AZ31鎂合金軋制板材各向異性力學性能研究

石寶東，彭 艷，韓 宇，劉子龍（1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北秦皇島066004；2.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島066004）

AZ31鎂合金軋制板材各向異性力學性能研究

石寶東1，2，?，彭 艷1，2，韓 宇1，2，劉子龍1，2
（1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北秦皇島066004；2.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島066004）

摘 要：在幾種厚度的AZ31鎂合金軋制板材上沿不同方向取樣進行常溫單向拉伸和壓縮實驗，研究了AZ31鎂合金軋制板材的各向異性力學性能。基于晶體塑性理論，探討了織構對金屬板材宏觀各向異性的影響。分析表明，軋制鎂合金板材具有明顯的各向異性力學性能及拉壓不對稱性。在軋制（RD）方向的抗壓及抗拉屈服強度明顯小于橫向（TD），各個方向的抗拉屈服強度明顯大于抗壓屈服強度。不同軋制工藝對板材的力學性能影響較顯著，主要表現在屈服應力不同和延伸率不同。基于實驗結果與晶體塑性理論，本文從多角度分析了軋制工藝對AZ31鎂合金各向異性力學性能及拉壓不對稱性行為的影響。

關鍵詞：AZ31鎂合金；軋制板材；各向異性；孿生；織構

0　引言

由于具有比強度和比剛度高、密度低、抗腐蝕、電磁屏蔽性好等特點，鎂及鎂合金日益廣泛地應用于交通、家電以及通訊領域［1?5］。目前鎂合金產品以壓鑄件為主，變形產品較少。然而，鑄造鎂合金的力學性能不夠理想，產品尺寸形狀受到制約，且容易產生鑄造缺陷，導致其使用范圍受到很大局限［6］。和傳統的鑄造鎂合金相比，軋制鎂合金的力學性能大大提高。但是由于軋制加工工藝導致鎂合金晶體取向以及其自身對稱性較差的特點，使得鎂合金軋板經常表現出較強的各向異性行為［7］。這種行為會導致鎂合金各個方向力學性能有很大差異，在軋制過程中只能采用小壓下量、多道次、多次熱處理等工藝降低各向異性對產品質量的影響。因此，設備投入和單位能耗偏大，次品率過高，進而提高了軋制鎂合金的生產成本，制約了其發展與使用［8］。

對此，國外材料研究工作者已經針對軋制鎂合金的力學性能、加工工藝、化學成分與顯微組織之間的關系展開了一系列研究［9?13］。其中，各向異性行為對后續加工變形工藝具有重要影響，針對AZ31鎂合金軋制板材不同厚度各向異性行為的研究尚不多見，因此，本文以軋制鎂合金為研究對象，針對各向異性行為，試驗確定了4種不同厚度AZ31鎂合金軋制板材沿不同方向的力學性能，研究了AZ31鎂合金軋制板材在室溫下各個方向的屈服行為，并分析了軋制工藝、顯微組織與AZ31鎂合金的各向異性力學性能及拉壓不對稱性行為的關系。

1　實驗方法

實驗用的AZ31軋制板材有4種規格列于表1，化學成分（質量分數）列于表2。

表1　實驗用AZ31軋制板材規格Tab.1　Geometry of the specimens of AZ31　mm

表2　實驗用AZ31軋制板材化學成分Tab.2　Chemical composition of AZ31 rolling sheet　%

對于厚度h＝4 mm、6 mm、8 mm的板材，按照ASTM［14?15］標準選用平板試件進行單向拉伸實驗，標距段長度50 mm。對于厚度h＝14 mm的板材采用d＝12 mm的圓柱形試件進行單向拉伸和壓縮實驗，壓縮試件標距段長度20 mm。分別在TD?RD平面內沿著與板材RD方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的方向切取試樣。見圖1，試樣尺寸見表3。

圖1　單向拉伸試件取樣示意圖Fig.1　Schematic figure of the specimens of tensile test

表3　單向拉伸（壓縮）試件尺寸Tab.3　Gauge of the specimens for tensile and compressive test mm

在INSPECT TABLE100電液伺服材料試驗機上進行單向拉伸實驗，采用位移加載模式，加載速度為1 mm/min。在W1300電子萬能試驗機上進行單向壓縮實驗，同樣采用位移加載模式，加載速度為1 mm/min。

