高擠壓比下擠壓工藝對(duì)AZ31B鎂合金組織與力學(xué)性能的影響

林濤，劉運(yùn)騰,2，周吉學(xué),3，莊海華，馬百常，楊院生,4

(1.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；4.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

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【新材料】

高擠壓比下擠壓工藝對(duì)AZ31B鎂合金組織與力學(xué)性能的影響

林濤1，劉運(yùn)騰1,2，周吉學(xué)1,3，莊海華1，馬百常1，楊院生1,4

(1.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；4.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

摘要：研究了高擠壓比條件下擠壓溫度、速度對(duì)AZ31B鎂合金微觀組織、力學(xué)性能的影響。采用光學(xué)顯微鏡觀察了顯微組織，拉伸試驗(yàn)測(cè)試了力學(xué)性能，并配合掃描電鏡觀察了拉伸試樣的斷口形貌。結(jié)果表明，高擠壓比條件下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較為充分，少量晶粒長(zhǎng)大，混晶組織消失。低溫、高速擠壓有助于晶粒細(xì)化，并使晶粒尺寸分布均勻，因而可獲得高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及良好的塑性。350 ℃，2 m/min條件下擠壓，試樣抗拉強(qiáng)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(xì)密，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征，而高溫、低速的斷口為混合斷裂。

關(guān)鍵詞：AZ31B鎂合金；擠壓工藝；微觀組織；力學(xué)性能；高擠壓比

《中國(guó)制造2025》已將節(jié)能與新能源汽車作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，明確了材料輕量化的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。鎂合金比強(qiáng)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(xué)性能，適合于制造車身的結(jié)構(gòu)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(duì)AZ31鎂合金組織和性能的影響，擠壓比增大后，抗拉強(qiáng)度、延伸率都增高；隨著溫度升高，抗拉強(qiáng)度降低，但是延伸率未能呈現(xiàn)明顯變化規(guī)律。文中未能給出屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律。趙秀明等[5]研究了擠壓速度對(duì)NZ30K鎂合金組織和力學(xué)性能的影響，研究表明擠壓速度降低，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不充分，抗拉強(qiáng)度增高而塑性下降。張廣俊等[6]對(duì)AZ61在360～400 ℃條件下型材組織與性能變化規(guī)律進(jìn)行研究，隨著擠壓溫度的提高，再結(jié)晶程度增加，斷口呈現(xiàn)較多韌窩，屈服強(qiáng)度提高，但抗拉強(qiáng)度、延伸率變化不大，這可能是因?yàn)閿D壓溫度范圍小，規(guī)律不明顯。于寶義等[7]選用高擠壓比的工藝參數(shù)對(duì)典型的稀土鎂合金WE43進(jìn)行管材熱擠壓工藝試驗(yàn)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(xì)化，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨之增加。張曉芳[8]研究了不同擠壓比對(duì)ZK60鎂合金組織與性能的影響，結(jié)果表明，300 ℃，擠壓比為30是最理想的擠壓工藝，組織比較細(xì)小均勻，綜合性能優(yōu)良。擠壓工藝參數(shù)對(duì)ZK60鎂合金力學(xué)性能的影響主要是通過(guò)控制其晶粒度及析出相的含量和分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

AZ31B是目前應(yīng)用較為廣泛的變形鎂合金，無(wú)法通過(guò)熱處理強(qiáng)化，而細(xì)化晶粒是提高其強(qiáng)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(duì)組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，有利于拓展鎂合金的應(yīng)用范圍。

1　試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料是經(jīng)過(guò)均勻化處理的商用AZ31B鎂合金鑄錠，化學(xué)成分如表1所示。坯料的尺寸為?120 mm×200 mm，采用800 t擠壓機(jī)進(jìn)行圓棒擠壓，圓棒直徑為12 mm，擠壓筒直徑為125 mm，相應(yīng)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(tài)顯微組織如圖1所示，平均晶粒尺寸按D=1.74L[9]計(jì)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(yàn)在濟(jì)南試金WDW-200E 型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(jìn)行組織觀察，試樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)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(shí)間10～30 s。采用Zeiss Axio observerAlm的光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行組織觀察，采用Zeiss EVO MA10掃描電鏡(SEM)進(jìn)行拉伸試棒斷口分析。

表1　AZ31B鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1　試驗(yàn)用AZ31B鎂合金的鑄態(tài)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(yàn)結(jié)果

