軋制方式與速度對ZK60鎂合金熱軋板顯微組織和力學性能的影響

劉華燊,孫有平,2,3,何江美,羅國健,方德俊

(廣西科技大學1.機械與汽車工程學院,2.廣西土方機械協同創新中心,3.廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室,柳州 545006)

0 引 言

目前,低碳、環保、輕量化材料成為研究的熱點[1-2]。鎂合金作為目前工程應用中密度最小的金屬材料,具有高比強度、比剛度,優良的阻尼性能與機械加工性能等優點,廣泛應用于汽車、航空航天以及電子通信等領域[3-4]。軋制是一種常用且高效的鎂合金加工方式,可以有效細化鎂合金板材的晶粒,提高其力學性能。鎂合金的結構為密排六方結構,在室溫下可開啟的滑移系少,且在軋制過程中,晶粒c軸的方向極易在力偶的作用下旋轉到垂直于軋制面的方向,形成強基面織構,導致板材基面滑移更加困難,造成其板材室溫成形性能差,易產生邊裂,塑性不高[5]。因此,有必要開發一種高效、成本低且板材成形性和綜合性能好的軋制工藝。

傳統變形鎂合金的平均晶粒尺寸通常大于10 μm[6]。可通過傳統的塑性變形和隨后的退火處理增強板材的基面織構,提高板材的強度,但這會降低塑性及成形性能[7]。細化晶粒與弱化織構是提高鎂合金力學性能與成形性能的重要途徑。目前,有不少學者探究了不同軋制工藝及其參數對鎂合金成形性能及力學性能的影響。孫穎等[8]研究發現,相比橫軋和縱軋,交叉軋制可使AZ31B鎂合金板晶粒更加細小,組織均勻性更好,抗拉強度更高,且性能各向異性減弱。李駱賓等[9]對ZK60鎂合金板進行了9道次不同方向的軋制,發現在交叉+45°方向下軋制(將每次交叉軋制后的板材沿法線方向旋轉45°進行下一道次的軋制,依次循環)時,鎂合金板的各向異性減弱,成形性能和綜合力學性能較好。吳澤麗等[10]研究發現,循環交叉軋制(每道次旋轉90°,4次為一個循環)能顯著提高ZK60鎂合金板的力學性能與組織均勻性。SU等[11]研究發現,與低速軋制(512 mm·s-1)相比,高速軋制(1 024 mm·s-1)時AZ31鎂合金板產生了更多的壓縮孿晶與二次孿晶,滑移系增加,弱化了板材的基面織構。ZHU等[12]和YU等[13]對比了高應變速率軋制與普通軋制時Mg-Al-Zn-Mn合金和Mg-Zn-Zr合金板的基面織構,均發現高應變速率軋制的板材基面織構更低。

ZK60鎂合金是最具代表性的商用變形鎂合金,具有強度高、塑性好等優點,作為Mg-Zn-Zr系鎂合金,其強度接近于高強7075鋁合金[14],在工業領域有巨大的應用潛力[15]。然而目前,ZK60鎂合金的應用受到很大限制,主要原因是板材成形性能差,塑性變形能力不強,尤其是軋制后基面織構增強,不利于后續的加工和使用。然而,目前關于軋制工藝及其參數對ZK60鎂合金板組織和性能的影響及機理的研究較少。基于此,作者在不同軋制速度下采用單向軋制與交叉軋制2種方式對均勻化退火態ZK60鎂合金板進行熱軋,研究了軋制方式和速度對鎂合金板組織和性能的影響規律,旨在獲得成本更低、性能更加優良的ZK60鎂合金板。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為半連續鑄造ZK60鎂合金板坯(Mg-5.6%Zn-0.54%Zr,質量分數),尺寸為50 mm×50 mm×12 mm,由岳陽昱華材料有限公司提供。對鎂合金板坯進行均勻化退火處理,采用SX-16-14Q型箱式電阻爐先在330 ℃保溫24 h水冷,接著在420 ℃保溫4 h,水冷。軋制前用銑床將均勻化退火后的板坯厚度銑到10 mm。采用尺寸為φ420 mm×400 mm的雙輥軋機進行4道次軋制,保持軋制溫度(300 ℃)與每道次軋制壓下量(4道次軋制后的板厚依次為7,4.9,3.43,2.401 mm)不變,改變軋輥速度(512,768,1 024 mm·s-1),分別采用單向軋制與交叉軋制2種軋制方式,軋制路徑見圖1,圖中RD為軋制方向,TD為橫向,與軋制方向在軋制面上垂直。在軋制過程中每道次軋制前板坯都在300 ℃下保溫15 min,軋后立即水淬。

