摘 要:研究了溫度對 AZ31B鎂合金板顯微組織與拉伸性能的影響,分析了不同溫度熱成形件 的成形質量,確定了合理的熱成形溫度并研究了該溫度下熱成形件的顯微組織與拉伸性能。結果 表明:200 ℃熱處理后 AZ31B鎂合金板能較好地保持細小等軸晶組織,隨溫度升高,晶粒明顯粗 化;隨溫度升高,合金的強度下降而塑性提高,200 ℃時即可具有良好的塑性和成形性能;熱成形溫 度越高,成形件的成形質量越好,200 ℃時熱成形件具有較高的表面質量和較小的回彈變形量; 200 ℃為 AZ31 后伸長率提高。

關鍵詞:AZ31B鎂合金;熱成形;力學性能;顯微組織 

中圖分類號:TG146.2 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)01-0079-06

0 引 言 

航天工業技術的高速發展對飛行器提出了更高 的要求,不僅要求飛行器具有更高的安全可靠性及 更優的機動性,還要求具有更強的續航能力及更高 的經濟性[1-2]。因此,輕量化已成為新一代航天飛行 器發展的重點。為此,國內外開展了大量輕量化結 構材料的研發及應用研究[3-4]。鎂合金因具有密度 低、比強度和比剛度高、阻尼性能好、電磁屏蔽效果 佳、零件尺寸穩定等優異性能,已成為目前航天器輕 量化首選的材料之一,具有良好的應用前景[5]。但 鎂合金具有密排六方結構,與其他合金材料相比,結 構對稱性較低,在室溫下很難進行塑性變形[6]。但 是,在一定的溫度下,鎂合金板具有良好的塑性變形能力,能沖壓成形較復雜形狀的產品。LEE 等[7]和 DOEGE等[8]研究表明,在高溫下 AZ31和 AZ61鎂 合金板的塑性顯著提高,具有較好的成形性能。陳 振華等[9]和于彥東等[10]研究發現,AZ31鎂合金板 的成形性能隨成形溫度升高而提高,高溫下具有較 好的拉深成形性能。利用材料在一定溫度下屈服軟 化、斷后伸長率增大的特性來實現難變形材料和復 雜形狀零件的成形,是實現鎂合金材料成形的有效 方法之一。鄒瑞等[11]和王紫雯等[12]研究發現,壓邊 力、模具間隙、模具溫度等熱成形工藝參數均會影響 AZ31B鎂合金板的成形質量。然而,目前對鎂合金板 的合理熱成形溫度研究較少。因此,作者著重開展了 溫度對 AZ31B鎂合金板組織、性能及成形質量的影 響,確定了較優熱成形溫度,并研究了該熱成形溫度 下 AZ31B鎂合金成形件的顯微組織和力學性能。 

1 試樣制備與試驗方法 

試驗材料為國內某公司生產的長1000mm,寬 500mm,厚2.0mm 的 AZ31B鎂合金板,其化學成 分(質 量 分 數/%)為 3.6Al,0.9Zn,0.23Mn,0.002Cu,0.01Si,0.001Zr,余 Mg,屬于 Mg-Al-Zn-Mn系鎂合 金[13]。AZ31B 鎂 合 金 板 的 抗 拉 強 度 不 低 于 250MPa,屈服強度不低于150MPa,斷后伸長率不 低于12%

將 AZ31B鎂合金板分別在200,300,400 ℃下 保溫10min,空冷至室溫后,采用線切割截取金相 試樣,經打磨、拋光,用體積分數5%硝酸和乙二醇 混合溶液腐蝕后,采用ZeissObeserverZ1m 型光學 顯微鏡(OM)觀察顯微組織。按照 GB/T228.2- 2015,采用線切割在鎂合金板上分別沿橫向(垂直于 軋制方向)和縱向(平行于軋制方向)截取拉伸試樣, 標距為35mm,采用 CMT5105型微機控制電子萬 能試驗機進行高溫拉伸試驗,拉伸速度為 3 mm· min-1,試驗溫度為室溫和100,150,200,250,300, 350,400 ℃,拉伸前保溫10min。 

采 用 HF/SPE-ZC300 型 熱 成 形 試 驗 機 對 AZ31B鎂合金板進行熱成形得到盒形熱成形件,熱 成形工藝如圖1所示,熱成形溫度分別為120,200, 300℃。熱成形件底面尺寸為190mm×150mm, 高度為50mm,壁厚為2mm。

在成形 件 中 部,沿 垂 直 于 鎂 合 金 板 軋 制 方 向 的不同位置上截取金相試樣,取樣位置如圖2(a) 所示,用體積分數5%硝酸和乙二醇混合溶液腐蝕 后,使用 OM 觀察 顯 微 組 織。采 用 線 切 割 法 垂 直 于軋制方向在200 ℃熱成形件的不同區域(1~7) 截取拉伸試樣,取樣位置如圖2(b)所示,尺寸如圖 2(c)所示,采用 CMT5105型微機控制電子萬能試 驗機 進 行 室 溫 拉 伸 試 驗,拉 伸 速 度 為 3mm· min-1。

