AZ31合金板材的顯微組織 拉伸性能與沖壓工藝探索 圖文

1、 第37卷 第4期 稀有金屬材料與工程 V ol.37, No.4 2008年 4月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING April 2008 AZ31合金板材的顯微組織、拉伸性能 與沖壓工藝探索 閆蘊(yùn)琪，陳 琦，翁文憑，鐘 皓 (蘇州有色金屬加工研究院，江蘇 蘇州 215026 摘 要：研究了AZ31合金軋制過程中的組織演變及與室溫拉伸性能的對應(yīng)規(guī)律，探索了AZ31合金手機(jī)殼和筆記本電腦殼的沖壓工藝。結(jié)果表明，經(jīng)過多道次的軋制變形后，均勻化態(tài)的AZ31合金組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒明顯細(xì)化且呈等軸態(tài)，平均尺寸小于20 m 。厚度為2 mm和0.6 mm的

2、AZ31合金板材室溫拉伸強(qiáng)度對變形方向較敏感，延伸率也隨著取樣方向有所改變。在100350 下，利用厚度0.6 mm AZ31合金板材沖壓出手機(jī)外殼和筆記本電腦外殼。經(jīng)過EBSD 分析表明，基面和棱柱面織構(gòu)的存在導(dǎo)致了AZ31合金板材力學(xué)性能的各向異性。 關(guān)鍵詞：AZ31合金；顯微組織；拉伸性能；沖壓；EBSD 中圖法分類號：TG 146.2+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-185X(200804-0670-04 Mg 合金是目前最輕的工程金屬材料，在當(dāng)今世界新材料領(lǐng)域被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”13。制備變形Mg 合金材料，發(fā)揮變形材料的高強(qiáng)度、高塑韌性是國際Mg 協(xié)會提出的開發(fā)M

3、g 合金產(chǎn)品的一項(xiàng)長遠(yuǎn)的目標(biāo)。與壓鑄鎂合金相比，變形鎂合金材料可提供更高的強(qiáng)度和更好的延展性，可以滿足不同場合結(jié)構(gòu)件的使用要求。由于軋制鎂合金板材具有優(yōu)于對應(yīng)的壓鑄件的綜合性能，并且規(guī)?；a(chǎn)成本低于壓鑄零部件，加之薄板沖壓件在厚度方面趨向更薄壁化，因而可以大大節(jié)約原材料和改善產(chǎn)品性能。 中國國內(nèi)的高性能鎂合金薄板材生產(chǎn)和后續(xù)加工研究，主要集中在洛陽銅加工集團(tuán)、中科院金屬所、蘇州有色金屬加工研究院和上海交通大學(xué)等單位，中國鎂合金薄板材料沖壓技術(shù)的開發(fā)都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，對軋制變形與沖壓和織構(gòu)分析之間的對應(yīng)關(guān)系探討得不多4,5。本實(shí)驗(yàn)通過研究AZ31合金在軋 制過程中的組織演變，分析其力學(xué)性能

4、的變化規(guī)律，探索了該合金板材在100350 下的沖壓技術(shù)，為擴(kuò)大Mg 合金的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 勻化處理后進(jìn)行熱軋和冷軋，最終板材厚度為0.6 mm 。分別沿軋制方向（R ）、橫向（T ）和與軋向成45方向（F ）截取板材拉伸試樣，試樣標(biāo)距部分的尺寸為25 mm5 mm。室溫拉伸試驗(yàn)是在CSS-44100型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，橫梁移動(dòng)速度選擇在0.52mmmin-1之間連續(xù)調(diào)節(jié)。用OM 和SEM 觀察了變形前后的組織和斷口形貌，試驗(yàn)設(shè)備為NIikon 200金相顯微鏡和配備EDS 、WDS 和EBSD 的JSM-6480掃描電鏡。EBSD 試樣采用電解拋光，電解液選用AC2試劑。 2 結(jié)

5、果與分析 圖1是AZ31合金鑄態(tài)、退火態(tài)和軋制態(tài)的顯微組織。從圖1a 可以看出，AZ31合金鑄態(tài)組織為等軸晶粒，且晶粒比較粗大，平均晶粒尺寸大于100 m 。在晶界處存在一些不連續(xù)的Mg 17Al 12化合物，這是AZ31合金典型的鑄態(tài)形貌。經(jīng)過380 ，12 h均勻化退火處理后，該合金的晶界有所細(xì)化，緣于該合金在熔煉凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析和非平衡相在高溫固溶狀態(tài)下的溶解，晶界變得光滑、細(xì)小，見圖1b 。經(jīng)過多道次的軋制變形后，均勻化態(tài)的AZ31合金組織經(jīng)過破碎后明顯細(xì)化且呈等軸態(tài)，平均晶粒尺寸細(xì)化到20 m 以下。顯然，軋制變形使AZ31合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，見圖1c1g。同時(shí)，可以看到原

