简介概要

循环交叉轧制对ZK60镁合金组织和性能的影响

来源期刊：稀有金属2018年第9期

论文作者：吴泽丽梁益龙孙皓秦少杰张世伟

文章页码：909 - 917

关键词：循环交叉轧制;晶粒;硬度;屈服强度;抗拉强度;延伸率;

摘要：通过采用循环交叉轧制(每轧一次旋转90°,4次叫一个循环)的方式,研究其对ZK60镁合金棒材组织和性能的影响。采用金相显微镜(OM),X射线衍射(XRD),电子扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM),显微硬度仪,MTS801立式实验机研究了循环轧制后的组织、析出相、断口、织构、硬度和拉伸性能。结果表明:未变形的ZK60镁合金在温度降低的同时经过循环交叉轧制后晶粒从132μm细化到1. 42μm,硬度提高了50%,屈服强度提高了135%,抗拉强度提高了45%,延伸率经过3道次轧制后从9%降到5. 3%,4道次回升到7. 5%,5到7次略微下降,8次上升到8. 98%,9道次又下降了0. 28%;在轧制过程中,析出相的数量随轧制道次的增加而增加,且弥散分布于晶粒内部和晶界,大幅提高了材料的力学性能;通过对轧制过程中织构的分析可得,4和8道次的织构强度相对较弱,与4和8道次延伸率的上升相协调,所以很好地证明了通过采用循环交叉轧制的方式能够显著提高了ZK60镁合金的力学性能,增加材料的组织均匀性和等轴性。

网络首发时间: 2017-12-25 16:32

稀有金属 2018,42(09),909-917 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17080001

循环交叉轧制对ZK60镁合金组织和性能的影响

吴泽丽梁益龙孙皓秦少杰张世伟

贵州大学材料与冶金学院贵州省材料结构与强度重点实验室高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室

摘要：

通过采用循环交叉轧制 (每轧一次旋转90°, 4次叫一个循环) 的方式, 研究其对ZK60镁合金棒材组织和性能的影响。采用金相显微镜 (OM) , X射线衍射 (XRD) , 电子扫描电镜 (SEM) , 透射电镜 (TEM) , 显微硬度仪, MTS801立式实验机研究了循环轧制后的组织、析出相、断口、织构、硬度和拉伸性能。结果表明:未变形的ZK60镁合金在温度降低的同时经过循环交叉轧制后晶粒从132μm细化到1. 42μm, 硬度提高了50%, 屈服强度提高了135%, 抗拉强度提高了45%, 延伸率经过3道次轧制后从9%降到5. 3%, 4道次回升到7. 5%, 5到7次略微下降, 8次上升到8. 98%, 9道次又下降了0. 28%;在轧制过程中, 析出相的数量随轧制道次的增加而增加, 且弥散分布于晶粒内部和晶界, 大幅提高了材料的力学性能;通过对轧制过程中织构的分析可得, 4和8道次的织构强度相对较弱, 与4和8道次延伸率的上升相协调, 所以很好地证明了通过采用循环交叉轧制的方式能够显著提高了ZK60镁合金的力学性能, 增加材料的组织均匀性和等轴性。

关键词：

循环交叉轧制;晶粒;硬度;屈服强度;抗拉强度;延伸率;

中图分类号： TG146.22;TG339

作者简介：吴泽丽 (1989-) , 女, 贵州人, 硕士研究生, 研究方向:先进金属材料;E-mail:2438752269@qq.com;;*梁益龙, 教授;电话:13037826595;E-mail:liangyilong@126.com;

收稿日期：2017-08-01

基金：国家自然科学基金项目 (51461006);贵州省基础应用重大应用研究项目 (黔科合重大专项字[2014]6013) 资助;

Microstructure and Properties of ZK60 Magnesium Alloy with Circle Cross Rolling

Wu Zeli Liang Yilong Sun Hao Qin Shaojie Zhang Shiwei

Key Laboratory of Material Structure and Strength of Guizhou Province, National Local Co-Construction Engineering Laboratory for High Performance Metal Structure Material and Manufacturing Technology, College of Materials and Metallurgy, University of Guizhou