2 試驗結果與討論 

2.1 溫度對顯微組織的影響 由圖3可以看出:未熱處理 AZ31B鎂合金板 的顯微組織 主 要 由 大 小 不 均 勻 的 等 軸 晶 粒 組 成, 晶 粒 尺 寸 為 10~40 μm,形 成 的 β 析 出 相 (Mg17Al12 相)較 少[14];200 ℃ 熱 處 理 后 的 顯 微 組 織變化不大,等軸晶粒尺寸仍為 10~40μm,析出 相的 分 布 也 沒 有 明 顯 變 化;當 熱 處 理 溫 度 達 到 300,400 ℃時,鎂 合 金 板 的 顯 微 組 織 發 生 了 明 顯 的變化,主要表現為大尺寸晶粒的數量明顯增多, 晶粒的最大尺寸達到了50μm,且析出相的分布更 加彌散。對比 可 知,200 ℃ 為 AZ31B 鎂 合 金 板 較 為理想的加 熱 溫 度,該 溫 度 下 能 夠 較 好 地 保 持 細 小的顯微組織。

2.2 溫度對拉伸性能的影響

由圖4 可以看出:隨著試驗溫度升高,AZ31B 鎂合金的抗拉強度和屈服強度降低,且抗拉強度和 屈服強度之間的差值逐漸減小,在400 ℃拉伸時的 抗拉強度與屈服強度趨于一致;斷后伸長率隨試驗 溫 度升高而急劇增大,溫度升至200℃其橫向和縱向斷后伸長率即分別增至98.8%和95.8%,這說明 高溫下 AZ31B鎂合金具有良好的塑性和成形性能。 鎂合金屬于密排六方晶體結構,室溫下滑移系少,塑 性變形時只有基面和角錐面發生孿生;當溫度達到 200℃及以上時,棱柱滑移系{101-0}<112-0>被激活, 塑性提高[15]。當溫度升高時,鎂合金中的金屬原子 熱振動振幅增大,原子之間的結合力降低,因此強度 降低,變形抗力降低[16];另外,金屬在高溫下將發生 回復和再結晶,消除材料因塑性變形而產生的加工 硬化,降低變形抗力,因此鎂合金的抗拉強度和屈服 強度降低,而斷后伸長率提高。 

2.3 溫度對成形質量的影響 

由圖5 可以看出:在 120 ℃ 熱成形時,AZ31B 鎂合金板料的抗變形能力較弱,成形件圓角外側(箭 頭所指位置)受拉應力的作用產生裂紋;在200℃和 300 ℃熱成形時,鎂合金板料的塑性提高,熱成形能 力增強,成形質量得到提升,熱成形件上均未觀察到 裂紋。AZ31B鎂合金板在200 ℃熱成形就能獲得 較為理想的表面質量。

在120,200,300 ℃下熱成形件的回彈角分別為7.6°,1.9°,1.0°。隨著成形溫度升高,成形件的回 彈變形量逐漸減小,側面與底面的垂直度越好,如 圖6所示。回彈是板材彎曲成形中無法避免的現 象[17]。低溫成形時,鎂合金板的屈服強度較大,成 形后仍然存在較大的彈性變形,彈性變形恢復致使 成形件產生較大的回彈量。高溫下屈服強度降低, 彈性變形量減小,因此回彈量降低[18]。綜上可知, AZ31B鎂合金板在200 ℃下熱成形能獲得較為理 想的成形尺寸精度。

2.4 優化溫度成形后的組織與拉伸性能 

由 圖7可以看出:200 ℃熱成形件不同位置處 的顯微組織均為細小的等軸晶,大部分晶粒尺寸在 5~10μm,個別晶粒尺寸為20μm,與原始 AZ31B 鎂合金板相比,晶粒明顯得到細化,這是由于熱成形 過程中材料發生了動態再結晶[19-20];熱成形件側面 (金相試樣3)因成形時發生拉伸變形,變形程度比其他部位大,再結晶更加充分,因此顯微組織更加均 勻、細小。

3 結 論 

(1)未熱處理 AZ31B 鎂合金板的顯微組織由 晶粒尺寸為10~40μm 的等軸晶粒和彌散分布的 Mg17Al12 析出相組成,200 ℃熱處理后的顯微組織 變化不大,熱處理溫度高于300℃時晶粒明顯粗化; 隨著溫度升高,AZ31B鎂合金板的抗拉強度和屈服 強度 降 低,塑 性 顯 著 提 高,溫 度 升 至 200 ℃ 時, AZ31B鎂合金板即具有良好的塑性和成形性能;熱 成形溫度越高,盒形成形件的成形質量越好,200 ℃ 熱成形件的表面無裂紋,回彈變形量較小,成形尺寸 精度較高。因此,AZ31B鎂合金板較為理想的成形 溫度為200 ℃。

(2)200 ℃熱成形時,AZ31B 鎂合金發生動態 再結晶,成形件的晶粒得到明顯細化,且尺寸更加均 勻,絕大部分晶粒尺寸在5~10μm,個別晶粒尺寸 為20μm;成形件的抗拉強度與原始鎂合金板相比 降低了2.1%,但屈服強度提高了7.3%,斷后伸長 率提高了2個百分點。

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< 文章來源>材料與測試網 > 機械工程材料 > 46卷 >