复合变形应变状态对A231镁合金组织性能的影响

 翟梽锦  王忠堂

 （沈阳理工大学材料科学与工程学院）

摘要分析了压痕-压平复合变形工艺特点及应力与应变状态。研究了压痕-压平复合变形时应变状态对镁合金材料孪晶组织的影响。结果表明，应变状态是镁合金材料产生孪晶的主要因素。拉伸变形区的组织产生了少量的孪晶，晶粒细化不明显；压缩变形区的组织产生了很多细小的压缩孪晶，晶粒细化明显。压痕压平复合变形产生了压缩变形→孪晶组织形成→发生动态再结晶→孪晶消失→晶粒细化的组织演变过程，形成分布均匀的细小的晶粒组织，从而使镁合金板料的组织性能得到有效改善。压痕-压平复合变形使镁合金板材的形核率的增加速率大于晶粒长大率的增加速率，发生了完全 动态再结晶后，晶粒得到进一步细化。

关键词A231镁合金；复合变形；孪晶；微观组织

中图分类号  TG146. 22；TG113. 25  D01:10．i5980／j．tzzz. 2016. 05. 003

 通过强烈塑性变形来产生更多的孪晶组织、滑移系和动态再结晶组织，有利于弱化织构和细化晶粒，提高室温下镁合金的成形性能。杨平等研究发现，在低温时，轧制板材在轧制方向和平面内形成了很高强度的基面织构，这些织构在温度较低时阻碍了基面滑移系的启动，影响了镁合金板材的塑性成形性能。曹凤红等研究发现，A261镁合金在挤锻复合成形工艺过程中，材料组织经过变形与再结晶，晶粒尺寸从铸态的121μm减小为挤压态的8～15 μm，锻压后进一步减小到2～5 μm。经历了挤锻复合成形后，材料的室温抗拉强度、屈服强度、伸长率分别达到315、227 M Pa和20%，比铸态时分别提高了42%、76%和71%。张雷等研究发现，采用低温双向反复弯曲方法并结合退火工艺可以有效细化A231镁合金的晶粒，并且弱化了基面组织。HUANG G S等通过单向弯曲使镁合金板材的基面织构发生偏转从而弱化了基面织构。YANGQ等通过波浪形模具压制镁合金板材，使其晶粒细化到1.4μm。刘劲松等研究发现，A231镁合金板材经过交叉轧制后，各向异性减轻，具有更好的冲压成形性能。陈维平等研究发现，在同一变形量下，随着轧制温度的升高，板材的晶粒呈长大趋势，硬度逐步下降。在330℃轧制时，板材的综合性能较好，随着道次变形量的加大、轧制道次的增加，晶粒尺寸呈减小趋势，硬度逐步上升。张文玉等研究发现异步轧制路径对A231镁合金性能的影响是比较复杂的，应综合考虑异步轧制工艺条件的影响，通过工艺优化提高异步轧制A231镁合金板材的冲压成形能力。结果表明，复合形变可以有效改善A231镁合金的微观组织和力学性能。

  本课题以A231镁合金板材为研究对象，分析了压痕-压平复合变形工艺特点及应力应变状态，讨论应变状态对镁合金材料孪晶组织的影响，以及复合变形改善镁合金材料性能的机理。

1  压痕-压平复合变形工艺特点

  压痕-压平复合变形工艺原理及变形参数定义见图

2试验方案

  试验在1 000 k N的四柱万能液压机上进行，模具加热方法采用电加热棒加热。材料尺寸为90 mm×200 mm×7 mm。齿间比为1:4，坯料加热温度为250℃，变形压下率为29%。

 图3为采用复合变形工艺加工的A231镁合金试1。镁合金板材经过压痕变形（称为一次变形）可以产生较大的切向变形，能够促进镁合金材料动态再结晶的发生，产生更多的孪晶组织和滑移系，有利于细化晶粒和弱化基面织构，显著提高镁合金板材的成形性能。经过一次变形的镁合金板材再经过压平变形（称为二次变形），可以进一步加剧镁合金材料动态再结晶发生，进一步细化晶粒和弱化基面织构，显著提高镁合金板材的成形性能和力学性能。

