DOI：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.06.06
Li元素对热轧及退火态AZ31镁合金板材的组织及力学性能的影响
李瑞红1，蒋 斌2, 4，陈志军3，潘复生2, 4
(1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院，包头 014010；
2. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；
3. 内蒙古第一机械集团有限公司 第十分公司，包头 014030；
4. 重庆大学 国家镁合金工程技术研究中心，重庆 400044)
摘 要：通过OM、SEM、拉伸实验研究添加不同含量的Li元素对轧制及退火态AZ31镁合金组织和力学性能的影响。结果表明：添加Li元素的合金板材在热轧后均有大量孪晶出现。经过不同温度退火处理后，合金板材的力学性能得到不同程度的改善。LAZ131(Mg-1Li-3Al-1Zn)合金在经过150 ℃退火30 min，其沿TD方向拉伸时力学性能最佳，抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为335 MPa、261 MPa、14.6%。而LAZ131合金在经过300 ℃退火30 min后的力学性能各向异性最小，且合金的组织为均匀细小的等轴晶，总的力学性能较好，抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为259 MPa、174 MPa、23.1%。这是由于Li元素的添加对基面织构的改善以及在300 ℃退火时的再结晶所导致。
关键词：镁锂合金；轧制；显微组织；力学性能
文章编号：1004-0609(2017)-06-1118-07 中图分类号：TG113.25；TG146.22 文献标志码：A
镁合金因具有低密度、高比强度和比刚度、良好的阻尼减震性能以及环境友好性，已经在汽车、宇航等领域得到越来越多的应用[1-3]。然而，普通镁合金板材因具有密排六方结构，滑移系少，使得其在室温下的塑性较差，变形较为困难。研究表明[4-6]，常规轧制或挤压变形将会使镁合金板材内部形成强烈的(0001)基面织构，而这种织构特性是由于镁合金在塑性变形过程中基面滑移和锥面孪生所导致的[7]。基面织构的出现，使得镁合金板材的各向异性现象更加明显，通常情况下表现为在不同方向上的变形能力相差较大，例如，拉伸变形时不同方向上的力学性能差别较大[8]、冲压成形时容易出现凸耳、边裂等现象[9]。而在常规镁合金中添加 Li 元素，可以极大地改善镁合金的塑性变形能力[10-12]。JIANG等[13]研究了Li元素对铸态Mg-5Sn合金的拉伸及压缩性能。随着Li元素的加入，合金中沿晶界出现了Li2MgSn相，少量Li元素的添加可以显著提高Mg-5Sn合金的力学性能。其中Mg-5Sn-0.3Li合金的压缩强度和伸长率较未添加Li元素的Mg-5Sn合金分别提高了151%和225%。力学性能的提高主要与晶粒细化和新的第二相的出现有关。姜炳春等[14]对挤压态Mg-9Li-1Zn镁合金板材进行了冷轧及退火实验，发现该合金在室温下能够进行压下量为60%的轧制变形，且经过200 ℃、1 h的退火处理后，合金的综合力学性能最好(抗拉强度为185 MPa，伸长率达到29.4%)。袁雷等[15]对Mg-4Li-1Al合金的挤压变形进行了研究，结果发现该合金可以在200 ℃实现挤压变形，变形后合金的抗拉强度为269.5 MPa，屈服强度达到220.8 MPa。本文作者前期研究了Li元素对挤压态AZ31镁合金的组织和力学性能的影响，结果发现Li元素的加入可以明显改善AZ31镁合金的塑性变形能力。其中在添加5%Li的挤压态AZ31镁合金的断裂伸长率可以达到31%[12]。
随着Li元素的添加量不同，镁合金的晶体结构也将随之变化。对于具有HCP结构的镁锂合金，因其与常规镁合金晶体结构相同，变形行为值得研究。有关Li元素对常规镁合金轧制后进行热处理的报道较少。
本文作者将系统研究Li含量对轧制及退火态AZ31镁合金的组织及力学性能的影响，从而能够更好的拓展含Li镁合金的应用。
1 实验
本实验所用原料为商用高纯AZ31铸锭、纯Mg锭、纯Li锭(纯度≥99.90%)。
实验所使用的合金是在真空感应熔炼炉中，采用氩气气氛保护熔炼而成。按照纯锂锭的质量计算设计合金的质量。首先，将AZ31铸锭按照设定成分进行切割、称量、打磨、清洗，使其表面光滑无氧化层。其次，将熔炼炉加热至 150 ℃烘干，然后将所有原料(包括用铝箔包裹的纯Li锭)快速加入到熔炼炉中的坩埚，并将熔炼炉密封；对感应熔炼炉抽真空至气压≤1×10-2 Pa，然后充入纯氩气至 0.03 MPa；之后将感应炉加热进行熔炼，待原料充分熔化后，在 720 ℃保温静置 20 min，然后加大氩气的通入量增加炉膛内压力，将熔体从预设浇口压入预热的金属模具(模具尺寸为d 168 mm×510 mm)中；待模具冷却后，取出制件。为防止金属锂被氧化，实验全程在氩气保护下进行。合金的实测化学成分如表1所列。
