模具溫度對(duì)az31鎂合金力學(xué)性能和織構(gòu)演變的影響

模具溫度對(duì)az31鎂合金力學(xué)性能和織構(gòu)演變的影響

盡管密度低、比強(qiáng)、剛性強(qiáng)、抗疲勞防滑性能強(qiáng)、電屏蔽效果好、易于回收等優(yōu)點(diǎn)。它在電子、設(shè)備、汽車(chē)、交通、航空、航空航天、制藥材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。這被稱(chēng)為21世紀(jì)最合發(fā)展前途的金屬結(jié)構(gòu)材料。但是,由于鎂的密排六方晶體結(jié)構(gòu),室溫滑移系少,塑性變形能力較差。塑性變形是一種通過(guò)改善組織來(lái)提高材料力學(xué)性能的有效方法。大量研究表明,通過(guò)擠壓、軋制以及鍛造等方法能夠有效地細(xì)化鎂合金材料的晶粒,提高其室溫塑性[3~8]。此外,如粉末冶金、快速冷凝以及等徑側(cè)向擠壓等,也能夠得到超細(xì)晶鎂合金,并且大幅度地提高材料的綜合力學(xué)性能。但是,其缺點(diǎn)是成本較高,所制備材料的尺寸較小。本實(shí)驗(yàn)研究不同溫度下擠壓變形對(duì)AZ31鎂合金晶粒細(xì)化效果和力學(xué)性能的影響,以及擠壓過(guò)程中織構(gòu)的演變。1試驗(yàn)和分析測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)一次擠壓的AZ31鎂合金棒材作為原始擠壓坯料,尺寸為Φ16mm×250mm。擠壓實(shí)驗(yàn)在3150kN壓力機(jī)上進(jìn)行,擠壓沖頭的速度為17mm/s,擠壓比為4:1,擠壓坯料的尺寸為Φ16mm×30mm。擠壓時(shí),模具溫度分別為300,200,100和20℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用油基石墨作為潤(rùn)滑劑。采用奧林巴斯金相顯微鏡對(duì)擠壓得到的AZ31鎂合金棒材進(jìn)行金相組織分析;采用Instron5569拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)AZ31鎂合金的室溫力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率為1×10-3s-1。采用HKL公司的電子背散射分析儀(EBSD)對(duì)經(jīng)過(guò)電解拋光的AZ31鎂合金試樣進(jìn)行晶粒間取向分析以及織構(gòu)分析。對(duì)進(jìn)行EBSD測(cè)試的AZ31鎂合金試樣先采用600,800和1000#砂紙進(jìn)行粗磨,然后采用體積比5:3的磷酸乙醇溶液進(jìn)行電解拋光,電解電壓為2.5~5V,電解液溫度為室溫。2擠壓變形溫度對(duì)組織織構(gòu)的影響表1為AZ31鎂合金的化學(xué)成分。圖1a為AZ31鎂合金原始坯料的金相組織照片。原始坯料由很多細(xì)小的再結(jié)晶晶粒組成,采用截線(xiàn)法測(cè)量計(jì)算得到其平均晶粒尺寸為7.8μm。原始組織中{0002}基面的極圖如圖1b所示。原始組織中,大多數(shù)晶粒的基面平行于擠壓方向,形成很強(qiáng)的基面環(huán)形織構(gòu)分布,其強(qiáng)度f(wàn)(g)為12.61。力學(xué)性能測(cè)試表明,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為283和175MPa,延伸率為21%。采用EBSD分析測(cè)試的方法對(duì)擠壓后的材料進(jìn)行分析。圖2為不同溫度擠壓后組織中晶粒的取向分布圖。圖中不同的顏色代表不同的晶粒取向,晶粒的顏色相近表明晶粒間的取向較接近,取向差較小。圖中黑色的晶界代表晶界為大角度晶界(HAGBs,>15°),而紅色的晶界則代表小角度晶界(LAGBs,<15°)。圖3給出變形后組織中大角度晶界所占比例與擠壓溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。從中可以看出,隨著擠壓溫度的升高,擠壓變形后材料組織中大角度晶界所占的比例逐漸變大,因而小角度晶界所占比例也就隨著擠壓溫度的升高而逐漸減小。由于鎂的層錯(cuò)能較低、相對(duì)于面心立方結(jié)構(gòu)的金屬滑移系較少以及晶界擴(kuò)散速度較高等原因,在熱加工過(guò)程中較容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。因此其大、小角度晶界所占比例的變化主要決定于擠壓變形過(guò)程再結(jié)晶的充分程度。擠壓變形后,材料的晶粒得到顯著細(xì)化,當(dāng)擠壓溫度分別為300,200,100和20℃時(shí),計(jì)算得到晶粒平均尺寸分別為5.2,4,2.7和2μm。擠壓過(guò)程中,AZ31鎂合金晶粒大小受應(yīng)變速率以及擠壓溫度的影響,晶粒大小與函數(shù)Z有關(guān),其中Z=ε·exp(Q/RT),ε為擠壓變形時(shí)的應(yīng)變速率,在本實(shí)驗(yàn)中ε=0.57s-1,Q為鎂合金的激活能,其數(shù)值為135kJ/mol,R為氣體常數(shù),T為擠壓過(guò)程的溫度。