預處理對高應變速率軋制鎂合金板材組織均勻性和力學性能的影響＊

嚴紅革，田 津，朱素琴，陳吉華，蘇 斌，吳遠志

（湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082）

鎂合金是最輕的金屬結構材料，在航天航空、汽車、電器、通訊等各領域具有廣泛的應用前景.但由于鎂為密排六方晶體結構，滑移系少，不能滿足均勻變形的要求，塑性變形時極易開裂，特別是鎂合金軋制板材的制備尤為困難[1].目前對鎂合金的軋制一般采取擠壓板坯，進行小應變多道次軋制，道次壓下量一般不超過30%，且道次間需反復加熱[2－3].因此，鎂合金板材的制備過程效率很低，成本很高，不適合工業化生產.同時，常規軋制鎂合金板材的晶粒尺寸在10～40μm之間[2－3]，難以實現進一步的晶粒細化.然而，晶粒細化是提高材料強度和塑性的最有效手段.

大塑性變形是晶粒細化的有效手段.近年來，一些研究者采用大應變軋制工藝（Severe Rolling），即大道次應變軋制（道次應變量可達60%～80%），成功制備出細晶高強高韌鎂合金板材，大大提高了板材的生產效率[4－6].但在這些研究中，經過大應變速率軋制板材的微觀組織并不均勻，降低了板材組織的可控性[3].

大應變軋制過程顯然與傳統的小應變多道次軋制過程存在本質的區別.本課題組的前期工作表明[7]，大應變軋制之所以能夠成功進行，主要歸因于其與傳統軋制過程不同的變形機制.在大應變軋制過程中，大量孿生（Twinning）和動態再結晶（Dynamic Recrystallization，DRX）為變形前期和變形后期最重要的兩種變形機制，二者在變形過程中消耗大量的變形儲能，降低晶界處的應力集中程度，抑制裂紋的產生，從而使得變形得以順利進行.事實上，由于孿生和動態再結晶過程受應變速率的影響要大于受應變的影響，故大應變軋制被更準確地命名為高應變速率軋制（High Strain Rate Rolling，HSRR）.

本文通過對軋制坯料進行不同的預處理，來實現高應變速率軋制板材的組織均勻性，以便找到控制其組織均勻性的有效途徑.

1 實驗過程

本文的原材料為普通鐵模鑄造的AZ31（wMg－3%wAl－1%wZn－0.3%wMn）鎂合金.高應變速率軋前，采用兩種方式對原材料進行預處理.第一，對坯料尺寸為70 mm×70mm×10mm的鑄態AZ31在390℃下均勻化處理8h，記為均勻化態（Homogenized）.第二，對坯料尺寸為70mm×70mm×13mm鑄態AZ31先進行小應變量的預變形，再進行短時均勻化處理，記為預變形＋均勻化態（Pre－strained＋Homogenized）.先對厚13 mm的鑄態板材采用4道次小應變軋制，得到10mm厚板材，再對這種經過預變形的坯料在390℃下均勻化處理4h.

對均勻化態和預變形＋均勻化態坯料進行相同工藝的高應變速率軋制，獲得高應變速率軋制板材.軋前坯料預熱至300℃，軋輥未加熱.對預熱坯料進行單道次高應變速率軋制，直接從10mm軋至2 mm，應變量為80%，平均應變速率為9.1／s.軋制平均應變速率按下式進行計算：

式中H為板材原始厚度10mm，h為板材終軋厚度2mm，v為軋輥圓周速度430mm／s，R為軋輥半徑180mm.

在Leitz MM－6型臥式光學顯微鏡上對坯料和軋制板材進行微觀組織觀察，浸蝕劑為苦味酸溶液（5g苦味酸＋5g冰醋酸＋80mL無水乙醇＋10 mL水）.在WDW－E200型微機控制電子萬能試驗機上對軋制板材進行室溫拉伸，拉伸方向平行于軋制方向（Rolling Direction，RD），拉伸初始應變速率為5.6×10－4／s.

2 結果與討論

2.1 微觀組織分析

鑄態AZ31原始坯料的微觀組織如圖1所示.可以看出，鑄態AZ31坯料的晶粒很大，超過300 μm，晶界上分布著偏析造成的不連續 Mg17Al12共晶相.

