行机械抛光。采用UHLVmh−002 型维式显微硬度计对原始挤压态试样、室温多向锻造试样进行维氏硬度测试，加载载荷为200 N，加载后进行12 s的保压。在测试面分别选取10个点进行测试，将测试值中的异常数值剔除之后计算平均值，得到每个试样的硬度值。

图1 均匀化处理前后AZ80镁合金显微组织

图2 多向压缩示意图和试验试样

2 结果与分析

2.1 道次变形量对塑性的影响

不同道次变形量的AZ80镁合金压缩真应力−应变曲线见图3，由于镁合金的密排六方晶体结构，导致其在室温时塑性极差。在单向压缩试验时，试样进入屈服阶段后孪生和基面滑移在后续塑性变形中占据主导地位。由图3a可知，是典型拉伸孪晶产生的应力−应变曲线[25]，试样在屈服后应力开始上升，变形至真应变为0.124左右时发生开裂，此时的真应力为369 MPa。道次变形量为0.05时不同变形道次的真实应力−应变曲线见图3b，可以看出，在第46道次（累积应变达到2.3）时试样仍未开裂，相比于第1道次，真应力由177 MPa提高到315 MPa。继续压缩至第148道次（累积应变7.5），试样仍未发生开裂，真应力值达到了410 MPa，并已趋于平稳。随变形道次增加应力迅速上升，在多向压缩的过程中产生了加工硬化。当道次变形量增加至0.075和0.1时（图3c—d），随着变形道次增加，试样的屈服应力及真应力上升幅度升高。当道次变形量为0.075时，第46道次和第80道次的曲线趋于一致，最大真应力相近。当道次变形量为0.1时，试样在第37道次（累积应变3.7）时发生开裂。

AZ80在不同道次变形量下的累积变形极限见表1。由表1可知，相比于室温单向压缩，多向压缩的累积应变得到显著提升。单向压缩在道次应变量为0.124时发生开裂，最大应力为369 MPa；多向压缩在道次变形量为0.1时累积应变可达到3.7，试样发生开裂时的最大应力为489 MPa。随着道次变形量减小，试样可达到的累积应变进一步提高，当道次变形量为0.075、0.05时累积应变至少可分别达到6和7.5，且试样未开裂，但材料的变形抗力有所下降。多向压缩的特点在于不断改变试样变形的加载轴方向，因而可以有效地弱化织构带来的各向异性影响。在产生孪生初期的变形阶段，通过较小的应变量（≤0.1）不断地改变压缩方向（方向），进行多向多道次循环压缩便可累积相当大的变形量。累积应变为2.4时不同道次变形量的EBSD晶粒形貌见图4。由图4a可知，部分晶粒内部已经出现大量的透镜状拉伸孪晶，不同方向的孪晶彼此分割细化了原始晶粒。随着道次变形量增大，大量晶粒内部产生了更多的孪晶，孪晶间交割作用显著增强，对原始晶粒整体碎化效果更加明显。在道次变形量较小时，孪晶的面积百分数减少，表明位错运动不激烈，应变硬化不明显，从而保留了相对较高的塑性，可以实现更多道次的变形，且保持不开裂。

图3 不同道次下真应力−应变曲线

表1 不同道次变形量室温多向压缩成形极限

Tab.1 Limit of multi-directional compression molding at room temperature with different pass deformation amounts