 在压痕变形时，变形区的应力状态与应变状态不同，见图2a。在P点受两向压应力，在板材径向方向上是拉伸应变，而在W点也受两向压应力，在板材径向上是压缩应变。变形区内同一点经过压平变形时，它们的应变状态恰好相反，见图2b样。复合变形工艺步骤如下：①用加热棒把模具工作部分加热到预定的温度；②将试验板材在电阻炉中加热至预定的变形温度，并且保温一定时间；③取出试验板材进行压痕变形（一次变形）；④将一次变形的板材再进行压平变形（二次变形）；⑤将二次变形后的板材制成试样，并观察金相组织。

  3  试验结果分析

  3.1  应变状态对A231镁合金组织的影响

 复合变形对A231镁合金微观组织的影响见图4。 可以看出，不同部位板料晶粒细化程度不一样，主要与变形程度有关。拉伸变形区的晶粒大小与原始板料晶粒大小相差不大，产生了少量的孪晶。而压缩变形区受到较大的压应力作用，板料产生较大的压缩变形，导致微观组织产生很大变化，压缩变形区的晶粒尺寸与原始板料相比细化了很多，得到了许多细小的压缩孪晶，但仍有少量粗大晶粒保留下来。处于过渡区的晶粒细化情况介于两者之间，产生了较多细小的压缩孪晶，但也有部分初晶保留下来。

 复合变形改善镁合金材料的显微组织，其机理是经过1个道次的复合变形工序后，变形区内每一个质点都发生拉伸变形与压缩变形（或者压缩变形与拉伸变形）的一个周期交替变化，使材料发生压缩变形→孪晶组织形成→发生动态再结晶→孪晶消失→晶粒细化的组织演变过程，形成分布均匀的细小的晶粒组织。

3.2  复合变形对A231镁合金组织的影响

 经过复合变形（压痕变形和压平变形）后镁合金材料显微组织见图5，可以看出，两道次变形后，板料晶粒产生了明显的细化，压痕变形后的显微组织以孪晶组织为主，发生动态再结晶。再经过压平变形后，晶粒得到了进一步的细化。由于镁合金材料在复合变形过程中，产生拉伸变形和压缩变形交替进行，从而使镁合金板材的储存能增加较大，增加了再结晶驱动力，导致形核率与晶粒长大率同时增加；但在交替变形过程中，产生的位错增多并且位错来不及抵消，使再结晶形核速度增加，同时遏制晶粒长大速度，因此发生再结晶后，晶粒得到进一步细化。从图5可以发现，一次变形后产生孪晶组织，再经过二次变形后，孪晶组织消失，产生均匀的等轴晶组织。

3.3板材不同位置A231镁合金的显微组织

 图6为板材不同位置A231镁合金的显微组织。板料的表面与模具直接接触，变形量比较大，晶粒细化比较明显，使性能也有很大的改善。A231镁合金板材在2500C下进行压痕-压平复合变形时，中间层组织变化不明显，但上、下表层晶粒显著细化。表层细晶体积分数和细晶层厚度随着变形道次的增加而增加。通过压痕-压平后复合变形，最终制备出具有表层晶粒细小、中间晶粒粗大的梯度结构组织。表层晶粒细化主要是通过孪晶分割和动态再结晶的发生来实现，其中动态再结晶机制主要为孪生动态再结晶和连续动态再结晶。随着变形道次的增加，晶粒进一步细化，孪晶界所占比例降低。

4  结  论

 (1)应变状态是镁合金材料产生孪晶的主要因素，拉伸变形区的组织产生了少量的孪晶，晶粒细化不明显；压缩变形区的组织产生了许多细小的压缩孪晶，晶粒细化明显；处于过渡区的晶粒细化情况介于两者之间，细小的压缩孪晶和部分初始晶粒都存在。

 (2)经过1个道次的复合变形后，变形区内发生拉伸变形与压缩变形的周期交替变化，使材料发生压缩变形→孪晶组织形成→发生动态再结晶→孪晶消失→晶粒细化的组织演变过程，形成分布均匀的细小的晶粒组织。

 (3) A231镁合金板材在变形温度为250℃下进行压痕-压平变形后，由于板材的表面塑性变形量比较大，因此板材的表面晶粒细化程度好于内部组织。

 (4)复合变形改善镁合金材料性能的机理是在复合变形过程中，产生拉伸变形和压缩变形交替进行，从而使镁合金板材的形核率的增加速率大于晶粒长大率的增加速率，发生完全动态再结晶后，晶粒得到进一步细化。