軋制Mg-3Al-1Zn合金微觀組織對力學性能的影響

苗 青

(上海電機學院 機械學院， 上海 200240)

軋制Mg-3Al-1Zn合金微觀組織對力學性能的影響

苗 青

(上海電機學院 機械學院， 上海 200240)

研究了軋制Mg-3Al-1Zn合金的動態再結晶組織、晶粒尺寸、織構分布和力學性能。結果表明，晶粒尺寸、晶粒大小均勻程度、再結晶組織份數及織構分布共同影響合金的力學性能。晶粒尺寸和織構類型相同時，形變組織份數越高，屈服強度越高；細小晶粒和均勻的晶粒分布易于獲得高延伸率；{0002}基面織構對軋制合金屈服強度的各向異性有顯著影響。

Mg-3Al-1Zn合金; 軋制; 動態再結晶; 織構; 力學性能

鎂合金具有比剛度和比強度高、導熱性能優、阻尼減震和電磁屏蔽效果好、易于機械加工性能等諸多優點，許多鎂合金構件已經在航天、交通及3C等領域得到應用[1-3]。當下，世界范圍內多種傳統資源消耗嚴重、能源緊張，各國都日益重視鎂合金材料的制備和應用，金屬鎂的使用量以每年約20%的速率增長[4]。但密排六方的晶格結構，決定了鎂合金低溫塑性變形能力十分有限，為獲得良好的力學性能和尺寸穩定性往往需要進行熱加工成形[5]。

鎂合金的層錯能較低，在熱變形過程中主要發生動態再結晶。動態再結晶具有明顯的晶粒細化效果和軟化作用，可以有效控制變形鎂合金的顯微組織、提高塑性成形能力[6-8]。變形過程中鎂合金發生動態再結晶的同時其晶粒取向也會呈現出方向性，即形成織構。

為了提高變形鎂合金的力學性能，已有一些學者采用等徑角擠壓，往復擠壓等塑性成形方法開展顯微組織對力學性能的影響規律研究[9-11]，這些方法通常具有明顯的晶粒細化效果，但是難于獲得大尺寸的材料，且工藝設備的局限性較大，無法進行大規模的工業化生產。變形鎂合金的晶粒尺寸、動態再結晶組織和織構是密切相關并且聯動變化的，已有的研究中往往忽略動態再結晶組織份數而單一地研究晶粒尺寸或織構對于力學性能的影響，這對提高鎂合金的綜合力學性能意義不大。

鎂合金板材適用于成形各種形狀復雜的薄壁零件，但板材力學性能的各向異性會嚴重影響后續的拉深等二次成形的產品質量，通過軋制變形控制微觀組織進一步控制板材的力學性能是鎂合金板材力學性能優化的最佳渠道。本文在變形溫度(400～200℃)和變形量(20%～50%)范圍內系統研究軋制Mg-3Al-1Zn合金的動態再結晶組織、晶粒尺寸、晶粒分布均勻性及織構對力學性能的影響，對鎂合金板材軋制工藝的合理制定、顯微組織和力學性能的有效控制都具有重要意義。

1 實驗及結果

在400℃、300℃、250℃和200℃ 4個溫度下分別進行20%、30%、40%、50%不同變形量的軋制試驗。拉伸試樣的外形和尺寸詳見文獻[7]。拉伸試樣分別沿軋制板材的RD(Rolling Direction)方向和TD(Transverse Direction)方向截取，每個方向上各取3件，運用INSTRON-5569進行拉伸性能測試，應變速率為1×10-3s-1。根據GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行試驗測試方法和數據處理，得到表征鎂合金板材室溫拉伸性能的常用指標： 屈服強度(σs)和均勻延伸率(δ)，相對誤差為±3%。選取板材的TD×RD平面作為顯微組織觀察面，利用Quanta 200 FEG掃描電子顯微鏡獲取樣品中的微觀晶粒取向分布數據。

圖1(a)所示為400℃ 20%變形量軋制板材的晶粒取向分布圖，取向分布圖涵蓋了晶粒的形狀、大小及取向分布信息，圖片不同的晶粒取向用不同的顏色來表示，相鄰晶粒的取向差角>15°時被判定為再結晶組織；統計晶粒尺寸所占比例超10%的數據，以此來表征晶粒大小分布的均勻程度，即晶粒尺寸分布均勻系數。圖1(b)所示為400℃ 20%變形量軋制板材的ND方向反極圖。(軋制板材的板面法向Normal Direction， ND)。圖 1(c) 是400℃ 20%變形量軋制板材的工程應力-應變曲線，如圖所示，橫向的屈服強度高于軋向。運用相同的測試條件和方法對400～200℃不同變形量軋制后的合金板材進行微觀組織和力學性能的測定，軋后板材均形成了明顯的{0002}基面織構。

