多道次大压下轧制对AZ31镁合金薄板 组织和性能的影响

  纪汶伯，赵红阳，胡小东，刘子健，刘  蒙，王立萍

  （辽宁科技大学镁合金铸轧工程中心，辽宁鞍山114051）

摘要：对AZ31镁合金薄板分别进行多道次小压下及大压下轧制，平均道次压下率分别为14. 5%和46%，研究两种轧制方式下AZ31镁合金的组织演变与力学性能。结果表明，小压下轧制AZ31镁合金板材表面氧化严重，组织逐渐均匀变细小，力学性能逐渐升高；大压下轧制方式AZ31镁合金板材表面氧化程度小，但是随着道次增加，表面出现薄屑，组织逐渐均匀细小，而剪切带越来越明显，力学性能逐渐下降。大压下轧制的板材组织中出现剪切带能够明显降低其力学性能。大压下轧制过程中，动态再结晶一直发挥重要作用，而小压下轧制初期主要变形机制为滑移，随着道次增加动态再结晶逐渐参与协调变形。

关键词：大压下轧制；AZ31镁合金薄板；剪切带

中图分类号：TC146. 22；TC339  文章编号：1007 - 7235( 2016) 02 - 0028 - 04 

镁合金薄板以其轻质、高强、环保等优点，在交通运输、电子仪表、医疗器具等产品中得到越来越多的应用。在3C电子产业中，手机外壳和笔记本外壳厚度一般为0.3 mm～0.8 mm，用镁合金做外壳具有良好的电磁屏蔽性能，质量轻。镁合金电池作为新型环保电池有着诸多优点，镁电池的负极材料采用的镁合金薄板厚度一般为0. 25 mm~0.5 mm。相对于钢和铝合金，镁合金的塑性较差，生产难度增大。而镁合金薄板的生产对于设备、控制精度的要求更高，生产工艺与产品质量不稳定。

 近些年来，为减少轧制道次，缩短轧制流程，人们对镁合金大压下率轧制方法进行了一些探索。J．A．del Valle等在大压下热轧AZ61镁合金研究中发现基面织构得到削弱，并由此提出了旋转动态再结晶形核机制。田津对厚度10 mm的AZ31B镁合金进行单道次大压下轧制，轧制温度400℃，得到了厚度为2 mm、综合力学性能良好的板材，表明大压下轧制工艺是可行的。丁云鹏对厚度为30 mm的均匀化处理后的AZ31镁合金铸锭进行70%~80%的单道次开坯轧制及后续精轧，发现在3000C~350℃大压下开坯及后续精轧能够均匀细化组织，板材的塑性好，各向异性小。Fei Guo等研究了不同轧制速率下，单道次大压下轧制镁合金的组织演变和力学性能。发现低速大压下轧制能够产生大量孪晶和剪切带，其中孪晶会提高板材的强度而减小伸长率，剪切带则是材料中的软区；高速大压下轧制会促进再结晶，从而提升板材的强度和伸长率。

 在以往的研究中，基本集中于关注单道次大压下轧制，而很少有对镁合金进行连续大压下轧制。本研究分别以小压下率和大压下率对镁合金进行多道次轧制，对比分析材料的组织演变和力学性能。

1  研究方法与试验材料

 试验原料为商业AZ31镁合金挤压板，厚度1.3mm，宽度60 mm。化学成分（质量分数）为：Al 3%，Zn 1%，余量为Mg。轧制前将其置于箱式马弗炉中退火，退火温度3500C，保温时间3h，图1为退火后显微组织。试验轧机为自主设计六辊可逆轧机，轧辊中空通热油以加热轧辊，并且维持其温度稳定。工作辊直径D= 80 mm，轧制速度v=20 mm/s~40mm/s，轧辊表面温度T=250C。为方便咬入，预先在料头处打磨出一定坡角。本试验两种轧制工艺见表1，轧制后试样尺寸有微小的偏差。此试验设计将AZ31镁合金板材由1.3 mm轧至0.2 mm，总变形率为84.6%。采用小压下率需12道次完成轧制，平均道次压下率为14. 5%；采用大压下率只需3道次完成轧制，首道次压下率可达61. 6%，2、3道次压下率分别为40%和33. 3%，平均道次压下率达44.7%。

 轧后板带在电火花线切割机上制备拉伸试样，标距长度为25.4 mm。在MTS810多功能材料力学试验机上进行常温拉伸试验，拉伸速度5 mm/min。在ZeissAxioskop2金相显微镜下观察显微组织。