表1 试验合金的化学成分
Table 1 Chemical compositions of alloys
铸锭经过车削加工去除表面氧化皮后，在250 ℃保温10 h做均匀化处理，随后采用1250 t卧式挤压机进行热挤压，挤压筒预热温度280 ℃，铸锭预热温度280 ℃，模具预热温度350 ℃，挤压板材横截面尺寸为120 mm×2 mm，挤压比为83.7。对挤压开坯的板材进行轧制实验。本实验所用的轧制工艺为热轧，工艺参数如表2所列。对于热轧实验，进行两道次轧制，单道次压下量为 29.3%，轧制最终获得1 mm(厚)× 120 mm(宽)的薄板。在整个轧制过程中，为了保证坯料的轧制温度，每道次轧制后，需将轧制板材重新放入热处理炉中保温约 10min，轧制后对板材进行不同温度的退火处理。从轧制及退火态合金板材上分别截取样品，在Newphot-30型金相显微镜观察组织形貌。X 射线衍射分析(XRD)是在Rigaku D/max 2500PC X射线衍射仪上进行。工作参数为：Cu靶Kα射线、电流为40 mA、电压为60 kV，扫描速度为2 (°)/min，扫描角度为：10°~90°。采用硅粉做标准样品 ，消除仪器物理宽化后，通过 Jade软件对 XRD 数据进行物相检索、扣背景、平滑、全谱拟合、晶胞精修后测出合金的晶格常数。宏观织构测定也在Rigaku D/max 2500PC X射线衍射仪上进行。采用CMT5000系列微机控制电子万能试验机对退火态合金进行力学性能测试，按照与轧制方向呈0°、45°、90° 3个方向分别至少取3个试样做拉伸实验，每组力学性能数据均取3个试样的平均值。拉伸实验的样品尺寸为：标距25 mm，宽度10 mm，厚度1 mm。将RD标记为轧制方向，TD标记为横向，ND标记为法向。
2 结果与讨论
2.1 合金的显微组织
图1所示为添加Li元素后的LAZx31合金在轧制态和退火态下的显微组织。从图中可以看出，LAZ131合金与常规AZ31镁合金相似，轧制态组织中出现了大量的剪切带，且具有一定的方向性。在剪切带周围还可以观察到大量的孪晶，及孪晶交叉。随着Li含量的增加，LAZ331和LAZ531合金中的剪切带逐渐减少，初始变形组织沿轧制方向拉长，晶粒内部仍然有大量孪晶存在。150 ℃退火30 min后，3种合金的组织没有太大改变，组织中的孪晶也没有消除。在300 ℃退火30 min后，LAZ131合金得到了完全再结晶组织(如图1(g)中所示)，然而相同的退火工艺应用于LAZ331和LAZ531合金中，却得到了晶粒相对较大的等轴再结晶组织，并且在组织中有沿着轧制方向的条带状晶粒分布，在LAZ531合金的晶界处，发现有第二相颗粒出现(见图1(i))。添加Li元素的合金中再结晶行为可能与第二相颗粒和基体内过多的固溶Li原子与晶界的相互作用有关。
表2 实验合金轧制工艺参数
Table 2 Parameters of rolling deformation
图1 LAZ131，LAZ331和LAZ531合金的显微组织
Fig. 1 Microstructures of LAZ131 alloy((a), (d), (g)), LAZ331((b), (e), (h)) and LAZ531((c), (f), (i))
2.2 退火态合金的力学性能
图2所示为3种轧制板材经150 ℃及300 ℃分别退火30 min后沿不同方向的拉伸曲线。从图2中可以看出，随着Li含量的增加，合金板材的各向异性越来越小，且平均塑性有所提升。LAZ131板材在150 ℃退火30 min后沿TD方向拉伸的抗拉强度与屈服强度表现为最佳，分别为335 MPa和261 MPa。这是由于回火温度较低，合金内部的内应力没有完全消除。同时发现3种合金板材150 ℃退火30 min后还存在有大量的孪晶。在300 ℃退火30 min后，3种合金板材力学性能各向异性现象比150 ℃退火30 min时的减弱了许多，并且随着Li含量的增加，合金的塑性各向异性越来越小，其中LAZ531合金的伸长率在各个方向上的差别非常小(小于1%)。另外，在LAZ131合金的拉伸曲线上存在明显的屈服点，这个现象在图2(b)局部放大图中可以观察得更加清楚。随着Li含量的增加，屈服点变得不明显，在LAZ331和LAZ531合金中，只有沿着轧制方向拉伸时还能观察到屈服现象，在其他两个方向拉伸时，基本上没有屈服现象。并且随着Li含量的增加，LAZ331与LAZ531合金的拉伸曲线上还出现了锯齿波现象。
2.3 轧制及退火态合金板材的宏观织构
同时，对轧制态及轧制退火后含Li合金板材做了宏观织构分析，如图3和图4所示。对于热轧态板材(见图3)，Li元素的添加对合金的织构影响比较明显，主要表现为基轴的偏转和峰值强度的降低。随着Li含量的增加，合金的基轴向TD发生偏转，且偏转角度也有所差异。并且随着Li含量的增加，峰值强度也有所减弱，LAZ531合金的峰值强度比LAZ131合金减少了大约36%。这就与Mg-Li合金的变形机制有关。
