李　振　蔡慶伍　江海濤　孟　強

摘　要　采用不同異速比對AZ31鎂合金板材進行異步軋制,并將軋后樣品進行顯微組織和X射線衍射分析,研究異速比對鎂合金板材組織和織構轉變的影響. 結果表明:異速比的變化對晶粒形貌影響較大但晶粒細化效果不明顯;當異速比為2.800時,板材內出現了長條晶粒;快速輥側{0002}基面織構強度高于慢速輥側,且板材兩側表面{0002}晶面的偏轉方向相反;異速比對基面織構的強度影響顯著,隨著異速比的增大,基面織構的強度先增加后下降. 這種特殊的織構變化與異步軋制過程中沿厚度方向引入的剪切變形有關.

關鍵詞　鎂合金; 異步軋制; 組織; 織構

變形鎂合金因其高的組織均勻性和細小的晶粒而具有優于鑄造鎂合金的性能. 但是,鎂合金無論是熱變形還是冷變形都產生強的基面織構和對應的強各向異性,這使得鎂合金軋板和擠壓板的拉伸方向是硬取向,一般只有約15%的延伸率,導致鎂合金的室溫成形性較差,所以在加工過程中如何控制織構的強度和取向具有重要意義. 已有研究表明,采用異步軋制( differential speed rolling, DSR)可減弱鎂合金板材的基面織構,提高其性能^[1—2] . 目前關于異步軋制工藝參數包括軋制溫度、變形量和軋制道次等對鎂合金板材組織和織構的影響已有研究^{[ 3—6 ]} ,但關于異速比對異步軋制鎂合金組織及織構的影響,文獻報道較少. 因此,本文以熱擠壓鎂合金板材為原料,對其進行不同異速比的異步軋制,研究其組織和織構的演變,以期為工業化生產提供理論基礎.

1　實驗

1.1　實驗材料

實驗所用的材料采用厚度為2155mm的AZ31鎂合金熱擠壓板材,具體化學成分如表1 所示.AZ31屬于Mg22Al22Zn系合金,是目前工業界使用較廣泛的變形鎂合金牌號. 除了Al和Zn,在AZ31中加入了Mn,它的作用是改善合金的耐蝕性能,且由于成分配方中所用的元素均為工業中常見元素,故該合金的成本較低. 與鑄態鎂合金板材相比,熱擠壓板材晶粒更加細小因而具有更好的可加工性.

1.2　實驗過程

從擠壓板材上截取150mm ×60mm的板材作為軋前試樣,將該試樣在400 ℃下保溫1 h,以便提高其可軋制性能. 實驗方式采用單道次軋制,變形溫度為300 ℃,變形量為20% ,異速比分別為1.125、1.300、1.700、2.000、2.400和2.800,軋后試樣直接放入水中淬火,以保存其軋制狀態下的組織. 軋制過程中通過改變上下工作輥的直徑來實現異步軋制異速比的改變,上工作輥為小輥,下工作輥為大輥.軋材和軋輥表面均無潤滑,軋制方向平行于板材擠壓方向.

采用電火花線切割設備從所有軋后板材中部截取用于金相觀察和進行X射線衍射的試樣. 將金相試樣沿軋制方向上的斷面磨光,然后采用硝酸+甲醇溶液電解拋光,采用苦味酸+冰醋酸溶液侵蝕,在Carl Zeiss光學金相顯微鏡下進行組織觀察. X射線衍射的試樣經2000 號砂紙磨平后,在Dmax1400X射線衍射儀上進行織構的測量,采用Cu Kα射線,管電壓40 kV,電流100mA. 結合透射法和反極圖法測量(0002)晶面的晶粒取向密度,并通過計算機自動分析得到試樣的極圖.

2　結果和討論

2.1　顯微組織

圖1為異步軋制之前原始擠壓板材的顯微組織和(0002)晶面極圖. 可以看出,擠壓板材組織極不均勻,是由很細的再結晶晶粒和沿擠壓方向拉長的粗大晶粒組成的混合組織,晶粒尺寸為6～200μm不等,形成原因可能是擠壓態的變形組織在退火過程中發生了部分再結晶,如圖1 ( a)所示;由圖1 (b)可以清楚地看到,擠壓后的AZ31鎂合金板材中呈現很強的基面織構組分,其基面平行于板面,大部分晶粒的(0002)晶面平行于擠壓方向,晶粒取向分布極值點向軋向的相反方向偏轉了大約15°,與其他金屬類似,鎂合金在擠壓變形過程中形成了典型的

纖維織構.