Abstract：

The effect of circle cross rolling (rotating 90° after a pass, 4 passes is a circle) on microstructure and properties of ZK60 magnesium alloy were investigated. Optical microscope (OM) , X-ray diffraction (XRD) , scanning electron microscopy (SEM) , transmission electron microscopy (TEM) , micro hardness tester and MTS801 were used to research microstructure, precipitates, fracture, texture, hardness and tensile property. The results showed that the grain size was reduced from 132 μm to 1. 42μm, the hardness increased by 50%, the yield strength increased by 135%, the ultimate tensile strength increased by 45%, the elongation decreased from 9% to 5. 3% after 3 passes, it increased to 7. 5% and 8. 98% respectively after 4 and 8 passes, and decreased slightly after 5 to 7 passes and 9 passes. The precipitates increased with the rolling passes, the texture intensity of 4 and 8 passes was relatively weakened, which proved that using cyclic cross rolling could improve the mechanical properties of ZK60 magnesium alloy.

Keyword：

circle cross rolling; grain size; hardness; ultimate tensile strength; yield strength; elongation;

Received： 2017-08-01

镁合金作为迄今为止工程应用中最轻的金属材料, 广泛应用于航空航天、汽车和3C电子等工业领域, 变形镁合金的应用和研究备受关注^[1], 在变形镁合金中, Mg-Zn-Zr系合金具有最高的强度、良好的塑性及耐蚀性, 也是目前应用最多的变形镁合金之一, 典型合金为ZK60合金。然而, 一方面镁作为密排六方结构, 滑移系较少, 在低温下变形非常困难, 所以在很大程度上阻碍了镁合金的发展和应用;另一方面, 镁合金相对于钢和铝合金金而言, 强度低, 塑性差。为了提高镁合金^[2]的塑性成型性, 就必须在高温下加工, 因为这能够激活多系滑移^[3], 然而高温加工不仅成本高, 还会导致晶粒粗化。

晶粒细化和织构改善是提高镁合金力学性能的重要途径^[4]。传统变形镁合金的平均晶粒尺寸通常大于10μm^[5]。通过传统的塑性变形和随后的退火^[6]处理大幅增强了镁合金的基体织构, 大大降低了镁合金的成型性。目前, 针对镁合金的成型性及塑、韧性的改善已有大量的研究和报告, 主要集中在细晶强化理论和各种技术手段的改变, 例如等径角挤压、差速轧制和高应变速率热轧制^[7,8,9]等技术都能很好地细化晶粒和提高材料的力学性能^[10,11,12]。但是这些大塑性变形工艺也存在很多问题, 比如强度提高了但塑性却大幅降低, 或者是塑性提高了强度反而降低等等。针对这些问题, 本文在传统轧制工艺上进行了改善, 采用降低温度结合循环交叉轧制的方法来实现ZK60镁合金的晶粒超细化和织构弱化, 在提高镁合金材料强度的同时, 保持了较高的塑性, 这对该镁合金的应用具有重要意义。

1实验

1.1材料及预处理

实验采用的原材料为无锡市台城金属材料制品有限公司提供的轧制态的ZK60板材, 尺寸为200 mm×200 mm×25 mm, 成分如表1所示, 轧制前将试样加工成Φ25 mm×160 mm, 预处理工艺为400℃/24 h固溶处理后立即水淬。

1.2轧制工艺

将Φ25 m×160 m的固溶样在三相异步轧机上经过9道次轧制到Φ9.5 mm, 每道次变形量为6.8%, 实验过程中每轧一次就旋转90℃, 温度从330℃降到250℃, 每道次降低10℃, 保温10min, 轧后立即水淬, 轧机转速为970 r·min^-1。