2　結果與分析

2.1試件取向對屈服應力及硬化行為的影響

實驗測得室溫下AZ31軋制板材沿7個方向進行單向拉伸與單向壓縮的屈服應力如圖2所示，抗拉與抗壓強度如圖3所示。

對比發現，這3種實驗板材拉伸時的屈服強度變化趨勢基本一致：TD方向的拉伸屈服強度大于RD方向的拉伸屈服強度，TD方向的壓縮屈服強度小于RD方向的壓縮屈服強度。該現象源于鎂合金在軋制階段形成了很強（0001）的織構［16］，使初始晶粒取向有利于產生拉伸孿生的試件，其屈服強度較低。由于AZ31鎂合金室溫塑性變形機制是（0001）基面滑移和（10?12）錐面（拉伸）孿生［12］，當外加應力垂直于（0001）基面時，基面滑移系無法啟動，使屈服強度升高而塑性降低。由于（10?12）孿晶會導致晶粒沿C軸方向發生變形，所以當壓應力垂直于基面時，拉伸孿晶也較難產生，垂直于基面方向的屈服強度較大。鎂合金在軋制時的應力狀態可以近似簡化為ND方向受壓，RD 及TD方向受拉。研究發現，在軋制過程中鎂合金會形成強烈的（0001）基面織構［12，18］，大部分晶粒C軸指向ND方向，小部分晶粒C軸指向TD方向，只有極少的晶粒C軸朝向RD方向，如圖4所示。而RD方向變形量大于TD方向變形量，使得小部分C軸未完全轉向垂直板面方向的晶粒大多指向TD方向，經過熱軋后鎂合金板材（0002）晶面朝向TD方向的幾率明顯大于朝向RD方向的幾率。因此，TD方向受拉時容易產生拉伸孿晶，從而導致了鎂合金在TD方向的拉伸屈服強度小于RD方向的拉伸屈服強度。

圖2　不同厚度不同方向AZ31鎂合金初始屈服面Fig.2　Initial yield surfaces of AZ31 with different thickness and different directions

圖3　不同厚度AZ31鎂合金單向拉伸、壓縮強度Fig.3　UTS（UCS）of AZ31 Mg alloy with different thickness and different directions

圖4　軋制AZ31板材的織構［19］Fig.4　Texture of AZ31 rolling sheet

研究［19?20］認為，HCP金屬的硬化機制主要有兩類：一是隨著應變增加拉伸孿晶對位錯運動起阻礙作用，從而產生硬化；二是拉伸孿晶使晶體取向轉變，由軟取向轉向硬取向，從而產生硬化。對比同為HCP結構的AZ31與α鈦，其晶胞軸比c/a極為相近（1.623 5和1.633），但是前者的加工硬化率明顯高于后者，如圖5所示。因此，鎂合金的硬化機制不能簡單由以上兩點原因進行解釋。其根本原因是材料基體內部位錯密度迅速增加，位錯纏結在一起，導致動態再結晶滯后發生，呈現出較高的加工硬化現象。

圖5　AZ31與α鈦應力應變曲線Fig.5　Comparison of stress?strain curve between AZ31 and α Ti

2.2拉壓不對稱性

試驗發現，AZ31板材在拉伸和壓縮時的應力應變曲線與強度極限存在明顯不對稱性，如圖6所示。拉伸曲線與其他常規金屬拉伸時應力曲線相似，由曲線可以推斷為韌性斷裂失效［21］。壓縮曲線在加載初期為線彈性，屈服后進入塑形變形階段，首先表現為上凹型，塑性變形累積到一定程度后曲線轉為上凸型，推斷為剪切應力引起的斷裂失效［22］。

圖6　AZ31鎂合金拉伸?壓縮應力應變關系對比Fig.6　Strength differential effect of AZ31 Mg alloy

該拉壓不對稱行為亦稱為Strength Differential effect（即SD效應）。研究表明，當進行單向拉伸且加載方向垂直于C軸時，壓縮孿晶的產生會顯著增加，而在單向壓縮應力垂直于C軸時沒有這種現象，從而導致了SD效應。研究發現，拉伸和壓縮時的屈服應力基本一致，這是由于當加載方向垂直于C軸時AZ31鎂合金中基面滑移最先開動，而基面滑移不會表現出拉壓非對稱行為，因此，屈服應力也沒有表現出拉壓非對稱性。