圖1 400℃ 20%變形量軋制板材的微觀組織和力學性能Fig.1 Microstructure and mechanical properties of the sheets rolled at 400℃ with 20% deformation

2 討 論

2.1動態再結晶組織對屈服強度的影響

對軋制合金的顯微組織和力學性能測試結果研究可知，晶粒尺寸及顯微組織形貌對力學性能均產生顯著影響。一般而言，形變組織會對材料起到形變強化作用，再結晶組織會對材料產生軟化效果。對于多晶體金屬材料而言，其屈服強度和晶粒尺寸滿足于Hall-Petch關系式[12]：

σs=σ0+Kd-1/2

(1)

式中,σs為屈服強度；σ0為單晶體的屈服強度；K是常數；d代表晶粒大小。軋制板材的屈服強度由動態再結晶組織中的再結晶組織份數和軋后板材的晶粒尺寸共同來決定。圖2所示是400～200℃ 溫度區間內不同變形量軋制板材的晶粒尺寸、再結晶組織份數與屈服強度的對應關系。

圖2 400～200℃不同變形量軋制板材的晶粒尺寸，再結晶組織份數和屈服強度Fig.2 Grain size, fraction of recrystallized grains and yield strength of the sheets rolled at 400～200℃

20%變形量軋制時板材未發生充分的動態再結晶，顯微組織中形變組織的份數較高，形變強化作用對屈服強度的影響效果明顯，所以板材的屈服強度最高。變形量超過30%以后再結晶組織份數超過70%，動態再結晶充分，形變組織份數低，形變強化作用弱化，所以，30%、40%、50%變形量軋后板材的屈服強度明顯低于20%變形量軋后板材的屈服強度。30%～50%變形量軋制時，動態再結晶軟化和細晶強化是影響屈服強度的主要因素，不同溫度下屈服強度的變化不完全一致。400℃變形量從30%增加到50%時再結晶組織份數增加，再結晶軟化作用增強，同時晶粒尺寸也不斷增加，根據Hall-Petch關系式可知，晶粒尺寸的增加將導致屈服強度的降低，兩者的綜合作用致使屈服強度隨變形量增加而呈現出不斷降低的趨勢(圖2(a))。300℃、250℃、200℃下變形量從30%增加到50%時，屈服強度表現出上下波動的趨勢；40%變形量軋后合金的晶粒尺寸最小，細晶強化效果強于再結晶軟化效果，故屈服強度最高；50%變形量軋制時再結晶組織份數最高，晶粒尺寸最大，故屈服強度最低。由此可知，軋制板材的屈服強度受再結晶組織份數和晶粒大小的共同影響。

2.2動態再結晶組織對延伸率的影響

顯微組織不僅影響材料的屈服強度同時也強烈影響材料的塑性。圖3所示是400～200℃溫度區間內不同變形量軋后板材的晶粒尺寸、晶粒尺寸均勻系數與延伸率的對應關系。鎂合金變形過程中，動態再結晶組織的出現能夠降低材料的內應力、裂紋形成和擴展的能力，使變形抗力進一步減小，延伸率得到提高[13-14]。

圖3 400～200℃不同變形量軋制板材的晶粒尺寸，晶粒尺寸均勻系數和延伸率Fig.3 Grain size, homogeneous coefficient and elongation of the sheets rolled at 400～200℃

對于多晶體金屬材料而言，晶粒尺寸顯著影響材料的塑性和韌性。晶粒越細小，單位體積內分布的晶粒數目越多，變形就更容易分散到更多的晶粒中去進行。另外，晶粒越細，塑性變形時的位錯滑移距離越小，應變硬化時位錯塞積越少，位錯移動能力的增強使塑性得到提高[16]。如圖3所示，板材橫向和軋向的延伸率隨晶粒尺寸減小表現出不斷增加的大體趨勢，但板材橫向和軋向的延伸率有所差別，并不是晶粒尺寸越細，塑性各向異性越小。除晶粒尺寸以外，塑性還受宏觀變形均勻性和相鄰晶粒協調性等因素的影響，晶粒大小分布越均勻越有利于各晶粒間的協調變形，越有利于獲得高延伸率[15]。如圖3(d)所示，200℃ 40%變形量軋制時晶粒尺寸最細，板材橫向的延伸率為30.3%，軋向的延伸率為39.2%，差別很大。根據晶粒尺寸分布均勻系數可知，50%變形量軋制后板材的顯微組織均勻，軋制板材軋向和橫向的延伸率差別很小。由以上分析可知，細晶且晶粒分布均勻的板材會獲得高的延伸率，同時橫向和軋向間的差別較小。

2.3織構對力學性能的影響

ms=cosλcosφ

(2)