表1 实验用镁合金ZK60化学成分Table 1Chemical composition of experimental ZK60magnesium alloy (%, mass fraction) 下载原图

表1 实验用镁合金ZK60化学成分Table 1Chemical composition of experimental ZK60magnesium alloy (%, mass fraction)

1.3光学显微组织观察

每一道次轧制后用线切割切取5 mm×5 mm×5 mm试样, 先用超声波清洗, 然后用镶样机镶样, 再用光学显微砂纸预磨, 用氧化硅抛光粉进行抛光, 用含有4 ml蒸馏水+12 ml酒精+1 ml浓硝酸+3 ml冰乙酸的腐蚀液腐蚀5~12 s, 用酒精清洗吹干后用OLYMPUS倒置式金相显微镜GMP3 (配数码相机) (OM) 观察晶粒及组织, 晶粒大小用平均线性截距法来测量。

1.4析出相分析

采用FEI Tecnai G2 F20透视电镜 (TEM) 结合Bruker D8 Focus X射线衍射 (XRD) 对每道次轧制后的析出相进行分析, 采用专业图像分析软件对透射电镜图片中不同轧制道次的析出相尺寸进行统计计算。

1.5硬度测试

用HVS-1000数显显微硬度仪测每道次轧制前后硬度变化情况, 载荷为0.98 N, 保持10 s, 每个样上取多个点, 然后取其平均值。

1.6拉伸性能

每次轧制后取相应的拉伸试样, 尺寸如图1所示, 采用MTS立式实验机进行拉伸性能测试, 室温拉伸速率为0.5 mm·min^-1。

1.7极图分析

采用Bruker D8 Focus XRD对每道次轧制后的 (0002) 基面极图进行分析。

1.8断口形貌

用SUPRA 40型场发射扫描电子显微镜 (SEM) 来观察第二相及断口形貌。

2结果与讨论

2.1显微组织

图2为的ZK60镁合金及其固溶态的组织图, 从图2 (a) 可以看出, 原始晶粒为粗大的等轴晶, 用平均线性截距法测得平均晶粒尺寸约为126μm, 晶界伴随有不规则的黑色线条析出, 从图3EDS成分分析可以看出, 其主要为Mg-Zn析出相;从图2 (b) 可以看出, 经400℃/24 h固溶处理后, 析出相基本固溶于基体, 能够有效地提高镁合金的塑性变形能力。

图1 ZK60镁合金的拉伸试样尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen of ZK60 Mg alloy (mm)

图2 ZK60镁合金的显微组织Fig.2 Microstructures of ZK60

(a) Original; (b) Solution treated at 400℃/24 h

从图4 ZK60镁合金不同轧制道次后的组织图可以看出, 经过第一道次轧制后, 原始大晶粒开始被压扁, 晶界部分弓弯并伴随着少量的析出相, 晶粒内部出现部分孪晶和二次孪晶, 但还未出现再结晶晶粒^[13];经2道次扎制后, 孪晶数量增加, 晶界开始出现再结晶晶粒, 析出相的数量也在增加;到了3道次, 原始晶粒被压碎成花瓣状^[14], 大量的再结晶开始在孪晶处形核, 再结晶数量和析出相数量大幅增加, 孪晶数量减少;到了4道次, 花瓣状的晶粒几乎完全被压成流线型;从5次到7次, 随着轧制道次的增加, 变形量增加, 再结晶数量越来越多, 析出相也越来越细小, 孪晶已基本转化完全转化为再结晶晶粒;到了8道次, 再结晶晶粒达到了90%以上, 但还存在被压碎的一些相对较大的晶粒;经过9道次, 合金基本完全再结晶, 晶粒为细小的等轴晶, 平均晶粒尺寸为1.42μm, 如图5晶粒尺寸随轧制道次的变化所示。

图3 ZK60镁合金的EDS成分分析Fig.3 EDS analysis of ZK60

图4 ZK60镁合金不同轧制道次后的组织图Fig.4 Microstructures of ZK60 Mg alloy after different rolling passes