6、 1 實(shí)驗(yàn)過程 實(shí)驗(yàn)用材料為Mg-3.05Al-0.86Zn-0.33Mn 工業(yè)鎂合金，其中Cu0.001%，Ni0.011%，F(xiàn)e0.008%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù) 。對實(shí)驗(yàn)合金鑄錠進(jìn)行380 ，12 h均 收到初稿日期：2007-03-28；收到修改稿日期：2007-07-18 基金項(xiàng)目：中國鋁業(yè)公司科技發(fā)展基金項(xiàng)目（2005KJA13）和江蘇省自然科學(xué)基金技術(shù)人才啟動(dòng)項(xiàng)目（BK2006543） 作者簡介：閆蘊(yùn)琪，男，1973年生，博士，高級工程師，蘇州有色金屬加工研究院，江蘇 蘇州 215026，電話E-mail: 第4期 閆蘊(yùn)琪等：AZ31合金板材的顯微組織、拉伸

7、性能與沖壓工藝探索 671 先分布在晶界上的Mg 17Al 12化合物經(jīng)過軋制變形后，大部分彌散在晶內(nèi)，且很細(xì)小。圖1c ，1d 分別是厚2 mm熱軋態(tài)AZ31合金板材軋向和橫向形貌。可以看出，沿著此兩種方向的晶粒尺寸很接近。圖1e 是厚2 mm板材經(jīng)250 ，0.5 h爐冷后的退火態(tài)組織， 晶粒變化不大。圖1f ，1g 分別是厚0.6 mm熱軋態(tài)AZ31合金板材軋向和橫向形貌?？梢钥闯觯滠堖M(jìn)一步細(xì)化了該合金的組織，且沿著此兩種方向的晶粒尺寸基本上沒有區(qū)別。 圖1 AZ31合金在變形前后的組織演變 Fig.1 Microstructures of AZ31 alloy: (a as-cast

8、; (b as-homogeneous annealed; (c RD; (d TD; (e after 250 ，0.5 h treatment for 2 mm in thickness sheet; (f RD; (g TD of 0.6 mm in thickness sheet 圖2是AZ31合金板材在不同厚度和狀態(tài)下的室溫拉伸性能。對比可以看出，厚2 mm的AZ31合金板材拉伸強(qiáng)度對變形方向較敏感，隨取樣方向和熱處理狀態(tài)的不同而變化，同時(shí)延伸率隨著取樣方向變化 S t r e n g t h /M P a 280260240220200180160 Specimen Directi

9、on/( 而不同，這可能是軋制織構(gòu)引起的。厚0.6 mm的板材拉伸強(qiáng)度有所不同，延伸率變化規(guī)律與前者一樣。分別經(jīng)過250 ，0.5 h爐冷退火后，兩種規(guī)格板材的強(qiáng)度有所降低，但是延伸率升高程度較明顯。 E l o n g a t i o n /$20161284 400S t r e n g t h /M P a 350300250200 150 Specimen Direction/( Specimen Direction/( 圖2 AZ31合金軋制態(tài)和退火態(tài)的室溫拉伸性能 Fig.2 Tensile properties vs specimen direction at RT of AZ3

10、1 alloy as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h: (a 2 mm in thickness; (b 0.6 mm in thickness; (c elongation 圖3是AZ31合金在不同狀態(tài)下的室溫拉伸斷口形貌。斷口屬于韌性斷裂，是密排六方金屬的典型斷裂方式，基本上由不均勻分布的空洞和網(wǎng)狀撕裂棱組成。由于撕裂狀網(wǎng)絡(luò)和空洞相互促進(jìn)和相互制約，使部分應(yīng)力增加。這些集中的應(yīng)力在均勻塑性變形結(jié)束后得不到釋放，故共存在斷口形貌中。另外，它們之間相互促進(jìn)與制約，也提高了該合金的延性。同時(shí)從 圖3可以看出，厚2 mm板材對應(yīng)的斷口形貌韌窩密而深，從而

