（材料加工工程专业论文）多向轧制对az31镁合金板材组织与性能的影响.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文提出了一种镁合金板材轧制新工艺一多向轧制，采用该工艺并结合后续 热处理，通过试验研究，分析探讨了多向轧制和热处理工艺参数对a z 3 1 镁合金 板材微观组织、晶粒取向和力学性能的影响，论文的主要研究结果如下： 多向轧制a z 3l 镁合金板材微观组织结构分析 研究了a z 3 1 镁合金板材在多向轧制过程中的微观组织演变、晶粒取向变化以 及织构特征。通过金相组织观察发现，多向热轧过程中发生了动态再结晶，原始 组织逐渐被取代，多向冷轧过程中产生了大量孪晶，形成了变形带；电子背散射 衍射、x 射线衍射分析表明，多向轧制过程中，由于道次问频繁换向，板材晶粒 的受力状况不同于单向* l n ，拉应力方向沿多向热轧方向不断改变，压应力则在 n d 方向不变，导致板材晶粒取向分布和织构特征与单向* l n 差异明显。 退火处理对多向轧制a z 3l 镁合金板材组织与性能的影响 研究退火处理过程中多向* l n 板材组织和性能的变化，阐明退火处理过程中 板材金相组织、晶粒取向的变化规律，及其对板材力学性能的影响。通过金相组 织观察发现：经3 5 0 * 4 0 r a i n 退火后，多向热轧板材组织均匀度优于单向热轧板 材；单向、多向冷轧板材经2 0 0 。0 宰o 5 h 退火后，已基本完成静态再结晶，晶粒尺 寸差异不大；经高温长时间退火后，多向冷轧板材组织均匀性更好。x 射线衍射 分析表明，退火后板材织构未发生根本改变。力学性能试验显示：热轧和冷轧板 材退火后，维氏硬度减小，后者幅度更大，随着退火温度的升高，维氏硬度呈下 降趋势，多向热轧板材( 沿原开坯* l n 方向) 抗拉强度、屈服强度变化不大，断 裂延伸率先升高后降低。 多向轧制镁合金板材各向异性分析 研究了不同退火温度下多向轧制镁合金板材的力学性能各向异性情况。分析 表明，多向热轧板材的抗拉强度始终以4 5 0 方向最高，0 0 方向次之，9 0 0 方向摄低， 而屈服强度始终以9 0 0 方向为最低，0 0 与4 5 。方向的差异不大，呈现出较明显的力 学性能各向异性，这与板材织构的分布形态有关。 关键词：a z 3 1 镁合金板材，多向轧制，退火，组织，晶粒取向，力学性能，各向 异性 重庆人学硕士学侥论文英文摘要 a b s t r a c t t l l i sp a p e rd e v e l o p san e wr o l l i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o ys h e e t s - - - c l o c k r o l l i n g ，w h i c hi sf a v o r a b l et oc o n t r o lg r a i no r i e n t a t i o no f s h e e t sm a i n l y e f f e c t so fc l o c k r o l l i n ga n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so nt h ee v o l u t i o no fm i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o ys h e e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t e n t sa n d r e s u l t sf i l ea st h ef o l l o w i n g t h ea n l y s i so nt h em i c r o s t m c t u r eo fc l o c kr o l l e da z 3lm a g n e s i u ma l l o ys h e e t s 1 1 1 ee v o l u t i o no fm i c r o s t r u c t u r ea n dt e x t u r ec h a r a c t e r i s t i co fa z 31 m a g n e s i u m a l l o ys h e e t si n t h ec l o c kr o l l i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a td y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r si nt h ec l o c kh o tr o l l i n gp r o c e s sa n dm u c ht w i no c c u r si nt h e c l o c kc o l dr o l l i n gp r o c e s s ；a sar e s u l to ft h ef r e q u e n tc h a n g e so f r o l l i n gd i r e c t i o n ，t h e t e n s i l ed i r e c t i o n 、s t r e s so