圖2 為雙輥驅動, 軋制溫度300℃, 變形量20% ,不同異速比下的異步軋制AZ31鎂合金板材金相組織照片.

從圖2可以看出, AZ31鎂合金經過不同異速比軋制后,樣品的晶粒大小不均勻,晶粒內部都出現了大量的變形孿晶,孿晶方向與軋制方向(水平方向為軋向)呈45°. 其原因是鎂合金具有密排六方( hcp)結構,滑移系較少,且層錯能低,滑移變形較困難,低的層錯能降低了孿晶界的界面能,促使在位錯開動前金屬所受應力已達到孿生變形所需應力,發生孿生^{[ 7 ]} . 孿生有兩個主要作用:一方面,孿生應變一定程度上滿足塑性應變;另一方面,孿生導致新的取向,使得滑移在新取向的晶粒中發生. 根據孿晶生長的動力學理論和孿晶中的位錯生長機制可知,變形鎂合金中存在{101-1}壓縮孿晶與{101-2}拉伸孿晶. 這兩類孿晶在金相顯微鏡中的形貌存在很大差異: {101-2}拉伸孿晶形貌是呈寬的透鏡狀,晶界容易遷移;壓縮孿晶的兩側界面平直且平行,寬度很窄,說明壓縮孿晶晶界不易擴展. 因此,圖2的微觀組織表明:隨著異速比的增加,異步軋制板材中均出現壓縮孿晶和拉伸孿晶且兩類孿晶的數量比例無規律可循,證明異速比的變化對鎂合金板材的孿生模式影響較小^{[ 8—9 ]} .

同時,由圖2還可以得出,隨著異速比的增大,晶粒沿著軋制方向被壓扁拉長,晶粒細化效果不明顯. 當異速比為21800時,試樣內存在一些長條晶粒,如圖2 (f)所示. 這說明異速比的變化對晶粒形貌影響較大,而對晶粒大小影響較小. 關于鎂合金在熱軋過程中長條晶粒的形成有兩種看法:一是認為原來是等軸晶,高溫下有合適的晶粒取向和足夠的獨立滑移系(如< a + c >滑移系)的開動,最終形成長條狀,就像立方系金屬晶粒的變形一樣;二是認為它有原始等軸狀粗大晶粒經高溫條件下水平方向的不斷剪切摩擦作用形成,大晶粒消失的慢而部分保留下來. 楊平^{[ 10 ]}對含有這種晶粒的區域進行電子背散射衍射分析,結果顯示大的長條狀形變晶粒內亞晶界較少而晶粒內部菊池帶質量較高,沒有大量位錯滑移造成的不同方向的亞晶界,說明滑移主要發生在晶界附近,大的形變長條晶粒應是逐漸被剪切而演變成的.

另外,觀察六種異速比下金相組織,沒有發現大量的動態再結晶晶粒. 在鎂合金熱軋變形過程中,影響其金相組織變化的因素非常復雜,主要涉及位錯滑移、孿生和動態再結晶等因素. 雖然AZ31鎂合金的層錯能較低,熱軋時不易發生動態回復而易發生動態再結晶,但與靜態再結晶相比,動態再結晶需要更大的臨界變形程度才能發生. 由于實驗條件下軋輥未預熱,實際軋制溫度可能低于300 ℃,因此當道次壓下量為20%時,變形時儲能較低而使動態再結晶發生得不夠完全,金相組織中只有少量細小的動態再結晶新晶粒.

2.2　織構

圖3 為異速比為1.125、1.300、1.700、2.000、2.400和2.800,快(下表面) 、慢(上表面)速輥側(0002)晶面織構極圖.

由圖3可以看出,在六種異速比實驗條件下,異步軋制AZ31鎂合金板材上下表面均表現為基面織構特征,但其晶粒取向有所差別. 與原始擠壓板材相比,軋制板材下表面即快速輥側(0002)晶面密度極值點圍繞板材橫向(TD) 由法向(ND)向軋向(RD)偏轉角度有所改變, c軸偏轉角度由軋制之前的15°減小到5～8°,即基面c軸由法向(ND)向軋向(RD)偏轉了5～8°. 上表面即慢速輥側基面c軸垂直于軋面, (0002)晶面平行于軋面,表現為典型的鎂合金熱軋基面織構特征,且隨著異速比的增大,基面c軸偏轉角度變化不明顯. 另外,板材上下表面的基面取向分布也有所不同,下表面( 0002)晶面取向沿軋向分布,而上表面基面取向分布則與軋向相反. 特別是當異速比為21000時,下表面即快速輥側基面取向強度分布偏向橫向,原因可能與軋制過程中柱面滑移的激活有關.

