高擠壓比下擠壓工藝對AZ31B鎂合金組織與力學性能的影響

林濤，劉運騰,2，周吉學,3，莊海華，馬百常，楊院生,4

(1.山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014；2.山東省輕質高強金屬材料省級重點實驗室(籌)，山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術研究中心，山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014；4.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)

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【新材料】

高擠壓比下擠壓工藝對AZ31B鎂合金組織與力學性能的影響

林濤1，劉運騰1,2，周吉學1,3，莊海華1，馬百常1，楊院生1,4

(1.山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014；2.山東省輕質高強金屬材料省級重點實驗室(籌)，山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術研究中心，山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014；4.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)

摘要：研究了高擠壓比條件下擠壓溫度、速度對AZ31B鎂合金微觀組織、力學性能的影響。采用光學顯微鏡觀察了顯微組織，拉伸試驗測試了力學性能，并配合掃描電鏡觀察了拉伸試樣的斷口形貌。結果表明，高擠壓比條件下，動態再結晶較為充分，少量晶粒長大，混晶組織消失。低溫、高速擠壓有助于晶粒細化，并使晶粒尺寸分布均勻，因而可獲得高的抗拉強度、屈服強度以及良好的塑性。350 ℃，2 m/min條件下擠壓，試樣抗拉強度與延伸率最高，為336.5 MPa與 23%。低溫、高速下的擠壓試樣的拉伸斷口韌窩較深且細密，呈現明顯的韌性斷裂特征，而高溫、低速的斷口為混合斷裂。

關鍵詞：AZ31B鎂合金；擠壓工藝；微觀組織；力學性能；高擠壓比

《中國制造2025》已將節能與新能源汽車作為重點發展領域，明確了材料輕量化的發展戰略[1]。鎂合金比強度和比剛度高，減震降噪性佳，是理想的輕量化金屬材料[2-3]。變形鎂合金由于具有更好的綜合力學性能，適合于制造車身的結構件。變形鎂合金常采用擠壓工藝制造車輛用的型材。尹從娟等[4]研究了擠壓工藝對AZ31鎂合金組織和性能的影響，擠壓比增大后，抗拉強度、延伸率都增高；隨著溫度升高，抗拉強度降低，但是延伸率未能呈現明顯變化規律。文中未能給出屈服強度的變化規律。趙秀明等[5]研究了擠壓速度對NZ30K鎂合金組織和力學性能的影響，研究表明擠壓速度降低，動態再結晶不充分，抗拉強度增高而塑性下降。張廣俊等[6]對AZ61在360～400 ℃條件下型材組織與性能變化規律進行研究，隨著擠壓溫度的提高，再結晶程度增加，斷口呈現較多韌窩，屈服強度提高，但抗拉強度、延伸率變化不大，這可能是因為擠壓溫度范圍小，規律不明顯。于寶義等[7]選用高擠壓比的工藝參數對典型的稀土鎂合金WE43進行管材熱擠壓工藝試驗研究，得出極限擠壓比在70～98之間，擠壓比增加，管材組織更加均勻，晶粒尺寸得到細化，抗拉強度和屈服強度隨之增加。張曉芳[8]研究了不同擠壓比對ZK60鎂合金組織與性能的影響，結果表明，300 ℃，擠壓比為30是最理想的擠壓工藝，組織比較細小均勻，綜合性能優良。擠壓工藝參數對ZK60鎂合金力學性能的影響主要是通過控制其晶粒度及析出相的含量和分布來實現的。

AZ31B是目前應用較為廣泛的變形鎂合金，無法通過熱處理強化，而細化晶粒是提高其強度和塑性的唯一途徑。研究AZ31B鎂合金在高擠壓比條件下擠壓工藝對組織和力學性能的影響規律，有利于拓展鎂合金的應用范圍。