fg r a i n sa n dg r a i n so r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o no fc l o c kr o l l e ds h e e t a l ed i f f e r e n tf r o mt h a to fu n i d i r e c t i o n a lr o l l e ds h e e ts e r i o u s t h ee f f e c t so fa n n e a l i n gp r o c e s so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc l o c kr o l l e da z 3 1m a g n e s i u ma l l o ys h e e t s t h ee f f e c t so fa n n e a l i n gp r o c e s so nt h em i e r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fc l o c kr o l l e da z 31m a g n e s i u ma l l o ys h e e t sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s t r u c t u r e so fc l o c kh o tr o l l e ds h e e t sa l em o r eu n i f o r mt h a nt h a to f u n i d i r e c t i o n a lr o l l e ds h e e t sa f t e ra n n e a l i n go f3 5 0 宰4 0 m i n ；t h es t a t i cr e c r y s t a u i z a t i o n o c c u r sa f t e ra n n e a l i n go f2 0 0 。c 0 5 h ；t h em i c r o s t r u c t u r eu n i f o r m i t yo fc l o c kc o l dr o l l e d s h e e t si sb e t t e rt h a nt h a to fu n i d i r e c t i o n a lr o l l e ds h e e t sa f t e r a n n e a l i n g o f h i g h - t e m p e r a t u r e - l o n g - t i m ea n dt h et e x t u r ec h a n g e sab i ta f t e ra n n e a l i n g ；t h ev i c k e r s h a r d n e s so fa l ls h e e t sa n dd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ；t h et e n s i l e s t r e n g t ha n dy i e l ds t e e n g t ho fc l o c kh o tr o l l e ds h e e t sa r es i m i l a ra f t e rv a r i o u sa n n e a l i n g p r o c e s s ( 9t h ea n l y s i so fa n i s o t r o p yo nt h ec l o c kr o l l e da z 31m a g n e s i u ma l l o ys h e e t s t h ea n i s o t r o p yo fc l o c kr o l l e ds h e e t sa f t e rv a r i o u sa n n e a l i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d t h ed o c kh o tr o l l e ds h e e t ss h o wo b v i o u sa n i s o t r o p yw h i c hi sr e l a t e dt ot h ed i s t r i b u t i o n o ft e x t u r e k e y w o r d s ：a z 31m a g n e s i u ma l l o ys h e e t s ，c l o c kr o l l i n g ，a n n e a l i n g ，m i c r o s t r u c t u r e s ； g r a i no r i e n t a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n i s o t r o p y 1 1 学位论文独创性声明 本人声明所 呈 交的夏l士学位论文 燃瞪之! 翅釜弛龟剑自幽是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名怿 导师龋莹哆 签字日期：。