图4 累积应变为2.4时不同道次变形量的EBSD晶粒形貌

2.2 道次变形量对真应力−应变的影响

不同道次变形量在室温多向压缩下的真应力和累积应变关系曲线见图5。由图5可知，随着累积应变增加，合金在多向压缩时的真应力持续上升。在不同方向的压缩道次应力曲线呈现的趋势，可以分为应力随累积应变增加而急剧增大的Ⅰ阶段（累积应变0.05～0.6）、缓慢增加的Ⅱ阶段（累积应变0.65～1.5）和保持基本稳定的Ⅲ 阶段（累积应变高于1.5）等3个阶段。在道次变形量为0.05的第1次压缩时，沿轴（ED方向）的真应力达到了177 MPa，而在随后的第2、第3道次沿和方向压缩时，真应力有所下降，分别为161、162 MPa，这是由于变形镁合金试样存在基面织构（ED方向）产生的各向异性所致。当变形进行到第4至第6道次时，第4道次沿方向压缩的真应力达到224 MPa，相比第1道次提升明显，增长了26%；在第5、第6道次压缩时，真应力仍然相差不大，低于第4道次（方向），但仍高于前三道次，分别为182、181 MPa。说明经过6个道次、累积应变0.3、道次变形量为0.05的多向压缩后已经产生了加工硬化，材料的强度得到明显提升。从第10至第12道次（累积应变0.6）开始，试样进入应力缓慢上升的Ⅱ阶段，沿3个方向压缩时的真应力相比第1至第3道次分别提升了51%、44%和53%，而且从此刻开始，方向的压缩应力高于方向，方向的应力增加幅度最大，且逐渐靠近方向，直至应力稳定的Ⅲ 阶段。在真应力稳定时，方向压缩的真应力分别为315、278、302 MPa，相比第1至第3道次分别提升了78%、73%和86%。镁合金的真应力增幅速率沿轴方向最大，沿轴方向最小。

当道次变形量增加至0.075时，第1轮变形第1道次至3道次的真应力分别为269、263、260 MPa。其中，依然是沿方向应力最大。在第4至第6道次时，沿方向压缩的真应力分别为310、292、305 MPa，在同样的累积应变（0.45）下，应力相比于道次变形量0.05时提升幅度明显。方向的真应力提升幅度最大，曲线介于两曲线方向之间。在进入Ⅲ阶段时（累积应变高于2.925），变形后期的真应力为425、393、415 MPa，比第1至第3道次分别提升了58%、49%、60%，方向的应力提升幅度依然最大，方向最小。在Ⅲ阶段同样的累积应变下，相比于道次变形量0.05，分别提升了35%、41%、37%。当道次变形量进一步增大到0.1时，3个方向的真应力相比于道次变形量0.05和0.075时继续增大，可以观察到，在一个完整的多向锻造过程中（第1至第3道次），应力分别为337、310、307 MPa，已经高于道次变形量0.05的变形后期（累积应变1.5～3.6）所达到的应力稳定状态值；当进入Ⅲ阶段时（累积应变高于2.4），3个方向的真应力分别为488、442、473 MPa，相比于第1至第3道次分别提升了45%、43%、54%。由图5可知，3种不同道次变形量下随着变形程度的增加，方向的应力始终保持最大，方向在变形初期的应力基本保持一致，但随着累积应变增加，沿方向压缩的应力增长速率最大，其应力高于方向、低于方向。同时，在不同道次变形量下，3个阶段的变化幅度并不相同，3个道次变形量下进入应力稳定的Ⅲ阶段，其累积应变分别为1.5、2.925和2.4。随着道次变形量增加，进入应力稳定阶段所需的累积应变呈现先增加后减少的趋势。

2.3 道次变形量对硬度的影响

多向压缩不同道次变形量的硬度与累积应变的关系曲线见图6，固溶后未变形的初始试样硬度为70HV，可以看出，经过多向压缩后试样的硬度均得到了不同程度提升。当道次变形量为0.05时，经过6道次（累积应变0.3）时试样的硬度值达到80HV，与未变形试样相比提升了14%，试样产生了一定的加工硬化。随着累积应变增加，在累积应变为1.2、2.4、3.6时硬度（HV）分别为86、90和94，较未变形试样硬度持续增大，但硬化增幅逐渐下降。当道次变形量为0.075、累积应变0.45时，变形试样的硬度已达到93HV，相比于未变形试样提高了33%，并且与道次变形量0.05变形结束时的硬度持平。随着累积应变继续增加至3.6时，硬度为110HV，较未变形试样硬度提升了57%，同样硬化增幅也明显下降。当道次变形量进一步增至0.1、累积应变为0.6时，变形试样的硬度为98HV，此时试样的硬度已经超过了道次变形量为0.05时最终变形后的硬度。当累积应变为3.6时，硬度达到121HV，较未变形试样提升了73%。与道次变形量为0.05的硬度曲线相比，道次变形量为0.075和0.1的提升幅度更加明显和相近。由图6可知，在室温多向压缩时，随着累积应变增加试样硬度也随之提高。同时，随着变形程度增加，相同累积应变下的硬度增幅逐渐下降，增幅速率呈现先快后慢2个阶段。道次变形量增加可以显著提高试样硬度，与累积应变相比，道次变形量对试样硬度的提升占主导地位。

