AZ31B鎂合金板熱成形溫度優(yōu)化及合理溫度下成形件的組織與性能

呼 嘯，魏瑞剛，陽代軍，徐宋娟，孫宏波

(首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

0 引 言

航天工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展對飛行器提出了更高的要求，不僅要求飛行器具有更高的安全可靠性及更優(yōu)的機(jī)動性，還要求具有更強(qiáng)的續(xù)航能力及更高的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。因此，輕量化已成為新一代航天飛行器發(fā)展的重點(diǎn)。為此，國內(nèi)外開展了大量輕量化結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)及應(yīng)用研究[3-4]。鎂合金因具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、電磁屏蔽效果佳、零件尺寸穩(wěn)定等優(yōu)異性能，已成為目前航天器輕量化首選的材料之一，具有良好的應(yīng)用前景[5]。但鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，與其他合金材料相比，結(jié)構(gòu)對稱性較低，在室溫下很難進(jìn)行塑性變形[6]。但是，在一定的溫度下，鎂合金板具有良好的塑性變形能力，能沖壓成形較復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。LEE等[7]和DOEGE等[8]研究表明，在高溫下AZ31和AZ61鎂合金板的塑性顯著提高，具有較好的成形性能。陳振華等[9]和于彥東等[10]研究發(fā)現(xiàn)，AZ31鎂合金板的成形性能隨成形溫度升高而提高，高溫下具有較好的拉深成形性能。利用材料在一定溫度下屈服軟化、斷后伸長率增大的特性來實(shí)現(xiàn)難變形材料和復(fù)雜形狀零件的成形，是實(shí)現(xiàn)鎂合金材料成形的有效方法之一。鄒瑞等[11]和王紫雯等[12]研究發(fā)現(xiàn)，壓邊力、模具間隙、模具溫度等熱成形工藝參數(shù)均會影響AZ31B鎂合金板的成形質(zhì)量。然而，目前對鎂合金板的合理熱成形溫度研究較少。因此，作者著重開展了溫度對AZ31B鎂合金板組織、性能及成形質(zhì)量的影響，確定了較優(yōu)熱成形溫度，并研究了該熱成形溫度下AZ31B鎂合金成形件的顯微組織和力學(xué)性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的長1 000 mm，寬500 mm，厚2.0 mm的AZ31B鎂合金板，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為3.6Al，0.9Zn，0.23Mn，0.002Cu，0.01Si，0.001Zr，余Mg，屬于Mg-Al-Zn-Mn系鎂合金[13]。AZ31B鎂合金板的抗拉強(qiáng)度不低于250 MPa，屈服強(qiáng)度不低于150 MPa，斷后伸長率不低于12%。

將AZ31B鎂合金板分別在200，300，400 ℃下保溫10 min，空冷至室溫后，采用線切割截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)5%硝酸和乙二醇混合溶液腐蝕后，采用Zeiss Obeserver Z1m型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織。按照GB/T 228.2-2015，采用線切割在鎂合金板上分別沿橫向(垂直于軋制方向)和縱向(平行于軋制方向)截取拉伸試樣，標(biāo)距為35 mm，采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為3 mm·min-1，試驗(yàn)溫度為室溫和100，150，200，250，300，350，400 ℃，拉伸前保溫10 min。

采用HF/SPE-ZC300型熱成形試驗(yàn)機(jī)對AZ31B鎂合金板進(jìn)行熱成形得到盒形熱成形件，熱成形工藝如圖1所示，熱成形溫度分別為120，200，300 ℃。熱成形件底面尺寸為190 mm×150 mm，高度為50 mm，壁厚為2 mm。

圖1 AZ31B鎂合金板熱成形工藝過程示意

在成形件中部，沿垂直于鎂合金板軋制方向的不同位置上截取金相試樣，取樣位置如圖2(a)所示，用體積分?jǐn)?shù)5%硝酸和乙二醇混合溶液腐蝕后，使用OM觀察顯微組織。采用線切割法垂直于軋制方向在200 ℃熱成形件的不同區(qū)域(1～7)截取拉伸試樣，取樣位置如圖2(b)所示，尺寸如圖2(c)所示，采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為3mm·min-1。

圖2 成形件上金相試樣和拉伸試樣取樣位置示意及拉伸試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度對顯微組織的影響

由圖3可以看出：未熱處理AZ31B鎂合金板的顯微組織主要由大小不均勻的等軸晶粒組成，晶粒尺寸為10～40 μm，形成的β析出相(Mg17Al12相)較少[14]；200 ℃熱處理后的顯微組織變化不大，等軸晶粒尺寸仍為 10～40 μm，析出相的分布也沒有明顯變化；當(dāng)熱處理溫度達(dá)到300，400 ℃時，鎂合金板的顯微組織發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為大尺寸晶粒的數(shù)量明顯增多，晶粒的最大尺寸達(dá)到了50 μm，且析出相的分布更加彌散。對比可知，200 ℃為AZ31B鎂合金板較為理想的加熱溫度，該溫度下能夠較好地保持細(xì)小的顯微組織。