1　試驗材料及方法

試驗所用材料是經過均勻化處理的商用AZ31B鎂合金鑄錠，化學成分如表1所示。坯料的尺寸為?120 mm×200 mm，采用800 t擠壓機進行圓棒擠壓，圓棒直徑為12 mm，擠壓筒直徑為125 mm，相應擠壓比為109。考慮到300 ℃大擠壓比難以擠壓，本文坯料溫度選取為350 ℃、400 ℃，擠壓筒、模具溫度比坯料溫度低 20 ℃，擠壓出口速度(v)為2 m/min、4 m/min。鑄態顯微組織如圖1所示，平均晶粒尺寸按D=1.74L[9]計算，大小為1.8 mm。在擠壓棒材中心截取拉伸試棒，尺寸如圖2所示，拉伸試驗在濟南試金WDW-200E 型拉伸試驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min。在鑄錠和擠壓棒材的垂直擠壓方向上截取試樣進行組織觀察，試樣經過粗磨、細磨、拋光后腐蝕，腐蝕溶劑為：苦味酸4.2 g+10 mL水+10 mL醋酸+70 mL酒精，腐蝕時間10～30 s。采用Zeiss Axio observerAlm的光學顯微鏡(OM)進行組織觀察，采用Zeiss EVO MA10掃描電鏡(SEM)進行拉伸試棒斷口分析。

表1　AZ31B鎂合金的化學成分(質量分數，%)

圖1　試驗用AZ31B鎂合金的鑄態組織Fig.1　As-cast microstructure of the tested AZ31 magnesium alloy

圖2　拉伸試樣示意圖Fig.2　Illustration of the tensile sample

2　試驗結果

2.1擠壓工藝對顯微組織的影響

圖3為不同擠壓工藝條件下的AZ31B鎂合金擠壓棒材微觀組織。從圖中可以看出,在高擠壓比情況下，得到的棒材未呈現混晶組織——由發生再結晶的細小晶粒包裹未發生再結晶的粗大晶粒，而是由再結晶程度完全的細小的動態再結晶晶粒組成。在400 ℃時，由于溫度較高，部分晶粒發生了長大，平均晶粒尺寸為3～4 μm。溫度較低時，晶粒細小，平均晶粒尺寸為1～2 μm。擠壓速度降低時，晶粒尺寸略有增大。相比低速的擠壓，高速的擠壓組織更加均勻。

a 400 ℃,4 m/min; b 350 ℃,4 m/min;c 400 ℃,2 m/min;d 350 ℃,2 m/min圖3　不同擠壓溫度、擠壓速度下AZ31B合金的顯微組織Fig.3　Microstructure of extruded AZ31B alloy for different extrusion temperature and speed

2.2擠壓工藝對力學性能的影響

圖4為不同擠壓溫度和擠壓速度下AZ31B 鎂合金棒材拉伸試驗的工程應力-應變曲線。從圖中可以看出，隨著擠壓溫度降低，材料的抗拉強度和屈服強度明顯升高，并且延伸率隨之增加。擠壓速度為4 m/min時，抗拉強度由303.4 MPa增加到336.5 MPa，延伸率由18.1%增加到23%；擠壓速度為2 m/min時，抗拉強度由310 MPa到333 MPa，延伸率由12%增加到17.8%。擠壓速度減小，抗拉強度變化較小，變化程度小于7 MPa，而屈服強度有所增加，延伸率增加了6%，變化明顯。擠壓溫度在350 ℃，擠壓速度4 m/min時，綜合性能最優，抗拉強度達336.5 MPa，延伸率達23%。

2.3斷口形貌

圖5為不同擠壓工藝條件下的AZ31鎂合金拉伸斷口形貌。從圖中可以看出，溫度降低，斷口由準解理斷裂轉變為韌性為主混合斷裂形貌——大且深的韌窩和含有微孔的晶間韌性斷裂花樣。擠壓速度逐漸加快時，斷裂方式從準解理斷裂過渡到韌性斷裂。由圖5 c可見，400 ℃、2 m/min條件下擠壓棒材斷口由“類解理”小平面、微孔及撕裂棱組成的準解理斷裂形貌較為明顯。圖5b可見，在350 ℃、4 m/min條件下，斷口韌窩既大又深，且大韌窩內部包含許多微孔，可以反映出其斷裂過程從微孔長大、增殖開始，最后連接成較大的孔洞，而導致斷裂，即典型的韌性斷裂。

圖4　不同擠壓溫度與擠壓速度下的AZ31B合金的室溫力學性能Fig.4　Indoor temperature mechanical properties of extruded AZ31B alloy for different extrusion temperature and speed

a　400 ℃,4 m/min; b　350 ℃,4 m/min; c　400 ℃,2 m/min; d　350 ℃,2 m/min圖5　不同擠壓溫度、擠壓速度下AZ31B合金的斷口形貌Fig.5　Fracture morphology of extruded AZ31B alloy for different extrusion temperature and speed