圖1 軋制路徑示意Fig.1 Schematic of rolling path: (a) unidirectional rolling and (b) cross rolling

在軋后鎂合金板的中心部位截取表面尺寸為10 mm×10 mm的試樣,經磨拋后,用由0.3 g苦味酸、7 mL無水乙醇、1.5 mL冰醋酸、2 mL蒸餾水組成的腐蝕劑腐蝕,用Leica DMI3000M型光學顯微鏡觀察其顯微組織。采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析物相組成與基面織構強度。按照Q/6S977—1991,通過DK7732型電火花數控線切割機床分別沿板材的RD方向和TD方向切割出如圖2所示的拉伸試樣,標距為15 mm;用ETM105D型電子萬能試驗機進行拉伸試驗,拉伸速度為2 mm·min-1,試驗過程參照HB5143-T4中相關標準。 用SIGMA型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

圖2 拉伸試樣的尺寸Fig.2 Dimension of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖3可以看出:在512 mm·s-1速度下軋制后,2種軋制方式的ZK60鎂合金板均產生孿晶與動態再結晶晶粒,動態再結晶主要發生在原始晶界附近,少量發生在孿晶中。在軋制時,鎂合金板組織產生不均勻變形,導致孿晶內部形變儲能較大,位錯密度增加,同時在晶界與孿晶界附近產生基面滑移與錐面孿生,導致位錯塞積,從而提供了再結晶形核點[16]。交叉軋制鎂合金板的組織較單向軋制細小均勻;單向軋制組織中的孿晶數量較多,且大多為平行的細長孿晶,孿晶取向基本一致,而交叉軋制組織中的孿晶數量較少,且取向不一,動態再結晶數量較多, 且再結晶組織主要呈鏈狀分布在晶界處。分析其原因:一是交叉軋制時軋制方向有所變換,為協調該變形,組織中形成了二次孿晶,為動態再結晶提供了更多的形核點,同時新生成的動態再結晶晶粒“吞噬”了部分孿晶,因此組織中孿晶數量減少,動態再結晶數量增多;二是交叉軋制的方向變換生成了交叉孿晶,對原始晶粒產生分割作用,細化了板材的晶粒組織,同時促進了非基面滑移啟動,導致變形過程中晶界變形更加劇烈,動態再結晶晶粒主要沿著晶界生成,因此形成了鏈狀的動態再結晶組織[17]。與512 mm·s-1軋制速度相比,768 mm·s-1軋制速度下動態再結晶數量明顯增多,組織中動態再結晶基本完成,晶粒細小均勻,交叉軋制與單向軋制的晶粒尺寸基本一致。當軋制速度為1 024 mm·s-1時,部分再結晶晶粒尺寸有所增大,單向軋制增大得更明顯,組織均勻性降低。當軋制速度較低(512 mm·s-1)時,初期的變形方式主要是位錯滑移,由于晶界處形變儲能較高,容易吸收位錯而產生應力集中,再結晶晶粒易通過晶界弓出或者亞晶旋轉等方式在原始晶界處形成[18]。隨著軋制速度的增加(768 mm·s-1),變形能增加,孿生啟動以協調變形,為動態再結晶提供更多的形核點。當軋制速度繼續增加至1 024 mm·s-1,高速軋制變形產生了更多的熱量,鎂合金板溫度升高,導致再結晶晶粒尺寸變大。

圖3 在單向軋制和交叉軋制方式下以不同速度軋制后合金的顯微組織Fig.3 Microstructures of alloy rolled at different speeds under unidirectional rolling (a-c) and cross rolling (d-f)