(a) 1 pass; (b) 2 passes; (c) 3 passes; (d) 4 passes; (e) 5 passes; (f) 6 passes; (g) 7 passes; (h) 8 passes; (i) 9 passes

2.2轧制过程中析出相的变化

从图6 ZK60镁合金析出相随轧制道次的变化可以看出, 未变形的ZK60镁合金经过400℃/24 h固溶处理后第二相基本溶于基体, 从图4 (a) 可以看出, 经过第一道次轧制后, 第二相开始沿晶界析出, 从图6中也看到随着轧制道次的增加, 衍射峰也在增加, 意味着第二相的数量也在增加;结合图7 ZK60镁合金不同面积的析出相分布图同样可以观察到, 第二相占基体的比例随着轧制道次也是增加的, 但刚开始轧制时第二相尺寸相对较大 (从3道次就可观察到) , 随着轧制道次的增加, 第二相尺寸越来越细化, 到8和9道次时, 平均尺寸约为300 nm左右;再从图8 ZK60镁合金8道次轧制后TEM及其EDS成分分析也同样观察到, 大量微纳尺度的第二相弥散分布于晶粒内部, 但同时也存在部分粗大的第二相聚集在晶界附近如图4所示。根据文献[15-16]报道:一种为粗大的块状MgZn₂相, 该相主要是在凝固过程中形成, 并具有较好的稳定性;另一种为细小的粒状MgZn相, 为ZK60合金中的主要析出相。这些析出相的存在能够阻碍合金中的位错运动和晶界迁移, 稳定亚结构, 有利于形成细小的再结晶晶粒, 促进原始粗晶转变为细小的等轴晶, 从而有效提高材料的力学性能。

图5 ZK60镁合金晶粒尺寸随轧制道次的变化Fig.5 Grain size distribution of ZK60 with rolling passes

图6 ZK60镁合金析出相随轧制道次的变化Fig.6 Precipitations of ZK60 Mg alloy after different rolling passes

图7 ZK60镁合金不同面积的析出相分布图Fig.7 Distribution diagram of precipitations of ZK60 Mg alloy with different areas

2.3轧制道次对其硬度的影响

从图9可以看出, 未变形以前, ZK60镁合金比较软, 硬度约为HV 69, 经过第一道次轧制后, 硬度迅速增加到HV 78.64, 当变形量较小时, 大量的位错塞积在晶界引起应力集中, 产生加工硬化;但从轧制2到6道次硬度变化比较缓慢, 这是由于随着变形量的增加, 动态回复和动态再结晶缓解应力集中;从7到9道次, 硬度值大幅度上升, 到9道次硬度值增加到了HV 102.08, 这与动态再结晶大于加工硬化, 又有大量的第二相析出的综合结果, 从而使硬度值大幅度增加。

图8 ZK60镁合金经过8道次轧制后TEM及其EDS成分分析Fig.8 TEM (a) and EDS component analysis (b) of ZK60 Mg alloy after 8 rolling passes

图9 硬度随轧制道次的变化Fig.9 Change of micro-hardness with rolling passes

2.4轧制道次对拉伸性能的影响

图10为ZK60镁合金强度和塑性与轧制道次变化的关系图, 未经轧制的原始ZK60镁合金屈服强度为141.36 MPa, 抗拉强度为238.03 MPa, 延伸率为9%, 随着轧制次数的增加, 屈服强度和抗拉强度都增加。而延伸率随着轧制次数的变化无明显规律性, 1~3次轧制后延伸率逐步下降, 4道次延伸率显著提升, 5~7道次缓慢下降, 8道次显著提升, 9道次轧制后有所降低。从图10中力学性能变化情况分析得知, 轧制8和9道次后, 材料具有优良的综合力学性能。轧制8道次后, 屈服强度达到331.72 MPa, 抗拉强度达到343.03 MPa, 延伸率为8.98%;轧制9道次后, 屈服强度达到332.36MPa, 抗拉强度达到345.92 MPa, 延伸率为8.7%。与初始未经轧制样品相比, 屈服强度分别提高57.39%和57.47%, 强拉强度分别提高30.61%和31.19%, 而延伸率几乎不变。轧制8或9道次以后ZK60镁合金具有很好的强度与塑性匹配关系。