2  结果与讨论

2.1  不同轧制工艺AZ31镁合金薄板的显微组织

 图2为两种轧制工艺下AZ31镁合金薄板的显微组织，由图可以观察到，随着轧制道次的增加，材料显微组织的均匀性越来越好，晶粒平均尺寸逐渐变小，相比之下大压下轧制方式细化晶粒作用更强。对比图2a、d可以看到：小压下轧制中的大晶粒均沿着轧制方向拉长，并且一些小晶粒也由于畸变形成短条状，这说明晶粒的塑性得到充分发挥；大压下轧制中的大晶粒畸变比较小，其周围由许多细小晶粒包围，它们是动态再结晶新晶粒；此外小压下轧制中也能够发现动态再结晶，但其数量较少，分布较为弥散。对比图2b、e可以看到：两种轧制方式所得到组织的均匀程度基本一致，组织中均有少量的大晶粒，其他晶粒均为动态再结晶晶粒，但是大压下轧制中的晶粒尺寸要明显小于小压下方式的，并且大压轧制的板材其边部出现了剪切带特征。对比图2c、f可以看到：小压下轧制的板材组织中仍有少量的长条晶粒，大压下轧制的板材组织中出现了明显的剪切带。

 大压下轧制方式下，首道次出现了大量动态再结晶，原始大晶粒呈岛状分布于小晶粒包围中，说明除滑移外，动态再结晶机制在大压下变形初期发挥主要作用。而小压下轧制方式下，其原始晶粒出现较大畸变并且被拉长，这说明其位错滑移进行的较为充分，即滑移机制在小压下变形初期发挥主要作用。经过若干道次轧制后，两种轧制组织均呈现细小晶粒，说明在变形中期，两种轧制方式主要变形机制均为动态再结晶。在轧制变形后期，虽然其晶粒细小，但是仍然能够累积畸变能而发生动态再结晶，使晶粒进一步细化。并且当晶粒细化至一定程度，便可以激发晶界滑移机制，协调变形。此外，大压下轧制方式下，随着道次增加，其剪切带越来越明显。

 绝热剪切带一般在高应变速率下产生，并且其出现是材料失效的前兆，其组织南极其细小的等轴晶（小于0.5 μm）组成，通常在冲击试验巾能够观察得到。在镁合金中观察到的剪切带组织也具有细小等轴晶这一特征，虽然其应变速率与冲击试验相比较低，但是镁合金此种材料塑性较差，因此导致其在大应变加工过程中也能够出现剪切带，即镁合金在经历大应变加工后，受剪切带影响可能会导致局部强度下降。

2.2  不同轧制工艺AZ31镁合金的力学性能

 两种轧制工艺AZ31镁合金板材的力学性能见图3。可以看出，小压下轧制方式下，材料的强度逐渐增大，而在0.19 mm厚度时出现小幅度下降，但是伸长率提高，并且强度仍然在较高水平，屈服强度为217.38 N/mm2，抗拉强度为303.17 N／mm2，伸长率为9. 89%。大压下轧制方式下除了首道次强度提升，2、3道次均出现下降，并且最后一道次0. 19 mm厚度时其综合力学性能极差，屈服强度为161.9 N/mm2，抗拉强度为205.7 N／mm2，伸长率5. 22%。对比图2c、f，0.19 mm厚度板材的显微组织能够观察到，二者明显的不同在于是否出现剪切带。由此可见，剪切带能够严重削弱材料的力学性能。大压下方式的0.29 mm厚度板材强度的下降也是由于边部出现了少量剪切带。而对于小压下轧制方式，随着道次增加，晶粒尺寸逐渐减小，因此由于细晶强化的作用，材料强度逐渐提高。在晶粒尺寸减小至一定程度，材料受力能够激发晶界滑移，可以提高材料变形协调能力，因此其0. 19 mm厚度板材伸长率出现回升。根据图2f可以观察到下边部出现小晶粒的偏聚呈现出方向性，而这一组织与剪切带类似，因此0.19 mm厚度板材的强度下降可能与此有关。

2.3不同轧制工艺AZ31镁合金板材的表面质量

 图4为两种工艺轧制后实物图，可以看到小压下多道次轧制试样的表面较黑，而大压下轧制试样表面则较为光泽。这是因为轧件表面在与轧辊接触时会产生氧化，而道次越多表面氧化越严重，从图中也可以看到小压下0.19 mm厚度板材试样表面氧化要比0.5 mm厚度的严重一些。大压下轧制首道次没有出现边裂；第二道次出现了个别小边裂，并且表面光泽度下降；第三道次边裂增多，并出现了个别较深三角状的边裂，而且表面出现薄屑，表面质量较差，这很可能是组织中出现剪切带而造成的，剪切带使表面局部区域强度下降，并且在轧制力作用下出现微裂纹，进而发展为掉屑。小压下轧制随着道次增加，边裂程度也逐渐增加，虽然表面氧化严重但没有出现其他表面缺陷，表面质量较为稳定。

3  结  论

 1)实现了AZ31镁合金薄板的大压下轧制，首道次压下率可达61. 6%，首道次的试件表面质量好，边裂少，力学性能优异。

 2)小压下多道次轧制和大压下少道次轧制两种轧制方式的变形机制不同。小压下轧制初期主要变形机制为滑移，而随着道次增加，动态再结晶逐渐参与协调变形；大压下轧制过程中，动态再结晶则一直发挥着重要作用。

 3)几道次大压下轧制AZ31镁合金板材的力学性能较差，因为其组织中出现了剪切带，并且轧制道次越多，剪切带越明显，力学性能越差。