与热轧态合金板材的织构相比，退火态合金的织构特征又有所不同(见图4)，首先，LAZ131合金板材经300 ℃退火30 min后，(0001)极图与轧制态织构类似，呈现“单峰”织构。其织构强度有所增强，这是因为经过退火后，合金经静态再结晶得到了晶粒细小的组织。由于宏观织构的测定与晶粒体积以及晶粒的数目有关，故织构强度有所不同。随着Li含量的增加，(0001)极图呈现“多峰”织构。LAZ331与LAZ531合金经过退火后，其织构强度都比热轧态低，且最大极密度的位置也有所偏转。这说明，经300 ℃退火30 min后，随着Li含量的增加，合金中出现的织构弱化甚至基轴发生偏转应该与Li元素在再结晶过程中的作用有关，Li元素与位错的相互作用，使得再结晶更容易进行，从而可能会导致再结晶晶粒的长大或者某些取向晶粒的择优生长，也这有待于进一步研究证明。
图2 轧制态LAZ131，LAZ331，LAZ531合金经150 ℃退火30 min及300 ℃退火30 min后沿不同方向的拉伸曲线
Fig. 2 Tensile curves along different orientations for rolled sheet LAZ131 alloy((a), (b)), LAZ331 alloy((c), (d)) and LAZ531 alloy((e), (f)) annealed for different conditions
图3 热轧板材的宏观织构
Fig. 3 Texture of rolled alloys LAZ131((a), (b)), LAZ331((c), (d)) and LAZ531((e), (f))
图4 热轧板材经300 ℃退火30 min后的宏观织构
Fig. 4 Texture of (0001) X-ray pole figures of studied alloys LAZ131((a), (b)), LAZ331((c), (d)) and LAZ531((e), (f)) after annealing at 300 ℃ for 30 min
Li元素的添加引起合金织构变化的原因之一就是再结晶的新晶粒在形核和长大时，与原有的母晶在取向角上存在较大的差异。把本实验中的再结晶机制称为旋转动态再结晶[11]，因为它使新晶粒具有与原始晶粒不同取向的高角度晶界。Li元素的添加引起AZ31镁合金织构改变的第二个原因就是它可以降低合金的轴比(c/a)。众所周知，镁合金的轴比主要影响基面滑移和非基面滑移的临界剪切应力(CRSS)[15]，从而对变形机制产生影响[16]。纯镁的轴比为1.624，室温时非基面滑移的CRSS要比基面滑移的大得多，所以镁合金在室温下变形一般以基面滑移为主，这也是导致其变形能力差的原因之一。另外，Ti合金具有比镁合金更低的c/a (1.58)，所以其非基面滑移CRSS比基面滑移的小很多，故一般Ti合金的织构为基轴向TD的偏转的织构[15]。镁合金中的固溶原子可以改变Mg的晶格常数a和c，从而导致轴比的变化[17]。室温下Li在Mg中的固溶度可以达到5.5%(质量分数)[12]，这就意味着Li元素可以对镁合金的轴比产生重要影响。本文作者通过对XRD数据进行拟合，并计算了添加Li元素后合金的轴比，结果列于表3中。从表3中可以看出，添加Li元素后，LAZx31镁合金的轴比从1.6245逐渐降低到1.6082(LAZ531合金)。因为c/a的减小，在镁合金中添加Li元素使得柱面滑移的启动更加容易[18]。根据STYCZYNSKI等[19]的报道，镁合金中的基轴向TD偏转主要与柱面滑移的启动有关。这也与本研究相吻合。HAUSER等[20]的研究表明，在Mg-4.6Li合金挤压板中也出现了类似于一种柱面滑移的织构。就像在Ti和Zr中一样，即使是在滑移出现的情况下Mg-Li合金中的柱面滑移也是非常重要的[14]。织构的转变对于改善镁合金板材的成形性能起着关键的作用。因此，在工业生产中，利用不同的加工工艺，例如挤压和轧制，控制基面织构的出现是非常重要的。轧制加工又是一种有效且经济的板材生产方法，所以Li元素的添加对于镁合金板材的织构控制是非常有效的。
表3 Li元素的添加对合金的晶格参数的改变
Table 3 Lattice parameters of studied alloys with or without Li
3 结论
1) 3种含Li的合金板材在经过300 ℃热轧后，其组织中有大量的孪晶且伴随有剪切带的出现；在经过150 ℃退火30 min后，3种合金的显微组织与轧制态组织类似；而经过300 ℃退火30 min后，3种合金的组织均为再结晶组织，其中LAZ131合金的晶粒最小。
2) 随着退火温度的提高，3种合金的抗拉强度均有下降，但伸长率都得到了提升，且3种合金在300 ℃退火30 min后的拉伸各向异性现象较弱。
