凸模錯距量對鎂合金彎曲構件動態再結晶的影響

李峰 王雁鵬 張熙杰

摘 要：傳統彎曲構件成形工藝存在工序流程長、曲率調控難度大等瓶頸問題。錯距擠壓工藝能夠在單道次擠壓成形過程中實現擠壓-成形一體化，同時，通過改變凸模端部的錯距量h，達到控制彎曲構件曲率特征的目的。由錯距擠壓工藝獲得的AZ31彎曲構件經過EBSD測試，分析了凸模錯距量h對彎曲構件的晶粒形貌、平均晶粒尺寸、晶界分布、晶粒取向和施密特因子的影響。研究結果表明，隨著凸模錯距量h的增加，AZ31鎂合金構件發生了充分的動態再結晶，晶粒得到細化，且由于凸模結構的特殊性，彎曲構件中平行于擠壓方向的晶粒數量增加，晶粒取向由原先的軟取向轉為硬取向。為鎂合金彎曲構件錯距擠壓成形微觀組織演變的研究提供了科學指導。

關鍵詞：AZ31鎂合金;錯距擠壓;凸模錯距量;晶粒形貌;動態再結晶;施密特因子

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.006

中圖分類號： TG376

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0029-05

Abstract：Traditional bending processes have many bottlenecks， such as long processing flow and difficulty in controlling bending characteristics. The staggered extrusion （SE） process can realize the integration of extrusion and bending in a single pass. The bending characteristics of bending products can be controlled by adjusting the staggered distance （h） of the stem. The AZ31 bending products obtained by the staggered extrusion process was observed by EBSD. The influence of the staggered distance on grain morphology， average grain size， grain boundary distribution， grain orientation and Schmid factor of bending products was investigated， respectively. The results show that the dynamic recrystallization of AZ31 magnesium alloys occurs and the grains are refined with the increase of the h. Because of the special structure of the stem， the number of grains parallel to the extrusion direction in the bending products increases， and the grains change from the original soft orientation to the hard orientation. The above phenomena provide scientific guidance for the investigation of microstructure evolution in staggered extrusion of magnesium alloy bending products.

Keywords：AZ31 magnesium alloy; staggered extrusion; staggered distance; grain orientation; dynamic recrystallization; Schmid factor

0 引 言

輕量化是現階段工業應用中長期追逐的目標[1]，輕質彎曲構件則是實現輕量化的重要手段及途徑之一[2-3]。目前常用的傳統彎曲工藝主要有繞彎法[4]、拉彎法[5]、壓彎法[6]、推彎法[7-8]、滾彎法[9-10]及數控彎曲[11]等。傳統彎曲構件的獲得方式主要為“先成形-后彎曲”的制造模式，存在著工序流程長、曲率調控難度大、工藝方案制定復雜等難題。針對上述問題，國內外學者開始致力于探索擠壓成形-彎曲一體化技術的研究。如Klaus等[15]提出了帶導向模片擠壓彎曲成形工藝，可通過將多組導向模片自由組合，直接擠壓成形出帶曲率的型材;Zhou等[16]提出了雙向對側擠壓控制金屬側向擠壓成形曲率的新方法，是一種非常有趣的嘗試;Shiraishi等[17]提出了一種VCSE工藝，將帶角度的模具固定在擠壓筒上來控制坯料的流動方向，從而獲得彎曲構件。如李落星等[18]提出了擠壓彎曲-淬火一體化新工藝，并取得了豐富的研究成果;石磊等[19]提出了動態流量控制法，即通過動態調整傳統分流擠壓模中分流孔內金屬的流量獲得了高精度高強度細晶彎管件。

本文提出了一種錯距擠壓成形新方法。該工藝通過凸模部分結構的改變，可對擠出截面處金屬流速不均勻性進行定量調控，這對在單道次擠壓成形帶曲率構件成為了可能。通過前期探索，獲得了較理想的效果[20]。但錯距擠壓成形中微觀組織的變化較復雜，本文重點圍繞再結晶對微觀組織的影響展開研究。

1 實驗方案

錯距擠壓法對傳統正擠壓的凸模局部結構進行改進，利用擠出模口流速的不均勻性進行調控，從而獲得帶曲率特征的彎曲構件，如圖1所示。錯距擠壓工裝模具組成主要包括：凸模、擠壓筒、芯模、底座等部分。將凸模端部設計成臺階式的錯距結構，可以控制擠出構件的曲率特征，實現擠壓-成形一體化的目的。

本實驗采用商用AZ31鎂合金，具體成分如表1所示。將原始鑄態AZ31鎂合金加工成尺寸為Φ40mm×40mm的圓柱形坯料，把加工好的坯料在673K下進行均勻化退火12h，在空氣中冷卻至室溫。將退火后的坯料與工裝模具按照圖1a）所示方式裝配好，實驗采用水基石墨作為潤滑劑。使用箱式保溫爐將模具加熱到623K并保溫30min，采用熱電偶控制實驗溫度誤差在±2K之內，壓力機擠壓速度為1mm/s。

為了對比研究，凸模端部錯距量h分別取8mm、12mm、16mm、20mm、24mm，擠壓比為19.75，最終獲得Φ9mm的彎曲構件。將擠壓成形的彎曲構件脫模后馬上在水中進行淬火，以保留彎曲構件的微觀組織。

