鑄態AZ31鎂合金熱壓縮過程中的再結晶行為

肖 凱

（上海飛機設計院，上海200232）

鑄態AZ31鎂合金熱壓縮過程中的再結晶行為

肖 凱

（上海飛機設計院，上海200232）

利用Gleeble－1500在溫度200～500℃和應變速率0.001～1s－1范圍內對鑄態AZ31鎂合金進行熱壓縮實驗，并對動態再結晶行為進行研究?；跍囟龋瓚兯俾实淖兓幝桑╖ener－Hollomon參數，Z參數），分析了形變溫度和應變速率對鑄態AZ31鎂合金組織結構的影響規律。結果表明：動態再結晶發生后，再結晶晶粒尺寸隨著形變溫度的降低而減小。隨著Z值的增加，動態再結晶作用增強，形變組織細化。為了便于工程應用的參考，給出了相應的熱加工三維圖。

鎂合金；動態再結晶；熱變形；Z參數

鎂及其合金是目前最輕的金屬結構材料，具有密度低、比強度和比剛度高、阻尼減震性好、導熱性好、電磁屏蔽效果佳、機加工性能優良、零件尺寸穩定、易回收等優點，在航天航空、汽車、計算機、電子、通訊和家電等行業已有多年的應用歷史。近年來，隨著汽車輕量化和環保要求的不斷提高以及能源日趨緊張等原因激發了人們對鎂及其合金的極大興趣［1］。由于鎂為密排六方結構，室溫下塑性加工性能差，形變時易發生脆裂，大部分鎂合金零件采用鑄造成型［2］。形變條件特別是形變溫度和應變速率對鎂合金的塑性成形能力影響很大［3－5］。采用較高溫度及低應變速率的塑性加工方法有利于鎂合金制品的塑性成形。在熱變形過程中，鎂合金由于層錯能較低，容易發生動態再結晶，而動態再結晶作為一種重要的軟化和晶粒細化機制，對控制鎂合金的變形組織、改善其塑性變形能力、提高力學性能具有十分重要的意義［6］。

目前，對鎂合金的熱變形研究主要集中在流變應力和應變速率及形變溫度之間的關系上［7－10］。而關于鎂合金熱變形參數與動態再結晶微觀組織演變之間關系的研究較少，因此，本工作利用Gleeble－1500熱模擬實驗機對鑄態AZ31鎂合金在熱壓縮過程中動態再結晶行為進行了研究，為制定合理的熱加工工藝，有效地控制產品的組織性能，提高產品的質量提供可靠的實驗支持。

1 實驗條件及方法

實驗材料采用鑄態AZ31鎂合金，名義成分（質量分數）為3%Al，1%Zn，Mn≤0.2%，其余為Mg。鑄態試樣的平均晶粒尺寸為230μm，如圖1所示。試樣加工成Φ10mm×15mm的圓柱體。壓縮試驗在Gleeble－1500熱模擬實驗機上進行，實驗條件為：溫度為200～500℃，應變速率為0.001～1s－1。進行壓縮前以5℃/s升至變形溫度，保溫2min消除試樣內部溫度梯度，在試樣端面涂抹潤滑劑以減小摩擦力影響。壓縮結束后，對試樣進行水冷，保留變形組織。壓縮后的試樣沿軸截面切開，表面經研磨、拋光、腐蝕處理后，用金相顯微鏡觀察顯微組織。利用截線法計算平均晶粒尺寸，數點法計算動態再結晶分數。