3) 添加Li元素能够使AZ31镁合金的轧制态及退火态织构发生较大改变。尤其是变形态合金，在添加5%的Li元素后，轧制板材的基面织构几乎消失，而由非基面织构替代，这将大大改善镁合金的塑性变形能力。
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Effect of Li addition on microstructure and mechanical properties of rolled and annealed AZ31 alloy
LI Rui-hong1, JIANG Bin2, 4, CHEN Zhi-jun3, PAN Fu-Sheng2, 4
(1. School of Materials and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China;
2. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;
3. The Tenth Sub-company, Inner Mongolia First Machinery Group Corporation, Baotou 014030, China;
4. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
Abstract: The microstructure and mechanical properties of rolled and annealed AZ31 alloy with different Li addition were studied by optical microscopy, SEM, and tensile test. The results show that with the increase of lithium additions, the microstructures of rolled alloy with lithium addition exhibit much twins. After annealed at 150 ℃ for 30 min, the LAZ131(Mg-1Li-3Al-1Zn) sheet exhibit higher tensile strength of 335 MPa along TD, with lower elongation of 14.6%. After annealing at 300 ℃ for 30 min, the lower anisotropy and optimal comprehensive mechanical property are achieved in LAZ131(Mg-1Li-3Al-1Zn), with ultimate tensile strength of 259 MPa, yield strength of 174 MPa and elongation of 23.1%. This is attributed to the modification of basal texture due to Li addition and recrystallization when annealing at 300 ℃.
Key words: Mg-Li alloy; rolling; microstructure; mechanical property
Foundation item: Project(2015BS0512) supported by the Natural Science Foundation of the Inner Mongolia Autonomous Region, China; Project(2014QDL016) supported by Inner Mongolia University of Science and Technology Innovation Fund, China; Project(51171212) supported by the National Natural Science Foundation of China
Received date: 2016-06-17; Accepted date: 2016-10-24
Corresponding author; LI Rui-hong; Tel: +86 472 6896872; E mail: liruihong1019@163.com
(编辑 王 超)
基金项目：内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2015BS0512)；内蒙古科技大学创新基金资助项目(2014QDL016)；国家自然科学基金资助项目(51171212)
收稿日期：2016-06-17；修订日期：2016-10-24
通信作者：李瑞红，讲师，博士；电话：0472-6896872；E-mail: liruihong1019@163.com
