AZ31鎂合金的熱擠壓組織與力學性能分析

1、 輕合金及其加工AZ31鎂合金的熱擠壓組織與力學性能分析鐘 皓 , 陳 琪 , 閆蘊琪 , 張 慧 , 翁文憑(, 摘要 :對常用變形鎂合金 AZ31; 觀察了擠壓前后鎂合金的組織變 化 , 并對擠壓板材、 :經(jīng)過熱擠壓后 , 鎂合金的晶粒得以細化 , 同時力學性 能得到較大的提高 , 2002N/mm 2, 抗拉強度達到 300N/mm 2, 伸長率在 18%左右。 關鍵詞 :; ; 細晶強化中圖分類號 :2+2; TG 376. 2 文獻標識碼 :B 文章編號 :10021752(2007 03524Analysis of Microstructures and MechanicalPro

2、perties of hot extruded AZ 31Magnesium alloyZHON G Hao , CHEN Qi , YAN Yun -qi ,ZHAN G Hui , WEN G Wen -ping(S uz hou Instit ute f or N onf errous Metals Processi ng Technology , S uz hou 215021, Chi na Abstract :AZ31alloy was hot extruded for four shapes -pipe , plate , bar , sectional bar. Microst

3、rurctures of uniform heat treated and hot extruded ma 2terials were observed , and mechanical properties of extruded bar and plate materials were tested. The results show that hot extrusion will not only en 2hance mechanical properties of material , but also refine its grain. The extruded AZ31alloy

4、has a good combination of strength and ductility , its yield strength is between 200and 270Mpa , tensile strength 300Mpa , and elongation is about 18%.K ey w ords :Hot extrusion ; AZ31magnesium alloy ; Microstructures and Mechanical Properties ; fine -grain strengthening 鎂及鎂合金是所有金屬結構材料中最輕的 , 是 鋁的 2/

5、3, 比鋼輕 78. 1%。與其它金屬材料以及工 程塑料相比 , 鎂合金具有很高的比強度和比剛度 。 鎂合金已被譽為 21世紀的金屬 , 近年來在汽車 、 航 空航天 、 電子工業(yè)領域獲得了迅速的發(fā)展 , 而且發(fā)展 前景越來越好 。作為一種新興金屬材料 , 鎂的現(xiàn)有 使用狀況遠沒有充分發(fā)揮鎂合金材料的潛在優(yōu)勢 , 鎂合金在實際工業(yè)應用方面的發(fā)展遠不及鋁合金和 鋼鐵工業(yè)的 , 其規(guī)模只有鋁業(yè)的 1/50, 鋼鐵工業(yè)的1/160 1。 其主要原因是 :由于鎂的晶體結構為密 排六方 , 塑性不及面心立方結構的鋁 , 塑性成形能力 差 , 因而鎂合金在壓鑄成形領域優(yōu)先得到重視和發(fā) 展 。 而壓鑄這一種

6、加工方式 , 限制了鎂合金的產(chǎn)品 品種和類型 。變形鎂合金與鑄造鎂合金相比 , 有更優(yōu)良的綜 合力學性能 , 因此為了推動鎂合金在航空 、 航天 、 汽 車 、 摩托車等領域內的大量應用 , 發(fā)展我國的鎂工業(yè) , 必須大力開發(fā)變形鎂合金及其生產(chǎn)工藝 。 鎂合金的變形構件主要以熱擠壓成型為主 。 同鍛造 、 軋制工藝相比 , 通過擠壓方法生產(chǎn)鎂合金產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢 2:擠壓具有比鍛造 、 軋制更為強烈的三向壓應 力狀態(tài) , 金屬可以發(fā)揮其最大的塑性 。這對于塑性 變形能力較差的鎂合金來說尤為重要 。 通過擠壓工 藝 , 可有效細化鎂合金的晶粒組織 , 提高合金的強度 和塑性 ;擠壓法工藝具有極大