圖1 鑄態AZ31鎂合金的組織Fig.1 The initial microstructure of as received as－cast AZ31alloy

2 實驗結果與討論

2.1 流變應力特征

圖2所示為AZ31鎂合金在等應變速率、不同形變溫度下壓縮的應力應變曲線。從流變應力曲線可以看出鎂合金的流變應力對溫度的變化很敏感。鎂合金在壓縮變形初期表現出加工硬化，應力迅速增加到一個峰值；隨著應變增加，鎂合金表現出明顯的軟化特征，應力逐漸減小，最終達到穩態流動。應力達到峰值后曲線趨勢下降的原因是鎂合金在變形過程中發生了動態再結晶。鎂合金較之鋁等金屬具有低的層錯堆垛能，因此在變形初期容易發生動態再結晶，再結晶后晶粒得到細化，流變應力下降。隨著變形增加，鎂合金的動態再結晶軟化大于加工硬化，流變應力逐漸達到一個穩定值，曲線趨于平緩。并且，熱變形過程中，鎂合金不同滑移系的臨界分切應力隨溫度的變化不同，基面滑移的臨界分切應力幾乎不隨溫度改變，而柱面、棱面滑移等非基面滑移的臨界分切應力隨溫度的升高明顯下降［6］，因此，隨著變形溫度的提高，非基面滑移系的臨界切應力下降，可以啟動更多的非基面滑移，導致應變硬化效應削弱，變形抗力下降［6，11］。

圖2 不同應變速率下真應力－應變曲線 （a）0.001s－1；（b）0.01s－1；（c）0.1s－1；（d）1s－1Fig.2 The true stress－strain curves at different strain rates （a）0.001s－1；（b）0.01s－1；（c）0.1s－1；（d）1s－1

溫度和應變速率對流變應力的影響可以表示為［2，11，12］：

式中：A，n，α為與材料有關的常數；R為普適氣體常數；T為絕對溫度；σ為流變應力；Q為變形激活能；為應變速率；Z為Zener－Hollomon參數，其物理意義是溫度補償的應變速率因子，因此，Q可以表示為：根據實驗數據，可以計算出Q的具體數值。此壓縮實驗的平均Q值為156.476kJ/mol。而且，lnsinh（ασ）與lnZ之間的關系由圖3所示，從圖3中可以看出，兩者之間表現出近似線性的關系。這說明AZ31鎂合金的變形是個熱激活過程。

2.2 微觀組織演變規律

圖4表示了AZ31鎂合金在不同形變溫度和應變速率下的金相顯微組織。隨著溫度和應變速率的變化，再結晶晶粒尺寸和分數均發生了變化。當形變溫度在200～500℃時，出現條帶狀的再結晶晶粒。隨著形變溫度的升高，再結晶晶粒變細并且再結晶分數增加。當形變溫度高于450℃時，尤其在低應變速率的條件下，發生了明顯的晶粒長大。

圖3 Z參數與流變應力的關系Fig.3 Flow stress vs Zvalue of the as－cast AZ31alloy

圖4 不同形變溫度（T）和應變速率（ε·）條件下AZ31鎂合金的金相組織Fig.4 Microstructure evolution at different deformation temperature and strain rate of AZ31Mg alloy

鎂合金在經過塑性變形后，內部的空位、位錯等結構缺陷密度增加，以及畸變能升高，使其處于熱力學的不穩定高自由能狀態，而且鎂合金具有較低的堆垛層錯能，它們為再結晶形核提供了有力的條件。隨著溫度的升高，位錯更容易通過運動而實現重組，合金中原子熱振動及擴散速率增加，位錯的滑移、攀移、交滑移及位錯節點脫錨比低溫時更容易，因而動態再結晶的形核率增加［13，14］。在低應變速率下，能夠為再結晶提供更多的時間，隨著溫度的升高，晶界將具有更高的遷移率，這也為動態再結晶的形核和晶粒長大提供了有利條件。因此，在高溫低應變速率下，AZ31鎂合金更易發生動態再結晶。

由金相分析可知，熱加工過程中，成形溫度和應變速率與AZ31鎂合金的動態再結晶分數（VDRX－G）及晶粒尺寸（dDRX）有著緊密的聯系。圖5和圖6分別給出了Z參數與動態再結晶分數（VDRX－G）及晶粒尺寸（dDRX）的關系：

其中B，C為常數，Z值與動態再結晶分數及晶粒尺寸的自然對數呈線性關系：較大的Z值有利于完全再結晶及其晶粒的細化。圖6為熱加工三維圖，進一步表明平均晶粒尺寸、形變溫度和應變速率的變化規律。