　圖4是樣品在軋制過程中,基面織構強度隨異速比的變化曲線.

由圖4可見,當異速比為11125時,與同步軋制類似,板材上下表面基面織構強度差別不大. 隨著異速比的不斷增加,快速輥側基面織構強度先增大然后不斷減小,而在慢速輥側基面織構強度變化不大, (0002)晶面織構取向和強度沿厚向呈不對稱分布. 這種織構取向和強度的不對稱分布可能與異步軋制特殊的變形過程有關. Kim等^{[ 11 ]}認為,同步軋制過程中,板材上下表面中性點(剪切應力方向發生改變的一點)的位置是固定不變的. 但是,在異步軋制過程中,作用剪切變形區上的軋制壓力、摩擦力和張力與常規軋制不同,中性點的相對位置是變化的,快速輥側指向出口方向,慢速輥側指向入口方向. 即與同步軋制相比,異步軋制的搓軋區與快、慢輥接觸弧的摩擦阻力方向完全相反. 快速輥側板帶的摩擦力指向出口方向,而慢速輥側板帶的摩擦力指向入口,如圖5所示^{[ 6 ]} . 因此,在慢輥側,剪切應力的方向指向入口,而在快輥側剪切應力的方向指向出口,這與圖2的基面取向分布方向相同. 在軋件出口處,慢速輥側的板材已完全脫離軋輥而快速輥側仍與軋輥相接觸,因此快速輥側存在很大的剪切應力和壓應力且該側金屬發生了剪切滑動. 所以,在快速輥側產生大角度基面滑移,形成基面滑移織構,晶粒c軸沿軋向的相反方向發生了輕微的偏轉,如圖5 ( b)所示;而在慢速輥側表面幾乎不產生剪切變形,形成錐面滑移織構. 從而使軋制過程中金屬流動產生了特殊變化,快速輥側基面織構強度高于慢速輥側且晶體取向沿板厚的分布呈非對稱分布. 盡管剪切應力對熱軋鎂合金板材織構的具體演變機理還有待進一步研究,結合圖3和圖4的結果,仍可以認為剪切力是基面織構弱化的一個重要原因.

此外,研究表明,異速比增大,剪切力和壓應力同時增大,但剪切力增加的速率高于壓應力^{[ 12—13]} .當異速比較小(1.125和1.300)時壓應力對晶體取向轉動的貢獻大于剪切力, (0002)晶面平行于軋面,試樣形成了較強的基面織構,當異速比為1.300時基面織構強度最大. 隨著異速比的不斷增大,大于11300時,剪切力弱化基面織構的作用逐漸增強,促使c軸由法向向軋向發生了一定角度的偏轉,(0002)晶面擇優取向減弱. 因此,基面織構強度隨異速比的變化表現為先增大后減小的趨勢. 雖然異速比為1.125和2.800時,基面織構強度相差不大,但由圖3 ( a)、圖3 (f)可以看出兩種試樣的基面織構取向有所不同. 異速比為1.125時(0002)晶面平行于軋面,而異速比為21800時基面c軸發生了偏轉.同時,對比圖2 (a) 、圖2 (f)可知,兩種異速比的金相組織差異較大,在高異速比下( 21800時)試樣內出現了一些長條晶粒. 這種不同異速比下組織和織構的差異將會對后續退火組織和織構的演變產生重要影響,關于這一問題還有待于進一步的研究.

3　結論

(1) 異速比對異步軋制鎂合金板材的組織影響較小,但對織構的演變影響較大.

(2) 鎂合金在六種異速比條件下,快速輥側基面c軸由法向(ND)向軋向(RD)的偏轉角度變化規律不明顯,而慢速輥側基面c軸并沒有發生偏轉,表明異速比對基面c軸偏轉角度影響較小.

(3) 快、慢速輥側基面取向分布方向與剪切應力方向相同,說明沿板材厚度方向分布的剪切應力是基面取向發生轉動的重要原因.

(4) 快速輥側基面織構強度高于慢速輥側,且隨著異速比的增加, (0002)晶面織構強度先增加后減小.

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