7、的靈活性 , 操作方便 , 在一臺設備上僅通過更換模具即可生成各種板 、 管 、 棒 、 型材 , 使各種形狀產(chǎn)品可在一道工序成形 。 擠壓 產(chǎn)品品種多 , 規(guī)格全 , 適合現(xiàn)代市場要求的多品種 、 小批量 、 短交貨周期的生成方式 ;產(chǎn)品尺寸精度高 , 表面質量好 。因此本文通過 AZ31鎂合金的熱擠壓試驗 , 加 工出了管 、 板 、 棒 、 型材 , 并對各種規(guī)格的擠壓材進行25 輕 金 屬 2007年第 3期 (2005K JA13收稿日期 :2006-09-09了金相觀察 , 同時對擠壓板材 、 棒材進行了力學性能 測試 。1 試驗材料及方法實驗用的 AZ31鎂合金為商用的 -120

8、mm 鑄錠 。 為了消除合金在鑄造過程中出現(xiàn)的溶質偏析 、 不平衡共晶相及晶界上粗大的第二相 , 對鑄錠施以了 400 10h 的均勻化處理 。由于鎂合金的低溫 變形能力較差 , 因此在熱擠壓前退火錠在 350 保 溫 3h , 模具在 400 430 下保溫 3h 。熱鑄錠被 擠壓成管材 、 型材 、 棒材及板材 , 尺寸示意圖見圖 1。 試驗對擠壓前后的材料進行了組織觀察 , 并對擠壓 板材 、 棒材做了力學性能測試 (G B/T 228-2002 。 圖 1 AZ31熱擠壓成品尺寸示意圖2 試驗結果及分析圖 2a 為 AZ31鑄錠退火后的金相組織 , 晶粒的 尺寸在 400m 500m

9、左右 。 AZ31合金在 350 擠壓過程中發(fā)生了動態(tài)再結晶 , 因而合金的組織得 到細化 。 擠壓態(tài)合金的晶粒尺度依擠壓材料的規(guī)格 而不同 , 在 350m 之間 , 如圖 2b 及圖 3、 圖 4及 圖 5所示 。 圖 4為擠壓板材的不同面的金相組織 。從圖 4可以看出不同面的金相組織有所差別 :擠壓面晶粒大小均勻 , 呈現(xiàn)出典型的再結晶等軸狀組織 ; 橫截面及縱截面中晶粒大小則不均勻 , 仍存在部分 變形組織 。 值得注意的是 , 擠壓棒材的組織非常均 勻且細小 , 晶粒尺寸在 3m 15m 之間 , 對其力 學性能的檢測表明 , 相對與鑄態(tài)組織 , 合金的性能得 到較大的提高 (表 1

10、 。圖 2 AZ31退火錠及擠壓型材組織 同其他熱加工方法相比 , 擠壓制品的組織在斷面和長度上都很不均勻 。 一般擠壓制品的前端晶粒 粗大 , 尾端晶粒細小 ; 而在斷面上則是中心晶粒粗 大 , 外層晶粒細小 。擠壓制品組織不均勻性主要是 由變形不均勻引起的 。通常在擠壓過程中 , 變形溫 度由制品的中心向外層 , 由頭部向尾部逐漸增加 。擠壓溫度和速度的變化也會引起組織的不均勻性 。 影響鎂合金擠壓制品組織的因素很多 , 包括錠坯狀 態(tài) 、 制品形狀 、 擠壓溫度 、 擠壓比 、 擠壓速度以及均勻化處理等 2。本研究在相同條件下擠壓的四種規(guī) 格的擠壓材料組織的不均勻性是由截面尺寸不同 ,

11、擠壓過程中受力及溫度在截面分布不同所造成的 。 35 2007年第 3期 鐘皓 , 陳琪 , 閆蘊琪 , 張慧 , 翁文憑 :AZ31鎂合金的熱擠壓組織與力學性能分析 圖 3圖 4 AZ 31擠壓管材組織圖 5 AZ 31擠壓板材組織金相照片 在熱擠壓的過程中 , 鎂合金易發(fā)生動態(tài)再結晶 。 理論上 , 動態(tài)再結晶性能依賴于材料的堆垛層錯能 和晶格擴散率 。 增加堆垛層錯能或減少晶格擴散率 都可以阻礙動態(tài)再結晶發(fā)生 。 鋁的堆垛層錯能很高45 輕 金 屬 2007年第 3期(200mJ m -2 , 所以鋁合金需要很復雜的過程才能發(fā)生動態(tài)再結晶 。鎂的堆垛層錯能只有 78mJ m -2, 通過