本研究中測試的是軋制板材的室溫拉伸性能，故Schmid因子統計時僅考慮基面{0002}滑移系。用EBSD取向成像技術對400℃ 20%軋制板材中各晶粒的Schmid因子進行標定和計算，統計數據如圖4所示。計算得到沿板材橫向拉伸時平均Schmid因子為0.198，沿軋制方向拉伸時平均Schmid因子為0.233。這表明沿板材軋向進行拉伸時，試樣中有更多的晶粒處于軟位相，更有利于位錯滑移的開動而發生塑性變形，所以軋向的屈服強度低于橫向的屈服強度，這與圖1(c)的拉伸性能測試結果相吻合。

圖4 400℃ 20%變形量軋制板材的Schmid因子分布Fig.4 Schmid factor of grains of the sheet rolled at 400℃ with 20% deformation

圖5所示是400～200℃不同變形量軋后板材屈服強度和Schmid因子的對應曲線。大部分板材的橫向屈服強度高于軋向屈服強度，而橫向的Schmid因子小于軋向Schmid因子。平均Schmid因子越大表明材料中有越多的晶粒處于軟位相，受外力拉伸時更容易達到材料的臨界剪切應力而發生塑性變形，軋向的Schmid因子大于橫向，所以軋向的屈服強度低于橫向。Kaiser等[19]對軋制AZ31鎂合金板材的織構與力學性能進行研究，結果表明軋制板材存在明顯的各向異性，軋向屈服強度比橫向屈服強度低。Agnew等[20]在室溫到250℃溫度區間內系統研究了軋制鎂合金板材的各向異性，結果表明，在整個試驗溫度范圍內橫向的屈服強度均高于軋向的屈服強度。

200℃ 20%和250℃ 20%變形量軋后板材的橫向屈服強度低于軋向屈服強度，這與軋制后沿板材橫向雙峰分布的基面織構有關，部分晶粒的c軸遠離板平面法向而朝板材橫向發生偏轉，橫向的平均Schmid因子較大，故沿板材橫向測試拉伸性能時，有更多的晶粒處于軟位相，優先發生塑性變形，導致板材的橫向屈服強度低于軋向。塑性的各向異性問題很復雜。具有密排六方晶體結構的金屬只有基面滑移時才遵循Schmid定律，但室溫塑性變形時孿生在基面滑移之外也會發生，所以織構對與鎂合金力學性能各向異性的影響還需要深入研究。

圖5 400℃～200℃不同變形量軋制板材的屈服強度和Schmid因子Fig.5 Yield strength and Schmid factor of the sheets rolled at 400℃～200℃

3 結 論

(1) 軋制Mg-3Al-1Zn合金的屈服強度和再結晶組織份數及晶粒尺寸大小均有關。晶粒大小相同時再結晶組織的份數越高，屈服強度越低；再結晶組織份數變化不大時，晶粒尺寸越小屈服強度越高。

(2) 軋制Mg-3Al-1Zn合金的延伸率受晶粒尺寸和晶粒分布均勻程度的共同影響，具有細小晶粒尺寸和均勻晶粒分布的板材易于獲得高的延伸率，并且橫向和軋向之間的差別較小。

(3) 由{0002}基面織構所引起的基面滑移時沿板材軋向和橫向Schmid因子的不同導致板材軋向和橫向屈服強度的差異。沿Schmid因子較大的方向進行拉伸變形更有利于位錯滑移的開動而發生塑性變形，屈服強度更低。

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Influence of Microstructure on Mechanical Properties ofMg-3Al-1Zn Alloy Produced by Rolling

MIAOQing

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240， China)

Relationship among grain size, fraction of recrystallized microstructure, texture and mechanical properties of the as-rolled Mg-3Al-1Zn alloys were studied. The results show that mechanical properties of the as-rolled alloys depend on its grain size, homogeneity of microstructure, recrystallized microstructure volume and texture type. With a given grain size and texture, strength can be enhanced by increasing fraction of the deformed microstructure. Elongations of as-rolled alloys were improved due to distribution of the heterogeneous microstructure and grain refining. The {0002} texture distribution has an important effect on anisotropy of yield strength of asrolled alloys.

Mg-3Al-1Zn alloy; rolling; dynamic recrystallization; texture; mechanical property

2014 - 12 - 08

上海高校青年教師培養計劃項目資助(13AZ16)；上海市教育委員會上海高校知識、服務平臺建設項目資助(ZF1225)；上海電機學院科研啟動經費項目資助(13C416)；上海電機學院重點培育項目資助(12C109)

苗 青(1981 - )，女，講師，博士，主要研究方向為材料成形工藝及模具設計，E-mail： miaoqing@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)06 -0317 - 07

TG 146.2

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