晶粒大小與Z函數(shù)的關(guān)系如圖4所示。圖4表明:晶粒尺寸隨著Z函數(shù)的變大而變小。在本實(shí)驗(yàn)中,ε、Q和R均為常數(shù),因此實(shí)驗(yàn)中擠壓溫度的高低直接影響到最終AZ31鎂合金晶粒大小,隨著擠壓溫度的降低,晶粒細(xì)化效果也就越來(lái)越明顯。對(duì)經(jīng)過(guò)擠壓的AZ31鎂合金試樣基面{0002}的取向分布進(jìn)行研究,其不同模具溫度條件下的極圖如圖5所示。鎂合金在經(jīng)歷擠壓變形之后通常會(huì)形成基面{0002}平行于擠壓方向的織構(gòu)分布[12,14,15,16,17,18,19]。隨著擠壓溫度的升高,一些非基面滑移系會(huì)在變形過(guò)程中開(kāi)動(dòng),因而,基面的織構(gòu)分布越來(lái)越復(fù)雜。與原始狀態(tài)(圖1b)相比,擠壓之后材料基面織構(gòu)強(qiáng)度顯著減弱。Ion等認(rèn)為,在變形過(guò)程中鎂合金發(fā)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,再結(jié)晶晶粒會(huì)優(yōu)先在原始晶粒晶界處的剪切變形區(qū)形成,并旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離原始晶粒,所以就會(huì)出現(xiàn)變形后基面織構(gòu)強(qiáng)度明顯減弱的現(xiàn)象。此外,原始組織中大多數(shù)的基面平行于擠壓方向,此時(shí)外在作用力垂直于c軸方向,這極有利于發(fā)生{1012}孿生變形,而{1012}孿晶會(huì)逐漸調(diào)整基面垂直于擠壓方向,這也會(huì)造成基面纖維織構(gòu)強(qiáng)度的減弱。對(duì)擠壓得到的AZ31鎂合金棒材進(jìn)行沿?cái)D壓方向的力學(xué)性能測(cè)試。圖6為在室溫條件下,應(yīng)變速率為1×10-3s-1時(shí),AZ31鎂合金棒材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率與擠壓溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。Yoshida等人的研究表明:對(duì)于密排六方結(jié)構(gòu)的鎂合金材料,其力學(xué)性能受到晶粒大小以及組織內(nèi)部織構(gòu)分布的共同影響。圖6表明:隨著擠壓溫度的降低,AZ31鎂合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸增大,而延伸率變化不大;擠壓溫度為20℃時(shí),抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為322和233MPa,其延伸率為21%。擠壓溫度為300和200℃時(shí),很大一部分晶粒的基面沿?cái)D壓方向產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn),而擠壓溫度為100和20℃時(shí),基面平行于擠壓方向。在進(jìn)行沿?cái)D壓方向的拉伸試驗(yàn)時(shí),前者的基面Schmid因子較大,基面處于軟取向,有利于塑性變形,因而與低溫?cái)D壓變形的試樣相比,屈服強(qiáng)度較低,而延伸率較高。對(duì)于織構(gòu)分布類(lèi)似的100和20℃擠壓后的AZ31鎂合金來(lái)說(shuō),20℃擠壓時(shí)材料的晶粒尺寸較小,因此其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率也就較高。Yoshida等人在擠壓溫度為200℃時(shí),采用4道次等徑側(cè)向擠壓變形的方法擠壓得到平均晶粒尺寸為1.9μm的AZ31鎂合金棒材,其晶粒大小與本實(shí)驗(yàn)中室溫?cái)D壓得到的AZ31鎂合金棒材的平均晶粒尺寸(2μm)基本一致。力學(xué)性能測(cè)試表明:等徑側(cè)向擠壓方法制備的AZ31鎂合金屈服強(qiáng)度僅為120MPa,而延伸率卻高達(dá)27%。對(duì)比二者的{0002}面極圖,發(fā)現(xiàn)其基面織構(gòu)沿?cái)D壓方向偏轉(zhuǎn)近45°,其織構(gòu)強(qiáng)度高達(dá)12。當(dāng)沿著擠壓方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),{0002}面的Schimid因子接近最大值,基面處于軟取向,因而屈服強(qiáng)度較低而延伸率較高,表現(xiàn)出良好的室溫塑性。而本實(shí)驗(yàn)20℃擠壓制備的AZ31鎂合金棒材,{0002}面的Schimid因子接近于0,基面處于硬取向,因而屈服強(qiáng)度較高而延伸率較低。3擠壓溫度對(duì)織構(gòu)材料基面織構(gòu)的影響1)擠壓變形顯著地細(xì)化AZ31鎂合金的晶粒,提高材料的力學(xué)性能。擠壓溫度為20℃時(shí),平均晶粒尺寸為2μm,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為32