图1 0 ZK60镁合金强度和伸长率随轧制道次的变化Fig.10Change of strength and elongation of ZK60 Mg alloy with rolling passes

2.5轧制过程中的织构演变

图11为ZK60镁合金的 (0002) 基面极图, 通过第一道轧制后, ND方向织构最大强度为2.65, 织构强度沿ND方向偏离RD方向, 织构逐渐减弱。第3道轧制后, ND方向织构最大强度为6.58, 织构主要集中在与ND方向成60°夹角范围内。第4道次轧制后, ND方向最大强度为1.53, 与ND成90°范围内也存在强度为1.53的织构。8道次轧制后中心区域织构几乎为0, 最大织构强度仅仅为1.41, 最大织构强度与ND方向的夹角也较大, 织构存在于与ND方向成60°~90°夹角范围内。9道次轧制后, ND方向最大强度为1.3, 织构强度沿TD方向逐渐增大, 最大达2.99。

图1 1 ZK60镁合金的 (0002) 基面极图 (RD, TD分别为竖直和水平方向) Fig.11 (0002) pole figures of ZK60 Mg alloy (RD being aligned with vertical axis and TD being parallel to horizontal axis)

(a) 1 pass; (b) 3 passes; (c) 4 passes; (d) 8 passes; (e) 9 passes

2.6断口形貌

从图12 (a) 可以观察到未变形时断口有大量的韧窝和撕裂棱, 粗大晶粒晶界伴随有大量的第二相, 断裂方式为韧性断裂为主;从图12 (b) 可以看到仍然存在大量的韧窝和撕裂棱, 晶粒变得更加粗大, 第二相基本固溶于基体, 断裂方式以沿晶断裂为主;从图12 (c~g) , 刚开始变形量较小时, 可以看到大量的解理面和解理台阶, 发生明显的脆性断裂, 随着轧制道次的增加, 变形量增大, 晶粒越来越细小, 除了观察到解理面和解理台阶外, 韧窝和撕裂棱的数量也越来越多, 发生明显的韧—脆混合断裂;图12 (i) 为大量的撕裂棱和韧窝, 到图12 (j) 可以看到大量比较分布均匀的韧窝, 发生明显的韧性断裂, 塑性相比前几道次大幅提高;但从图12 (k) 可以看到韧窝数量明显减少, 出现少量解理台阶, 是由于9道次轧制的不对称会引起塑性下降, 这和图10的拉伸曲线相对应。

2.7强韧化机制

ZK60镁合金轧制后强度呈现逐渐增加的变化趋势, 由以上表征得到的各道次轧制后镁合金晶粒尺寸及析出相可知, 晶粒在随轧制道次的增加逐渐细化, 由最初的131.6μm细化到1.42μm, 析出相Mg-Zn化合物则随轧制道次的增加也逐渐增加。所以ZK60镁合金强度随轧制道次的增加可通过以下两个方面来解释:第一, 随着晶粒的细化, 晶界总体积增加, 晶界作为位错运动的障碍^[17], 位错在运动过程中受到的阻碍, 宏观上表现为材料强度的增加。如图13所示, 为循环交叉轧制ZK60镁合金的Hall-Petch^[18]关系, 从图13中可以观察到前7个道次细晶强化对强度的增加较明显, 因为通过数值拟合得出, Hall-Petch关系中的系数k值约为543.27 MPa·μm^0.5, 其中, 线性系数约为0.9, 接近1, 说明晶粒尺寸和屈服强度符合Hall-Petch关系, Hall-Petch关系中的k值可以体现晶粒细化对强度增加的作用, k值越大, 晶粒细化对强度的增加效果越明显。一般的, 传统轧制合金的Hall-Petch关系的k值为280至320 MPa·μm^0.5[19], 而采用循环交叉制的ZK60镁合金前7个道次的k值增加到约为传统轧制态的2倍左右, 这说明循环交叉轧制后, 原始晶粒粗大时, 晶粒细化对强度增加的效果较为明显。但从图13同样可以看到, 到了8和9道次, 晶粒细化对强度的贡献却不明显, 所以细晶强化只是针对粗晶而言的, 当晶粒细化到一定程度后, 偏离Hall-Petch关系, 再进一步的细化对强度已意义不大。第二, 析出相MgZn化合物位于晶粒内部和晶界附近, 且从图6, 7可以看到析出相的量随轧制道次而增加, 尺寸随轧制道次减小, 大量微纳尺度的析出相阻碍位错滑移, 宏观上也起到增加材料强度的作用, 所以到了8和9道次强度值依然在增加 (如图10) 。综上所得, ZK60镁合金经过循环交叉轧制后, 材料的强度是由细晶强化、第二相弥散强化共同作用的。

