稀有金属 2010,34(01),34-37
异步轧制AZ31镁合金板材的晶粒细化及性能
西安建筑科技大学冶金工程学院
摘 要:
采用上下轧辊速比1.125的异径异步轧制方法对AZ31镁合金板材进行轧制。采用光学显微镜、X射线衍射仪和电子拉伸机等设备分析轧制前后AZ31镁合金板材的微观组织和力学性能。结果表明:AZ31镁合金热挤压板坯在加热到350℃后, 经一道次38%压下率的异步轧制, 可获得平均晶粒尺寸为2.8μm的等轴晶粒, 板材轧制方向的伸长率和抗拉强度显著增加;轧制过程中形成了非基面晶粒取向;伸长率的增大与晶粒细化和非基面织构的形成有关, 抗拉强度的增大归因于晶粒的显著细化效应。
关键词:
异步轧制;镁合金;晶粒细化;力学性能;
中图分类号: TG339
收稿日期:2009-04-23
Grain Refinement and Properties of AZ31 Magnesium Alloy Sheets Deformed by Differential Speed Rolling
Abstract:
AZ31 magnesium alloy sheets were rolled by applying a circumferential velocity ratio of 1.125 between the upper and lower rolls in different diameter rolling. Microstructure and mechanical properties of the sheets before and after rolling were observed and analyzed by optical microscopy, X-ray diffraction, and electronic draw-frame. The results indicated that a fine equiaxed grain size of 2.8 μm could be achieved in AZ31 magnesium alloy hot-extrusion sheets when heated to 350 ℃ after a single pass of 38% thickness reduction. The elongation and tensile strength along the rolling direction were significantly enhanced. Non-basal plane grain orientation was formed during the rolling. The increase of elongation was related to the grain refinement and the formation of non-basal plane grain orientation, and the increase of tensile strength was attributed to the significant grain refinement effect.
Keyword:
differential speed rolling; magnesium alloy; grain refinement; mechanical property;
Received: 2009-04-23
轧制是镁合金板材成型的主要手段之一。常规轧制所制备的镁合金板材存在强烈的基面织构, 这对其后续成形极其不利。目前, 国内外不少学者研究了异步/单辊轧制对镁合金织构的影响, 希望通过不对称轧制产生的剪切应力来改变镁合金轧制过程中产生的织构, 提高镁合金的压力成形性能[1~4]。
由于镁合金塑性变形能力差, 多数研究者采用多道次、小压下量轧制生产镁合金板材, 并且要经过数次中间加热, 这种方法生产周期长, 成本高。本文研究单道次大变形异步轧制对AZ31镁合金板材微观组织和力学性能的影响。
1 实验
实验材料选用3.0 mm×180 mm×500 mm的热挤压AZ31镁合金板坯, 将板坯切成预定小块后, 在辊径比为1.125的异径轧机上进行轧制, 上辊直径为135 mm, 下辊直径为120 mm, 如图1所示。轧制过程中, 轧辊未加热, 且不润滑, 板坯在350℃预热60 min。轧制温度为300℃, 对板坯进行面减率为38% (3~1.86 mm) 的一道次异步轧制, 随后进行微观组织和力学性能研究。
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图1 异径异步轧制示意图Fig.1 Schematic drawing of differential diameter rolling
用XLG-04光学显微镜对轧制前和轧制后的试样进行显微组织观察分析, 金相腐蚀剂:苦味酸5 g+乙酸10 ml+乙醇90 ml+蒸馏水10 ml, 腐蚀5 s。拉伸性能测试依据美国E8标准在WDW-100D电子万能试验机上进行, 加载速度为0.5 mm min-1。采用D/MAX-2400型号X射线衍射仪分别对垂直于板材法向和挤压/轧向截面的晶粒取向进行分析。
2 结果与讨论
2.1 组织和性能
图2为原始样和38%压下率轧制试样组织图, 由图可见, 原始组织为粗大晶粒和细小晶粒组成的混晶组织, 平均晶粒尺寸约为13.6μm;38%压下率异步轧制后, 试样的组织基本上全是再结晶组织, 组织均匀程度明显提高, 细小晶粒所占比例达到92%以上, 平均晶粒尺寸约为2.8μm。
与原始板材相比, 经38%压下率异步轧制后板材轧向的伸长率由22.2%增加到26.5%, 增幅达到19.4%;抗拉强度由275 MPa增加到328MPa, 增幅为19.3%。伸长率的增加首先是因为晶粒细化和等轴化, 等轴再结晶晶粒之间的晶界滑移更容易开动和协调, 变形阻力减小, 可承受的塑性变形量增加;其次是非基面晶粒取向的形成, 有助于滑移的基面组成增加, 这和Kim W J等[5]、Iwanaga等[6]的研究一致;再者基面织构减弱区, 孪生更易激活, 从而有助于塑性变形。异步轧制AZ31镁合金板材晶粒显著细化的同时, 抗拉强度明显增大, 这与霍尔-佩奇 (Hall-Petch) 公式相一致。镁合金的强度是晶粒细化和织构软化共同作用的结果[7], 本研究中虽然织构发生了一定程度的削弱, 但是晶粒细化的强化效应远远超过了织构的软化作用, 从而导致抗拉强度的增加。
2.2 织构
图3为AZ31镁合金板材异步轧制前、后垂直于板法向和挤压/轧向平面的X射线衍射图谱, 由图可见, 异步轧制前, 板材呈 (0002) 基面晶粒取向;异步轧制后AZ31镁合金板材的晶粒取向发生了改变, (0002) 基面向轧向倾转, 有助于滑移的基面取向增加, 这种变化与异步轧制过程中板材的应力应变状态和镁合金的塑形变形机制有关[3]:
异步轧制时变形区内存在由摩擦所引起的搓轧区, 搓轧可引发大的剪切变形, 从而使板材的应力应变状态和晶粒取向发生明显改变, 搓轧区的受力状态如图4所示[8], 虚线所示的部分和常规轧制的应力状态相同;热轧时, 镁合金的主要变形机制为基面的滑移[9], 在外加应力场的作用下, 基面的滑移使变形晶粒转动, 并逐渐使基面向轧向倾转。
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图4 搓轧区受力状态Fig.4 Stress state of cross shear zone
3 结论
1.在300℃, 采用上下轧辊速比1.125的异步轧制生产AZ31镁合金板材, 一道次38%压下率轧制后, 可获得均匀分布的等轴晶粒, 平均晶粒尺寸为2.8μm, 伸长率为26.5%, 抗拉强度为328 MPa。
2.伸长率的增大不仅与晶粒细化有关, 还与基面织构的削弱有关;抗拉强度的增大归因于晶粒的显著细化效应。
3.轧制过程中织构类型发生改变, 基面织构在轧制过程中削弱。
参考文献
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