11、延伸率高。 圖4是AZ31合金在室溫拉伸斷口處的組織?？梢钥闯觯M織中出現(xiàn)了許多孿晶。一般認(rèn)為，具有基面織構(gòu)的鎂合金在變形時(shí)，在開始階段的主要塑性變形機(jī)制為102初級孿生，其結(jié)果使基面進(jìn)一步趨 向于垂直壓應(yīng)力方向而難以發(fā)生滑移。此時(shí)易在晶粒 672 稀有金屬材料與工程 第37卷 出，部分晶界處有小晶粒存在，也印證了這一論點(diǎn)。 圖4 AZ31合金在室溫拉伸斷口處的組織 Fig.4 Microstructure of fracture of AZ31 alloy after tensile testing at room temperature 圖3 AZ31合金室溫拉伸斷口形貌 Fig.3 Fr

12、acture morphologies of AZ31 alloy after tension tests at RT: (a, (b as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h of 2 mm in thickness; (c, (d as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h of 0.6 mm in thickness 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AZ31合金板材在室溫下的沖裁性能比較好，選取在100350 下拉深，可以完整地沖壓出手機(jī)殼和筆記本電腦外殼。 圖5是軋態(tài)和退火態(tài)AZ31合金的EBSD 分析結(jié)果?？梢钥闯?，晶粒中主要存

13、在基面織構(gòu)0001，經(jīng)過250 ，0.5 h退火處理，棱柱面織構(gòu)100也出現(xiàn)在晶粒內(nèi)。從圖5c ，5f 可以看出，晶粒中存在許多大角度晶界?；婧屠庵婵棙?gòu)的存在導(dǎo)致了合金的力學(xué)性能的各向異性。 d 之間形成附加內(nèi)應(yīng)力使晶界附近的局部組織發(fā)生扭曲，從而成為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶優(yōu)先形核的區(qū)域。從圖4可以看 c b a e f 圖5 軋制和退火態(tài)AZ31合金EBSD 分析結(jié)果 Fig.5 Oriention mapping in as-rolled and as-annealed specimens: (a, (d IPF; (b, (e ODF; (c, (f orientation mapping; (

14、a, (b, (c for as-rolled; (d, (e, (f for as-annealed 第4期 閆蘊(yùn)琪等：AZ31合金板材的顯微組織、拉伸性能與沖壓工藝探索 673 3 結(jié) 論 1 AZ31合金鑄態(tài)組織經(jīng)過380 ，12 h均勻化退火處理后，晶界變得光滑、細(xì)小。經(jīng)過多道次的軋制變形后，均勻化態(tài)的AZ31合金組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒明顯細(xì)化且呈等軸態(tài)，平均晶粒尺寸細(xì)化到20 m 以下。 2 厚2 mm和厚0.6 mm 2種規(guī)格的AZ31合金板材拉伸強(qiáng)度隨變形方向和處理狀態(tài)而變化；延伸率隨著取樣方向不同而不同。經(jīng)過250 ，0.5 h爐冷退火后，兩種規(guī)格板材的強(qiáng)度有所降低，但是延

15、伸率升高程度較明顯。 3 在100350 下可以沖壓出手機(jī)外殼和筆記 本電腦外殼。 4 基面織構(gòu)0001和棱柱面織構(gòu)100 的存在導(dǎo)致了合金的力學(xué)性能的各向異性。 參考文獻(xiàn) References 1 Kojima Y. Materials TransactionsJ, 2001, 42(7: 1154 2 Watanabe H, Mukai T, Ishikawa K. Materials TransactionsJ, 2002, 43(1: 78 3 Ping Y. Trans Nonferrous Met Soc ChinaJ, 2003, 13(3: 504 4 Cheng Yongqi

16、, Chen Zhenhua, Xia Weijun. Nonferrous MetJ, 2006, 58(1: 5 5 Yan Y Q. Materials Science ForumJ, 2007, (546549: 241 Investigations on Microstructures Evolution, Tensile Mechanical Properties and Stamping Process of AZ31 Alloy Sheets Yan Yunqi, Chen Qi, Weng Wenping, Zhong Hao (Suzhou Institute for No

17、n-ferrous Metals Processing Technology, Suzhou 215021, China Abstract: Rolling and stamping process of AZ31 alloy were investigated in this paper. Various rolling experiments were carried out to make fine-grained Mg alloy sheets. Stamping tests were conducted at the temperatures range from 100 to 35

18、0 . The results reveal that after deformation of multi-reduction the recrystallization appears in the AZ31 alloy, which the grains are equal-axial and the size is finer than 20 m; the tensile strength of the alloy of 2 mm and 0.6 mm in thickness changes with the deformation direction and so does the elongation; there exists an excellent warm forming temperature for