图1 2 ZK60镁合金的断口形貌Fig.12 Fracture morphologies of ZK60 Mg alloy

(a) Original rolled; (b) Solution treated at 400℃/24 h; (c) 1 pass; (d) 2 passes; (e) 3 passes; (f) 4 passes; (g) 5 passes; (h) 6 passes; (i) 7 passes; (j) 8 passes; (k) 9 passes

图1 3 循环交叉轧制ZK60镁合金的Hall-Petch关系Fig.13Hall-Petch relationship of ZK60 magnesium alloy by cyclic rolling

ZK60镁合金的塑性的变化规律与轧制过程中织构的形成密切相关。1, 3, 4, 8, 9道次轧制后伸长率分别为6.13%, 5.3%, 7.5%, 8.98%, 8.7%。结合图11 ZK60镁合金的 (0002) 基面极图可以得到图14 ZK60镁合金经过1, 3, 4, 8, 9道次轧制后延伸率随 (0002) 极图中心ND方向最大密度变化规律, 显然ZK60镁合金 (0002) 基面织构强度影响其延伸率, 随基面 (0002) 织构最大密度的增加, 延伸率呈现下降趋势。通常镁合金板状试样经过轧制后材料基面织构明显, 造成晶体中大部分 (0002) 基面平行于轧制方向, 并且ND方向最大密度较大^[20]。由于棒材旋转交叉轧制过程材料受力状态与板状试样轧制过程受力状态完全不同, 粗晶状态轧制产生的拉伸孪晶使晶体学取向绕轴旋转约86°, 每一道次轧制改变压缩轴导致 (0002) 基面织构的演变^[21]。延伸率与 (0002) 基面最大织构密度不是完全呈线性关系, 这可能是由于偏离ND方向也存在较强的 (0002) 基面织构, 偏离ND方向的 (0002) 基面织构使ZK60镁合金的延伸率有所提高。因ZK60镁合金为密排六方材料, 轴比接近理想轴比1.633, 通常镁合金塑性变形滑移系通常为{0002} , 塑性变形过程中只有当取向不利时会伴随孪生, <c+a>锥面及柱面滑移。对比分析经过3和8道次轧制后ZK60镁合金 (0002) 极图, 3道轧制后大部分晶粒c轴与ND方向平行或夹角很小, 因此{0002} 滑移系施密特因子较低, 大部分晶粒{0002}面上位错运动受到障碍, 宏观上表现为材料塑性变形困难^[22], 因此伴随着延伸率仅为5.3%。而8道次轧制后{0002}基面织构最大强度仅为1.41, 并且这种织构偏离了ND方向, 大部分晶粒C轴与ND方向夹角较大, 因此{0002 }滑移系施密特因子较大, 在拉伸力的作用下大部分晶粒中基面位错被激活, 宏观上表现为材料具有较高的延伸率。