2.1擠壓工藝對(duì)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(xiàn)混晶組織——由發(fā)生再結(jié)晶的細(xì)小晶粒包裹未發(fā)生再結(jié)晶的粗大晶粒，而是由再結(jié)晶程度完全的細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒組成。在400 ℃時(shí)，由于溫度較高，部分晶粒發(fā)生了長(zhǎng)大，平均晶粒尺寸為3～4 μm。溫度較低時(shí)，晶粒細(xì)小，平均晶粒尺寸為1～2 μm。擠壓速度降低時(shí)，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(duì)力學(xué)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(yàn)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，隨著擠壓溫度降低，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯升高，并且延伸率隨之增加。擠壓速度為4 m/min時(shí)，抗拉強(qiáng)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(shí)，抗拉強(qiáng)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(qiáng)度變化較小，變化程度小于7 MPa，而屈服強(qiáng)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(shí)，綜合性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度達(dá)336.5 MPa，延伸率達(dá)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(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g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(shí)，斷裂方式從準(zhǔn)解理斷裂過(guò)渡到韌性斷裂。由圖5 c可見(jiàn)，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(zhǔn)解理斷裂形貌較為明顯。圖5b可見(jiàn)，在350 ℃、4 m/min條件下，斷口韌窩既大又深，且大韌窩內(nèi)部包含許多微孔，可以反映出其斷裂過(guò)程從微孔長(zhǎng)大、增殖開(kāi)始，最后連接成較大的孔洞，而導(dǎo)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(xué)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(xué)性能、微觀組織驗(yàn)及斷口形貌可知，隨著溫度的降低，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶充分且減小晶粒長(zhǎng)大的數(shù)量，組織全部為細(xì)小均勻的等軸晶，因而綜合性能、強(qiáng)度與塑性明顯提升，通過(guò)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(xì)致。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是300 ℃以上變形時(shí)，鎂合金可以開(kāi)動(dòng)5個(gè)滑移系，可以進(jìn)行穩(wěn)定的塑性變形。擠壓溫度升高，導(dǎo)致形核率和晶粒長(zhǎng)大速度都增加，相應(yīng)的晶粒細(xì)化，依據(jù)Zener-Hollomon(Z)參數(shù)，提高形變溫度導(dǎo)致Z參數(shù)變小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸增大，因而部分晶粒也會(huì)快速長(zhǎng)大，出現(xiàn)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(jù)Hall-Petch公式可知晶粒尺寸的增加會(huì)引起強(qiáng)度的增加減小，同時(shí)由于組織更均勻，相應(yīng)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(duì)于堆垛層錯(cuò)能較低的鎂合金來(lái)說(shuō)，其滑移面上不全位錯(cuò)之間的層錯(cuò)帶較寬，滑移和攀移均難于進(jìn)行，動(dòng)態(tài)回復(fù)難，位錯(cuò)纏結(jié)隨著變形加快難以回復(fù)，因此產(chǎn)生了足夠高的局部位錯(cuò)密度差，促使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，且當(dāng)擠壓速度提高時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶因所需要堆垛層錯(cuò)能累積時(shí)間變短而更容易發(fā)生，這使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶非常充分[11-12]。此外，擠壓速度的提高會(huì)使溫度增加，晶界擴(kuò)散速率相應(yīng)增加，由此導(dǎo)致局部再結(jié)晶晶粒尺寸增大。因此，隨著擠壓速度增加而屈服強(qiáng)度有所下降，延伸率明顯增加。

4　結(jié)論

通過(guò)高擠壓比擠壓試驗(yàn)，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(xué)性能，結(jié)果表明：

(1)高擠壓時(shí)棒材的組織為完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，未出現(xiàn)混晶組織，部分晶粒發(fā)生長(zhǎng)大。

(2)350～400 ℃時(shí)，隨著擠壓溫度降低，晶粒細(xì)化，強(qiáng)度與塑性同時(shí)增加，拉伸斷口由混合斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@韌性斷裂。隨著擠壓速度的提高，屈服強(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)目：山東省科學(xué)院青年基金(2016QN014)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2015EQ019)

作者簡(jiǎn)介：林濤(1982-)，男，博士，研究方向?yàn)殒V合金加工。Email: lintao@sdas.org

中圖分類號(hào)：TG146.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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