2.2 對物相組成與織構的影響

由圖4可以看出,鑄態及軋制后ZK60鎂合金板的XRD譜中衍射峰強度最高的晶面都為(0002)晶面。用取向參數K來定量表示晶粒擇優取向[9],其表達式為

圖4 鑄態和不同軋制方式下以不同速度軋制后合金的XRD譜Fig.4 XRD spectra of alloy in as-cast state and after rolling at different speeds by different rolling methods

(1)

式中:Jexp為軋制后試樣(0002)晶面的相對衍射強度;Jran為晶粒取向隨機分布的鑄態試樣(0002)晶面的相對衍射強度。

K值越小,晶粒取向越不明顯[9]。由圖5可以看出:隨著軋制速度的增加,不同軋制方式下合金(0002)晶面的K均減小,且當軋制速度達到或大于768 mm·s-1時,交叉軋制時(0002)晶面的K值較單向軋制時小。這說明交叉軋制以及較高的軋制速度可降低(0002)晶面的擇優取向,降低鎂合金板在力學性能上的各向異性。

圖5 不同軋制方式下合金(0002)晶面的K值隨軋制速度的變化曲線Fig.5 Curves of K value of (0002) crystal plane vs rolling speed of alloy rolled by different rolling methods

ZK60鎂合金為密排六方晶體結構,可啟動的滑移系少,在軋制變形時會形成強烈的基面織構[19]。隨著軋制過程的進行,ZK60鑄態鎂合金板由理想的絲織構逐漸轉變為軋制后的雙峰板織構[20],形成平行于軋制方向的(0002)強基面織構,即大多數晶粒的基面平行于軋制方向。織構強度可用極密度進行表征,極密度越大,板材織構強度越大,晶粒的各向異性越明顯。由圖6可知:除軋制速度512 mm·s-1條件下,其他速度交叉軋制時的(0002)基面織構極密度較單向軋制時小;單向軋制時極密度線沿RD方向拉長,而交叉軋制時的極密度線近似于圓形,沿RD方向和TD方向均勻向四周散射。可知, 交叉軋制可減弱ZK60鎂合金板的(0002)基面織構。隨著軋制速度的提高,(0002)基面織構的強度減弱。分析其原因:一是隨著軋制速度的提高,再結晶晶粒數量增加,晶粒取向的隨機性增加,因此織構強度減弱;二是在較高的軋制速度下產生的變形熱使得鎂合金板溫度升高,促進了非基面滑移系的啟動,新生成的再結晶晶粒通過吸收非基面的位錯來改變晶粒取向,從而使得基面織構強度減弱[21]。

圖6 在單向軋制和交叉軋制方式下以不同速度軋制后合金的(0002)基面織構極圖Fig.6 Texture pole figures of (0002) base plane of alloy rolled at different speeds under unidirectional rolling (a-c) and cross rolling (d-f)

2.3 對力學性能的影響

由圖7結合表1可以看出:與交叉軋制相比,單向軋制鎂合金板RD與TD方向的拉伸性能偏差較大,且RD方向的抗拉強度與斷后伸長率大于TD方向,說明單向軋制ZK60鎂合金板在力學性能上的各向異性較大;交叉軋制時的抗拉強度和斷后伸長率均高于單向軋制。可知,交叉軋制既提高了鎂合金板的力學性能,又提高了力學性能的均勻性。在512 mm·s-1低速度下軋制時,2種軋制方式下的抗拉強度均較高, 單向軋制與交叉軋制下的平均抗拉強度分別為314.6,314.2 MPa,但塑性明顯比較差,平均斷后伸長率分別僅為14.7%,15.2%。在軋制速度為768 mm·s-1時,抗拉強度與斷后伸長率均明顯增加,單向軋制與交叉軋制時的平均抗拉強度分別為319.3,322.4 MPa,平均斷后伸長率分別為18.4%,15.7%。繼續提高軋制速度到1 024 mm·s-1,單向軋制與交叉軋制下的平均抗拉強度又有所降低,分別為309.4,311.8 MPa,但平均斷后伸長率繼續提高,分別達到了17.9%,23.5%。可見,隨著軋制速度的增加,ZK60鎂合金板的抗拉強度先升后降,斷后伸長率增大。在512 mm·s-1的速度下軋制時,動態再結晶主要在原始晶界處啟動,少量發生在孿晶中,再結晶進行得不夠充分,因此抗拉強度和塑性均不高。當軋制速度為768 mm·s-1時,應變速率增加,再結晶進行得更加充分,孿晶數量和再結晶晶粒數量都增加,且這些孿晶將原始晶粒分割成小晶粒,使得晶粒更加細小均勻,因此抗拉強度與塑性均提高。當軋制速度提高到1 024 mm·s-1時,軋制速度的提升使得板材產生更多的變形熱,晶粒尺寸增加,組織均勻性提高,尤其是在交叉軋制時組織均勻性更高,因此板材塑性提高,但再結晶晶粒的長大導致板材抗拉強度降低[21]。