在每個彎曲構件的中心部位取一個尺寸為5mm×5mm×1mm的長方體試樣進行微觀組織測試。先把試樣在電解溶液中進行電解拋光，然后放置在Quanta 200F場發射掃描電鏡中進行電子背散射衍射（electron backscattered diffraction， EBSD）測試。實驗臺傾斜70°，掃面步長為1.2μm，工作距離為13mm，采用HKL-Channl 5.0軟件對彎曲構件的晶粒形貌、晶界分布和施密特因子（Schmid factor， SF）進行分析。

2 動態再結晶行為

圖2為不同錯距量h條件下，通過錯距擠壓獲得的AZ31鎂合金彎曲構件。

從圖2中可以看出，隨著錯距量h的增加，彎曲構件的彎曲高度增加，彎曲半徑減小。證明了錯距擠壓能夠實現擠壓-成形一體化，縮短了此類構件制造的工藝流程且能通過調整凸模結構來獲得相應的曲率特征。

圖3為通過不同錯距量h加載成形獲得彎曲構件的晶粒形貌和晶界分布對比。其中，紅色晶界表示大角度晶界（high angle grain boundary， HAGBs>15°），黑色晶界表示小角度晶界（low angle grain boundary， LAGBs>15°）。晶粒形貌是判斷晶粒再結晶的標準之一，從圖3中可以看出，經過錯距擠壓后，鎂合金彎曲構件的晶粒形貌均呈現均勻的等軸狀，這說明了錯距擠壓成形后晶粒發生了充分的動態再結晶行為。

大角度晶界的分布是判斷晶粒再結晶現象是否充分的依據之一。從圖3中還可以看出，經錯距擠壓后，大部分晶粒之間具有大角度晶界且均勻分布在彎曲構件中。

圖4為彎曲構件中大角度晶界與錯距量h之間的關系曲線。從圖4可以看出，隨著錯距量h從8mm增加到24mm，大角度晶界的數量百分比從78.04%增加到89.88%，證明了錯距擠壓成形后，晶粒的動態再結晶行為進行的較為充分，這對改善彎曲構件的微觀組織無疑是有益的。

圖5為彎曲構件在透射電子顯微鏡（transmission electron microscope， TEM）下的晶界形貌。從圖5（a）， （b）， （e）藍色圓形區域中可以發現，TEM可以觀測到相鄰晶粒之間出現三叉晶界。小角度晶界逐漸形成大角度晶界后，大角度晶界又能夠通過遷移促進彎曲構件晶粒的動態再結晶行為。圖5（c）， （d）中藍色矩形區域所示為被晶界截斷的位錯線，可以看出，在晶界處的位錯密度較高。彎曲構件塑性變形主要是通過位錯運動來實現的，位錯的運動能夠促進再結晶晶粒的形成。

3 晶粒取向演化

圖6中不同顏色的晶粒代表不同的晶粒取向，灰色六棱柱為晶粒3D點陣取向圖示意圖。從圖6中可以看出，錯距擠壓成形中鎂合金的晶粒在外力作用下發生旋轉，導致晶粒取向發生改變。晶粒取向具有向平行于ED方向變化的趨勢，該方向的晶粒數量在錯距擠壓后顯著增多，即平行于{0001}基面的晶粒數量增加。同時，動態再結晶晶粒能夠在旋轉過程中逐漸吸收能量長大，小角度晶界逐漸吸收能量轉變為大角度晶界。

圖7所示為平均施密特因子（Average Schmid factor， ASF）與錯距量h之間的關系。施密特因子作為判斷晶體發生塑性變形的重要依據，在微觀組織演變分析中起到重要作用[21]。

從圖7中可以看出，隨著錯距量h從8mm增加至24mm，彎曲構件的ASF從0.34降低至0.11。經錯距擠壓后，晶粒有由最初的軟取向轉為硬取向的變化趨勢。且隨著錯距量h的增加，硬取向晶粒的數量增多。說明了經過錯距擠壓后，鎂合金彎曲構件的晶粒ASF減小，這有利于消除彎曲構件的各向同性。

4 結 論

1）錯距擠壓所獲AZ31鎂合金彎曲構件具有均勻分布的微觀組織，這是由于在擠壓過程中發生了動態再結晶所致。隨著錯距量h從8mm增加至24mm，彎曲構件的平均晶粒尺寸從14.88μm減小至10.51μm，同時，大角度晶界的數量百分比從78.04%增加到89.88%，這對于提高彎曲構件的綜合力學性能非常有益;

2）AZ31鎂合金錯距擠壓成形促使平行于基面{0001}的晶粒增加，晶粒從最初的軟取向向硬取向轉變。隨著錯距量h從8mm增加至24mm，彎曲構件的ASF從0.34降低至0.11，這有利于消除彎曲構件的各項同性，使得彎曲構件在后續的應用中具有穩定的力學性能;

3）錯距擠壓法巧妙地通過對凸模結構的局部改進，實現了鎂合金彎曲構件擠壓-成形一體化的目的。縮短了工藝流程，節約了生產成本。且通過凸模錯距量h的調整，定量調控AZ31鎂合金彎曲構件的曲率特征，為帶曲率構件成形制造提供了一種新思路。

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（編輯：王 萍）