均勻化態和預變形＋均勻化態AZ31坯料的微觀組織如圖2所示.鑄態AZ31經過均勻化處理后，晶界上的第二相消失，獲得了成分較均勻的軋前組織，如圖2（a）所示.經過預變形后再進行均勻化處理，晶粒沿軋制方向拉長，且存在一些較小的晶粒，整體晶粒尺寸遠小于均勻化態的，晶界上的第二相偏析消失，如圖2（b）所示.

高應變速率軋制板材的宏觀照片如圖3所示.可以看出，板材表面光潔，成形良好，沒有表面裂紋，但存在一定程度的邊裂，這可以通過機加工的方式除掉，也可以通過改善軋輥形狀等來進行改善.

圖1 原始鑄態AZ31坯料的微觀組織Fig.1 Microstrure of the as－casted AZ31cast billet

圖2 預處理態坯料的微觀組織Fig.2 Microstructures of the pre－treated billets

圖3 高應變速率軋制板材宏觀形貌Fig.3 Macrograph of the high strain rate rolled sheet

圖4為不同預變形坯料通過高應變速率軋制所獲得板材的微觀組織，軋制方向平行于標尺方向.鑄態均勻化處理后進行高應變速率軋制的板材呈現一種混合態的微觀組織，細晶環包圍著略大的晶粒.其中細晶環中的晶粒尺寸為0.5μm，環內略粗的晶粒尺寸約為2.5μm.從圖4（a）中可以看出，細晶環沿軋向被拉長，這與晶界在軋制過程中的變形很類似，因此可以認為細晶環由原始晶界附近組織演變而來.而預變形＋均勻化后再進行高應變速率軋制的板材的晶粒組織非常均勻，板材的平均晶粒尺寸為2.3μm，如圖4（c）和4（d）所示.相對于傳統軋制工藝[8]，高應變速率軋制能高效地制備出組織更加優異的鎂合金板材，它的晶粒更加細小，組織更加均勻.而且均勻化前的預變形使最終高應變速率軋制板材微觀組織的均勻性有很大提高.

圖4 高應變速率軋制板材微觀組織Fig.4 Microstrures of the HSRRed sheets

如前所述，在高應變速率軋制過程中，孿生和動態再結晶是兩種最重要的變形機制[8].經預變形和均勻化處理后，在高應變速率軋制過程中，板材中所有的孿晶和原始晶界均已轉化為細小均勻的動態再結晶晶粒，這說明板材中發生了均勻的完全動態再結晶形核和晶核的長大.而未經預變形的坯料，在高應變速率軋制過程中，原始晶界附近和原始晶粒內部的孿生或動態再結晶行為顯然存在差異.經預變形后，鎂合金在后續的均勻化處理過程中會發生靜態再結晶，使經過預變形處理的板材晶粒得到細化，晶界面積增加，有利于提高板材組織的均勻性.這樣，預變形＋均勻化后再進行高應變速率軋制的板材組織均勻性更高.

2.2 力學性能分析

圖5為不同預處理坯料高應變速率軋制板材的室溫拉伸流變曲線.均勻化＋高應變速率軋制（Homogenized＋HSRR）板材的屈服強度、極限抗拉強度和斷后伸長率分別為233MPa，311MPa和21%；預變形＋均勻化＋高應變速率軋制（Prestrained＋Homogenized＋HSRR）板材的屈服強度、極限抗拉強度和斷后伸長率分別為224MPa，298MPa和28%.可以看到，兩種預處理坯料經高應變速率軋制后，均能同時獲得高強度和高塑性，這歸因于板材細小的晶粒組織.經過預變形處理，板材的強度略有下降，但伸長率得到進一步提高，說明板材組織均勻性的提高有利于塑性的提高.與傳統軋制工藝相比[8]，高應變速率軋制工藝在提高板材的伸長率的同時，也使得板材的屈服強度和極限抗拉強度得到了很大程度地提高.

圖5 高應變速率軋制板材室溫拉伸流變曲線Fig.5 Flow curves of sheets tensioned at ambient temperature

3 結 論

本文對鑄態AZ31鎂合金進行兩種不同的預處理后，再進行高應變速率軋制，并對所得板材的組織性能進行對比，結論如下：

1）經高應變速率軋制，鎂合金板材能獲得細小的晶粒組織.而經過預變形＋均勻化預處理，再經高應變速率軋制，可得到分布極均勻的細小晶粒組織，其平均晶粒度為2.3μm.

2）高應變速率軋制板材均具有高強度和高塑性.而預變形＋均勻化＋高應變速率軋制板材由于組織均勻性的提高，塑性得到進一步提高，其室溫伸長率可達28%.

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