12、動態(tài)再結晶而細化晶粒的過程要容易得 多 3 。 因而 , 伴隨著熱塑性加工 -熱擠壓 ,AZ31鎂 合金中經(jīng)過大變形形成的平行纖維變形組織在擠壓 應力和擠壓熱的作用下 , 首先沿晶界形成亞晶結構 , 進而通過亞晶合并機制形成較大尺寸的大角度亞 晶 4 ; 隨后通過晶界遷移 , 亞晶進一步合并和轉動 , 發(fā)生動態(tài)再結晶 , 最終形成細小的大角度晶粒 (如圖 3所示 。發(fā)的晶粒細化導致了 AZ31高 。 根據(jù) Hall -Petch 公式 5 , 鎂 金都大 。表 1 AZ31鑄態(tài)和擠壓態(tài)的力學性能材料Rm ,N. mm -2Rp ,N. mm -2A , %AZ31(鑄態(tài) 7 115. 9-3.

13、 8AZ31擠壓棒材 30121420AZ31擠壓板材30127218. 8因此 , 對于 AZ31鎂合金而言 , 熱擠壓過程中的 動態(tài)再結晶所產(chǎn)生的晶粒細化作用將顯著提高合金的室溫強度水平 (表 1 。同時滑移和孿生是鎂合金常見的塑性變形機 制 8 , 但常規(guī)鎂合金的塑性并不好 , 尤其是室溫下 變形能力很差 。當鎂合金的晶粒比較粗大的時候 ,變形主要是通過滑移和孿生形成變形帶 。 而且變形會最終集中在晶界附近 , 使材料進一步變形困難 。 而在含有小尺寸晶粒的鎂合金中 , 小晶粒晶界的滑 動 、 移動和轉動能協(xié)調變形 , 提高合金的變形能力 。 因此表現(xiàn)在宏觀上就是材料獲得了比較好的塑性

14、。結 語, AZ31鎂合金的 2002, 抗拉強度達到 300N/mm 2, 18%左右 。本試驗中擠壓制品的組織不均勻 , 這是由于 擠壓過程中 , 不同部位所受力及溫度分布不同造成 的 。參考文獻 : 1 黃光勝 , 汪凌云 , 范永革 . AZ31B 鎂合金擠壓工藝研究 J . 金屬成型工藝 ,2002年第 5期 :11-14. 2 陳振華 . 變形鎂合金 M . 北京 :化學工業(yè)出版社 ,2005. 3 劉曉菲 , 嚴巍 . AZ31B 鎂金塑性變形動態(tài)再結晶的實驗研究 J .塑性工程學報 2005(3 :10-13. 4 翟秋亞 , 王智民 . 擠壓變形對 AZ31鎂合金組織和性能的

15、影響 J . 西安理工大學學報 2002(3 :254-258. 5 汪凌云 , 黃光勝 . 變形 AZ31鎂合金的晶粒細化 J . 中國有色金屬學報 2003(3 :594-598. 6 HISAO WATARAI. Trend of Research and Development for Mag 2nesiumAlloys EB/OL . www. nistep. go. jp/achiev/ftx/eng/stfc/stt018e/qr18pdf/STTqr1807. pdf. 7 張世軍 , 黎文獻 . 鈰對鎂合金 AZ31晶粒大小及鑄態(tài)力學性能的影響 J . 鑄造 ,2002(12 :767-771. 8 余琨 , 黎文獻 . 細晶粒 AZ31(Ce 鎂合金板材的組織與性能 J . 金屬熱處理 ,2005(4 :34-37.(責任編輯 武紅林 書 訊為紀念 輕金屬 雜志創(chuàng)刊 40周年 , 輕金屬 編輯部特邀我國輕金屬業(yè)界邱竹賢 、 劉業(yè)翔等著名專家 、 學 者及有建樹的科技工作者 , 撰寫了一批體現(xiàn)近幾年輕金屬工業(yè)新材料 、 新工藝 、 新設備 、 新技術推廣應用