3 結論

（1）鑄態鎂合金在壓縮變形中表現出動態再結晶的特征，流變應力隨著溫度的上升而下降，應力正弦函數的對數與Z參數的對數具有近似線性關系。

（2）動態再結晶發生后，再結晶晶粒尺寸隨著溫度的降低而減小。隨著Z值的增加，動態再結晶作用增強，變形組織得到細化。

（3）依據熱加工變形三維圖（形變溫度、應變速率和再結晶晶粒平均尺寸），選擇合適的參數，通過塑性加工可獲得組織細小致密的組織。

［1］ SCHUMANN S，FRIEDRICH H.Current and future use of magnesium in the automobile industry［J］.Materials Science Forum，2003，419－422：51－56.

［2］ MCQUEEN H J，MYSHLAEV M，SAUERBORN M，et al.Magnesium technology［M］.Warrendale：TMMMS，2000.

［3］ 胡麗萍，郭領，王鵬，等.AZ31B鎂合金的熱壓縮變形研究［J］.材料熱處理技術，2008，37（12）：23－25.

［4］ 孫付濤，陳拂曉，郭俊卿，等.鑄態AZ31B鎂合金熱壓縮流變應力［J］.鍛壓裝備與制造技術，2008，（3）：73－76.

［5］ 張曉華，姜巨福，羅守靖.AZ91D鎂合金的熱壓縮變形行為［J］.中國有色金屬學報，2009，19（10）：1720－1725.

［6］ 陳振華.變形鎂合金［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［7］ 丁睿，蔡慶伍，魏松波.變形參數對AZ31鎂合金變形抗力的影響［J］.北京科技大學學報，2008，30（3）：258－262.

［8］ 毛建軍，潘復生，陳先華，等.ZK60鎂合金的熱壓縮變形行為［J］.材料導報，2010，24（2）：58－62.

［9］ 胡燕輝，李建國，譚敦強，等.細晶AZ31鎂合金高溫壓縮變形行為的研究［J］.航空材料學報，2010，30（1）：36－40.

［10］ 張丁非，方霖，段紅玲，等.ZM61鎂合金的熱變形行為［J］.材料熱處理學報，2011，32（4）：25－29.

［11］ AVEDESIAN M M，BAKER H.Magnesium and Magnesium Alloys，ASM Speciality Handbook［M］.OH：ASM International，Metals Park，1999.

［12］ TAN J C，TAN M J.Dynamic continuous recrystallization characteristics in two stage deformation of Mg－3Al－1Zn alloy sheet［J］.Mater Sci Eng A，2003，339（1）：124－132.

［13］ HUMPHREYS F J，HATHERLY M.Recrystallization and related annealing phenomena（second edition）［M］. Oxford，UK：Pergamon，1999.

［14］ Al－SAMMAN T，GOTTSTEIN G.Dynamic recrystallization during high temperature deformation of magnesium［J］.Mater Sci Eng A，2008，490（3）：411－420.

Recrystallization of As－cast AZ31Magnesium Alloy During High Temperature Compression

XIAO Kai
（Shanghai Aircraft Design Institute，Shanghai 200232，China）

High temperature compression tests at a temperature range of 200－500℃with various strain rates 0.001－1s－1on a conventional as－cast AZ31were carried out using a Gleeble－1500dynamic material testing machine.The effects of deformation temperature and strain rate on microstructure evolution of the as－cast AZ31magnesium alloy were analyzed by introducing temperature－compensated strain rate（Zener－Hollomon parameter，Zvalue）.The results of the microstructure observations indicate that as the volume fraction of DRX grains increased，the size of DRX grain size is decreased.The mean size of the DRX grains decreases and the volume fraction of DRX grains increase with an increase of Zvalue.The three dimensional graph has been established to provide a clear guideline for forming craft selection.

magnesium alloy；dynamic recrystallization；high temperature compression；Zparameter

TG301

A

1001－4381（2012）02－0009－04

2011－07－18；

2011－11－20

肖凱（1982－），男，碩士研究生，工程師，主要從事商用飛機機體結構材料應用研究及管理，聯系地址：上海市云錦路5號（200232），E－mail：xiaokai＠comac.cc