圖3 不同溫度熱處理前后AZ31B鎂合金的顯微組織

2.2 溫度對拉伸性能的影響

圖4 不同溫度下AZ31B鎂合金在不同方向上的拉伸性能

2.3 溫度對成形質(zhì)量的影響

由圖5可以看出：在120 ℃熱成形時，AZ31B鎂合金板料的抗變形能力較弱，成形件圓角外側(cè)(箭頭所指位置)受拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂紋；在200 ℃和300 ℃熱成形時，鎂合金板料的塑性提高，熱成形能力增強(qiáng)，成形質(zhì)量得到提升，熱成形件上均未觀察到裂紋。AZ31B鎂合金板在200 ℃熱成形就能獲得較為理想的表面質(zhì)量。

圖5 不同溫度熱成形后成形件的外觀

在120，200， 300 ℃下熱成形件的回彈角分別為7.6°，1.9°，1.0°。隨著成形溫度升高，成形件的回彈變形量逐漸減小，側(cè)面與底面的垂直度越好，如圖6所示。回彈是板材彎曲成形中無法避免的現(xiàn)象[17]。低溫成形時，鎂合金板的屈服強(qiáng)度較大，成形后仍然存在較大的彈性變形，彈性變形恢復(fù)致使成形件產(chǎn)生較大的回彈量。高溫下屈服強(qiáng)度降低，彈性變形量減小，因此回彈量降低[18]。綜上可知，AZ31B鎂合金板在200 ℃下熱成形能獲得較為理想的成形尺寸精度。

圖6 不同溫度熱成形后成形件的側(cè)視圖

2.4 優(yōu)化溫度成形后的組織與拉伸性能

由圖7可以看出:200 ℃熱成形件不同位置處的顯微組織均為細(xì)小的等軸晶，大部分晶粒尺寸在5～10 μm，個別晶粒尺寸為20 μm，與原始AZ31B鎂合金板相比，晶粒明顯得到細(xì)化，這是由于熱成形過程中材料發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶[19-20]；熱成形件側(cè)面(金相試樣3)因成形時發(fā)生拉伸變形，變形程度比其他部位大，再結(jié)晶更加充分，因此顯微組織更加均勻、細(xì)小。

圖7 200 ℃熱成形件在不同位置處的顯微組織

圖8中虛線部分表示原始AZ31B鎂合金板的拉伸性能測試值范圍，抗拉強(qiáng)度在287～289 MPa，平均值為288 MPa，屈服強(qiáng)度在180～206 MPa，平均值為193 MPa，斷后伸長率在15.8%～21.3%，平均值為18.4%。由圖8可以看出，200 ℃熱成形件的抗拉強(qiáng)度接近原始鎂合金板抗拉強(qiáng)度范圍的下限，平均抗拉強(qiáng)度降低約2.1%，但屈服強(qiáng)度接近鎂合金板屈服強(qiáng)度范圍的上限，平均屈服強(qiáng)度提高約7.3%，且熱成形件側(cè)面(位置2，6)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較其他區(qū)域更高；熱成形件的斷后伸長率大多在原始鎂合金板斷后伸長率的范圍內(nèi)，平均斷后伸長率提高了兩個百分點(diǎn)，熱成形件側(cè)面的斷后伸長率接近原始鎂合金板斷后伸長率范圍的上限。在熱成形過程中，AZ31B鎂合金的晶粒得到細(xì)化，屈服強(qiáng)度得到了一定的提升。此外，熱成形件側(cè)面的顯微組織與其他位置相比更加細(xì)小均勻，因此表現(xiàn)出更好的拉伸性能。

圖8 200 ℃熱成形件在不同位置處的拉伸性能

3 結(jié) 論

(1) 未熱處理AZ31B鎂合金板的顯微組織由晶粒尺寸為10～40 μm的等軸晶粒和彌散分布的Mg17Al12析出相組成，200 ℃熱處理后的顯微組織變化不大，熱處理溫度高于300 ℃時晶粒明顯粗化；隨著溫度升高，AZ31B鎂合金板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，塑性顯著提高，溫度升至200 ℃時，AZ31B鎂合金板即具有良好的塑性和成形性能；熱成形溫度越高，盒形成形件的成形質(zhì)量越好，200 ℃熱成形件的表面無裂紋，回彈變形量較小，成形尺寸精度較高。因此，AZ31B鎂合金板較為理想的成形溫度為200 ℃。

(2) 200 ℃熱成形時，AZ31B鎂合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，成形件的晶粒得到明顯細(xì)化，且尺寸更加均勻，絕大部分晶粒尺寸在5～10 μm，個別晶粒尺寸為20 μm；成形件的抗拉強(qiáng)度與原始鎂合金板相比降低了2.1%，但屈服強(qiáng)度提高了7.3%，斷后伸長率提高了2個百分點(diǎn)。