2.3變形機理對AZ31板材各向異性行為的影響

2.3.1室溫下AZ31鎂合金變形機制

純鎂及大部分鎂合金具有密排六方（HCP）晶體結構。室溫時（0001）基面滑移和（10?12）錐面（拉伸）孿晶是其主要塑性變形機制。現有研究認為，鎂合金中最容易開動的孿晶類型是（10?12）錐面（拉伸）孿晶，而軸比與外力作用方向是決定孿晶能否發生的兩個關鍵因素：當c/a＜1.732時，要發生孿晶變形，需要施加加載方向平行于基面的壓應力或垂直于基面的拉應力。（0001）基面與外加應力垂直時，基面滑移系無法開動，材料塑性下降而屈服應力上升。由于（10?12）孿晶會導致晶粒沿C軸方向發生變形，所以當應力垂直于基面時，拉伸孿晶也較難產生，垂直于基面方向的屈服強度較大。

2.3.2AZ31鎂合金的織構形成及強化機制

由于滑移系分布在基面上，鎂合金變形后易產生較強的基面織構［23］。鎂合金塑性變形時，晶粒在外加應力作用下發生轉動。晶體轉動方向與應力狀態相關，對于鎂合金，在外力作用下，會產生力偶導致晶粒旋轉，然后逐漸轉向硬取向，即基面與主壓應力平行。在拉應力狀態下其滑移方向轉向拉伸方向，在壓應力作用下其滑移方向轉向與壓應力垂直。

鎂合金在軋制時的應力狀態可以簡化為ND方向受壓，RD及TD方向受拉［24］，如圖7所示。研究認為［19?21］，鎂合金在經過軋制后會形成很強的（0001）基面織構，這種織構的形成是由于變形過程中基面滑移和錐面孿晶導致的晶體取向定向改變所致［25］。主要特點是：（RD）軋制面平行于（0001）基面，織構強度隨著板厚減小及軋制溫度降低而升高。冷軋比熱軋在變形時能開動的滑移系更少，易形成更強烈的織構。考慮到軋制時板材沿RD方向伸長大于TD方向，因此基面法向（C軸）更傾向于TD方向，而拉應力垂直于基面或壓應力平行于基面時，基面滑移較難開動，進一步導致了RD方向的拉伸屈服應力與壓縮屈服應力均小于TD方向。

圖7　軋制過程中AZ31鎂合金受力與變形示意圖Fig.7　Schematic figure of the stress state of AZ31 under rolling

3　結論

1）AZ31鎂合金軋制板坯拉伸時的屈服強度變化趨勢基本一致：TD方向的拉伸屈服強度大于RD方向的拉伸屈服強度，TD方向的壓縮屈服強度小于RD方向的壓縮屈服強度。

2）鎂合金在變形時比α鈦硬化率高，其主要原因是材料內部基體位錯數量增加迅速，位錯堆積較嚴重，導致動態再結晶滯后發生，呈現出較高的加工硬化現象。

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Investigation on anisotropic mechanical behavior of AZ31 Mg alloy rolling sheet

SHI Bao?dong1 2PENG Yan1 2HAN Yu1 2LIU Zi?long1 2
1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China 2.School of Mechanical Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China

AbstractThe anisotropic mechanical properties of wrought AZ31 alloy sheet with different thickness were studied by uniaxial ten?sion and compression tests at room temperature along different directions.The influence of the texture on the macroscopic anisotropy of the sheet was discussed based on crystal plasticity theory.Strong anisotropic mechanical properties and Strength Differential effect SD effect were observed for the wrought Mg alloy sheet.It was found that the compressive and tensile yield strength along rolling direction RD were much lower than the one along transverse direction TD and the tensile yield strength was larger than the compressive one along all directions.It is found that the effect of different rolling processes on the mechanical properties was pro?nounced and more precisely the yield strength and elongation were effected.The influence of rolling processes on the anisotropic mechanical properties and SD effect in the AZ31 alloy was analyzed based on experimental observations and crystal plasticity theory in the current work.

Key wordsAZ31 Mg alloy rolling sheet anisotropy twin texture

作者簡介：?石寶東（1982?），男，河北唐山人，博士，講師，主要研究方向為特種輕合金（鎂、鋁、鈦合金）變形機制、顯微組織調控、熱處理工藝，宏觀?介觀?微觀跨尺度本構模型，Email：baodong.shi＠ysu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51401178）；河北省自然科學基金資助項目（E2015203009）；人力資源和社會保障部留學歸國人員擇優資助項目（CG2014003004）

收稿日期：2015?03?25

文章編號：1007?791X（2015）03?0221?05

DOI：10.3969/j.issn.1007?791X.2015.03.005

文獻標識碼：A

中圖分類號：TG146.2