图5 不同道次变形量下的真应力与累积应变关系曲线

图6 不同道次变形量的硬度与累积应变曲线

3 结论

1）在室温下AZ80镁合金单向压缩真应变达到0.124时发生开裂，而在多向压缩过程中使用小道次变形量可以使累积应变达到3.6以上。道次变形量越小，试样可累积的应变越大，塑性越好。

2）随着道次变形量和累积应变增大，在室温多向多道次压缩中、、等3个压缩方向的真应力不断增大。AZ80镁合金棒材的各向异性使沿、、等3个方向上压缩的真应力大小并不相同，存在一定差异。在整个变形过程中，沿初始压缩方向轴（ED方向）的真应力始终保持最大，沿轴方向的真应力增幅最快。在相同累积应变下，增加道次变形量可以显著提高试样的压缩真应力。道次变形量大小对真应力的提升起主导作用。

3）室温多向压缩的道次变形量和累积应变增加可以有效提高试样硬度。随着累积应变增加，在不同道次变形量下，试样硬度的上升速率均呈现先快后慢2个阶段。道次变形量对试样硬度的影响比累积变形量更大。

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Effect of Deformation Amount of Multi-directional Compression Passes at Room Temperature on Mechanical Properties of AZ80 Magnesium Alloy

WEI Zeng, ZHANG Bao-hong, WU Zhuo-yang, HE Jin-wen

(School of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

This work aims to explore the effect of plastic deformation at room temperature on the mechanical properties of AZ80, such as plasticity, hardness and maximum stress, so as to provide a basis for the formulation of its forming process parameters. After homogenization treatment of extruded AZ80 magnesium alloy, multi-directional and multi-pass compression deformation was carried out at room temperature by controlling the deformation amount (0.05, 0.075, 0.1) and the accumulated strain. The effect of pass deformation amount and accumulated strain on its mechanical properties was analyzed by mechanical testing machine and Vickers hardness tester. At room temperature, the AZ80 magnesium alloy was cracked when the true strain reached 0.124 in unidirectional compression, and the accumulated strain could be increased to at least 3.6 or more by multi-directional and multi-pass compression with small strain. When the deformation amount of the pass was 0.05, 0.075, and 0.1, the accumulated strain could reach 7.5, 6, and 3.7, respectively. When the accumulated strain was 3.6, the hardness of the sample reached 94HV, 110HV, and 121HV with the increase of the deformation amount of the pass, respectively, increasing by 33%, 57%, and 73% compared with the hardness (70HV) of undeformed sample. The multi-directional and multi-pass compression at room temperature is beneficial to improving the plasticity and the mechanical properties of the AZ80 magnesium alloy. The plasticity increases with the decrease of the pass deformation, the hardness and the maximum stress increase with the increase of the pass deformation and the accumulated strain, and the pass deformation has a greater effect on the hardness and the maximum stress than the accumulated strain.

grain-refinement; magnesium alloy; room temperature; multi-directional compression; extrusion; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.010

TG146.2+2

A

1674-6457(2023)01-0079-07

2022−05−31

2022-05-31

山西省留学回国人员科技活动项目（20120303ZX)；太原市人才专项（120247−14）

Science and Technology Activity Project for Returned Overseas Chinese in Shanxi Province (20120303ZX); Taiyuan Talent Project (120247-14)

魏增（1996—），男，硕士生，主要研究方向为金属塑性成形与改性技术。

WEI Zeng (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: metal plastic forming and modification technology.

张宝红（1971—），男，博士，教授，主要研究方向为金属塑性成形与改性技术。

ZHANG Bao-hong (1971-), Male, Doctor, Professor, Research focus: metal plastic forming and modification technology.

魏增, 张宝红, 吴卓阳, 等. 室温多向压缩道次变形量对AZ80镁合金力学性能影响[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 79-85.

WEI Zeng, ZHANG Bao-hong, WU Zhuo-yang, et al. Effect of Deformation Amount of Multi-directional Compression Passes at Room Temperature on Mechanical Properties of AZ80 Magnesium Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 79-85.