3　分析與討論

綜上所述，由AZ31B鎂合金擠壓試棒的力學性能、微觀組織驗及斷口形貌可知，隨著溫度的降低，動態再結晶充分且減小晶粒長大的數量，組織全部為細小均勻的等軸晶，因而綜合性能、強度與塑性明顯提升，通過斷口形貌可以明顯看到，低溫試樣的斷口為韌性斷裂，韌窩深而細致。產生上述現象的原因是300 ℃以上變形時，鎂合金可以開動5個滑移系，可以進行穩定的塑性變形。擠壓溫度升高，導致形核率和晶粒長大速度都增加，相應的晶粒細化，依據Zener-Hollomon(Z)參數，提高形變溫度導致Z參數變小，動態再結晶晶粒尺寸增大，因而部分晶粒也會快速長大，出現局部晶粒粗大的組織，如圖3a、3c中的局部粗大的等軸晶。根據Hall-Petch公式可知晶粒尺寸的增加會引起強度的增加減小，同時由于組織更均勻，相應延伸率得到提高[9-10]。在高擠壓比的條件下，擠壓速度增加，對于堆垛層錯能較低的鎂合金來說，其滑移面上不全位錯之間的層錯帶較寬，滑移和攀移均難于進行，動態回復難，位錯纏結隨著變形加快難以回復，因此產生了足夠高的局部位錯密度差，促使動態再結晶的發生，且當擠壓速度提高時，動態再結晶因所需要堆垛層錯能累積時間變短而更容易發生，這使得動態再結晶非常充分[11-12]。此外，擠壓速度的提高會使溫度增加，晶界擴散速率相應增加，由此導致局部再結晶晶粒尺寸增大。因此，隨著擠壓速度增加而屈服強度有所下降，延伸率明顯增加。

4　結論

通過高擠壓比擠壓試驗，研究了350～450 ℃，擠壓速度為2～4 m/min條件下，AZ31B鎂合金的微觀組織和力學性能，結果表明：

(1)高擠壓時棒材的組織為完全動態再結晶組織，未出現混晶組織，部分晶粒發生長大。

(2)350～400 ℃時，隨著擠壓溫度降低，晶粒細化，強度與塑性同時增加，拉伸斷口由混合斷裂轉變為明顯韌性斷裂。隨著擠壓速度的提高，屈服強度有所下降，延伸率明顯增加。

(3)350 ℃，2 m/min條件下擠壓，試樣抗拉強度與延伸率最高，為336.5 MPa與 23%。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.04.009

收稿日期：2016-04-13

基金項目：山東省科學院青年基金(2016QN014)；山東省自然科學基金(ZR2015EQ019)

作者簡介：林濤(1982-)，男，博士，研究方向為鎂合金加工。Email: lintao@sdas.org

中圖分類號：TG146.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)04-0039-05

Impact of extrusion process on microstructure and mechanical properties of high extrusion ratio AZ31B magnesium alloy

LIN Tao1,LIU Yun-teng1,2, ZHOU Ji-xue1,3, ZHUANG Hai-hua1,MA Bai-chang1, YANG Yuan-sheng1,4

(1. Institute of Advanced Materials, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of High Strength Lightweight Metallic Materials (in preparation), Institute of Advanced Materials, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014, China; 3. Shandong Provincial Engineering Research Center for Lightweight Automobile Magnesium Alloy,Institute of Advanced Materials, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China;4. Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract∶We addressed the impact of extrusion temperature and velocity on microstructure and mechanical properties of high extrusion ratio AZ31B magnesium alloy.We employed optical microscopy (OM) to observe its microstructure, indoor temperature tensile test to determine its mechanical properties, and scanning electron microscopy (SEM) to observe its fracture morphology. Results show that dynamic recrystallization is complete, a few grains grow and mixed grain structure disappears for high extrusion ratio. Low temperature and high speed extrusion are benefit for fine grain and even grain distribution, so we can get high tensile and yield strength and better ductility.Its optimal tensile strength and elongation rate are 336.5 MPa and 22.5% for 350 ℃ and 2 m/min extrusion. For low temperature and high speed extrusion, its tensile fracture has finer and deep dimples, obvious ductile fracture characteristic. However, mixed fracture exists for high temperature and low speed extrusion.

Key words∶AZ31B magnesium alloy; extrusion process; microstructure; mechanical properties; high extrusion ratio