表1 不同軋制方式下以不同速度軋制后合金不同方向的拉伸性能

圖7 不同軋制方式和不同軋制速度下不同方向合金試樣的室溫拉伸工程應力-應變曲線Fig.7 Tensile engineering stress-strain curves at room temperature of alloy samples rolled at different speeds under different rolling methods

2.4 對斷口形貌的影響

由圖8可以看出:單向軋制鎂合金板的拉伸斷口主要由撕裂棱和少量韌窩組成, 而交叉軋制合金主要由大量細小的等軸韌窩組成;在相同軋制速度下,單向軋制時韌窩較少較淺。單向軋制合金板的基面織構強度較高,組織的均勻性較差,當板材受到沿板平面方向的拉應力時,部分晶粒旋轉困難,導致拉伸斷裂時沿晶面斷裂,形成解理面,因此單向拉伸時的主要斷裂形式為解理斷裂[22]。交叉軋制合金板組織的均勻性較好,主要由細小的等軸晶組成,組織的變形協調能力增強,應力在變形過程中可以得到釋放,因此拉伸斷口中形成均勻的等軸韌窩,斷裂形式主要為韌性斷裂[1]。對比不同軋制速度下的拉伸斷口形貌可知,隨著軋制速度的增加,韌窩數量增加,尺寸更加均勻,深度增加,說明鎂合金板塑性提高。這主要是因為在低速軋制后,動態再結晶晶粒較少,組織中存在較多位錯,拉伸變形時位錯滑移的距離較短,容易產生應力集中而產生微裂紋,從而降低了板材的塑性[21]。

圖8 不同速度單向軋制和交叉軋制后合金RD方向的拉伸斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of tensile fracture in RD direction of alloy rolled at different speeds by unidirectional rolling (a-c) and cross rolling (d-f)

3 結 論

(1) 與單向軋制相比,交叉軋制ZK60鎂合金板的組織更加細小均勻,(0002)基面織構極密度較小,RD與TD方向的拉伸性能偏差較小,平均抗拉強度和斷后伸長率均較高。

(2) 隨著軋制速度的增加,不同軋制方式下軋制后ZK60鎂合金板的動態再結晶晶粒尺寸先減小后增大,(0002)基面織構的強度減弱,抗拉強度先升后降,斷后伸長率增大。當軋制速度為768 mm·s-1時,2種方式軋制的鎂合金板均基本發生完全再結晶,平均抗拉強度均最大,單向和交叉方式下分別為319.3,322.4 MPa,平均斷后伸長率分別為18.4%,15.7%。

(3) 單向軋制鎂合金板的拉伸斷口主要由撕裂棱和少量韌窩組成,斷裂形式主要是解理斷裂,而交叉軋制合金主要由大量細小的等軸韌窩組成,斷裂形式主要為韌性斷裂;在相同軋制速度下,單向軋制合金斷口的韌窩較少較淺。隨著軋制速度的增加,拉伸斷口中韌窩數量增加,尺寸逐漸均勻,深度增加,塑性提高。采用交叉軋制和768 mm·s-1的軋制速度可得到組織和性能良好的ZK60鎂合金板。