厂占- 7 签字日期：二矽厂 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程差以助船 下简称“章程) ，愿意将本人的致士学位论文碹磁逝圈丝堑磕麴塑幽、i 。 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( a 岖i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年 月一日。 说明：本声明及授权书：蛆装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 近年来，汽车轻量化和环保要求的不断提高以及能源同趋紧张激发了人们对 镁合金新材料的极大兴趣。 大多数镁合金为密排六方结构( h o p ) ，传统上被视为一种难以塑性变形、压力 力n - r _ 成形性能较差的金属材料。同时，镁合金具有优良的铸造性能，使得目前的镁 合金产品主要通过铸造方式获得( 包括传统的铸造工艺和新型的半固态铸造工艺 等) ，我国台湾省每年生产的铸造镁合金笔记本电脑壳体占世界产量的6 0 、日本 占3 0 ，铸造法生产的发动机壳体、仪表盘、车轮等正成为世界各知名汽车厂家的 首选【l 】。然而，铸件的力学性能不理想，产品形状尺寸存在一定的局限性且容易产 生组织缺陷，导致镁合金材料的应用范围受到极大限制。与铸造镁合金相比，变形 镁合金组织晶粒细小、无微观孔洞、无偏析，具有更高的力学性能、更多样化的结 构，其发展潜力和应用优势已引起各国研究人员的高度重视，成为世界镁工业发展 中的重要方向。 目前，变形镁合金产品的加工与生产均存在成品率低，成本高等缺陷，这主要 与其研究开发相对落后，生产技术较低等因素有关。同时，由于对镁合金塑性变 形机理的认识还不够全面和深入，未能建立起完善的塑性变形理论体系，对于如 何从根本上改善镁合金的塑性变形能力，改进现有的塑性变形工艺，开发新的塑 性成形技术，缺乏理论指导。与目前较成熟的镁合金铸造技术相比，镁合金轧制、 挤压、冲压、锻造等塑性加工技术的发展相对缓慢，造成这种局面的主要原因有 以下几点： 镁合金滑移系少，加工过程中易形成较强的( 0 0 0 1 ) 基面织构，各向异性 明显，塑性成形性能较差，采用传统塑性加工技术难以解决这一难题： 镁合金加工过程中的塑性变形机理研究不够深入，变形镁合金的研制缺乏 可靠的理论指导； 与铸造镁合金相比，变形镁合金成本更高。 因此，需开发变形镁合金塑性加工成形新技术、新工艺，研究其塑性变形机 制，生产出高质量的变形镁合金产品，以满足镁合金结构件使用性能的要求，扩 大镁合金的应用范围，充分发挥我国的镁资源优势。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 镁合金加工成形技术及塑性变形机制 1 2 1 镁合金加工成形技术 轧制成形 s l n 是制各镁合金板材的主要方式。轧制变形时，板材受力属于两向延伸、 单向压缩，限制了镁合金的塑性成形。m g - m n 系的m b l 、m b 8 ，m g - a 1 一z n 系的 a z 3 1 b ，以及m g - l i 系的l a l 4 1 等合金均适于轧制成形。 传统的镁合金板材轧制工艺采用半连续铸造扁锭热轧或挤压、锻造开坯，随 后热轧或温轧成各种规格的板材。厚板可在热轧机上直接成形，中、薄板的生产 工序较多，一般包括铸锭的组织均匀化、铣面、加热、热轧、粗轧、中轧、精轧、 精整、氧化上色等主要工序。 轧制温度是影响镁合金板材性能的重要因素。低温变形时，应力集中会导致 孪晶形核和切变断裂；高温变形时，晶粒易长大而使板材的热脆倾向提高。在 4 9 8 k 7 2 3 k 温度范围和中等应变速率条件下，轧制板材易产生动态再结晶而使力 学性能得到改善【2 】oh o s o k w a 等【3 1 研究了轧制温度对a z 3 1 镁合金板材力学性能的 影响，当s l s t l 温度超过4 9 8k 时，压下量达到8 5 7 以上而不出现裂纹，在4 7 3 k 以下轧制时，板材成形性能较差。此外，通过细化晶粒和优化加工率可提高镁合 金的室温塑性变形能力。 挤压成形 镁合金管、棒、带、型材主要采用挤压方法加工成形，大部分镁合金如a z 3 1 b 、 z m 2 1 、z k 6 0 a 、h k 3 1 等均可进行挤压加工，与其它变形方式相比，挤压成形工 艺简单，易于生产，且产品表面光洁度高，不需打磨。 镁及镁合金的典型挤压温度为4 2 3 k - 7 2 3k ，挤压温度取决于合金种类和挤压 件形状。小坂田等【4 】对z k 6 0 镁合金的反挤压工艺进行了实验研究，设定挤压比为 1 1 8 ，无润滑剂，模具不预热，初始挤压速度为2 0 0 m m s ，发现坯料温度在4 2 3 k 以下变形时，试件全部破裂，而在4 7 3 k - 5 2 3 k 温度范围内，试件无破裂，壁厚可 达l m m 。 挤压比对镁合金材料组织性能的影响显著，一般在1 0 1 1 0 0 1 范围内，预挤 压的锭坯挤压比可适当的增大，大挤压比可显著细化晶粒。m u k a i 等【5 】将a z 3 1 镁 合金铸锭按1 0 0 1 的挤压比在3 5 0 下进行大应变变形，其晶粒尺寸由1 5 9 i n 细化 至5 岬；刘长瑞等【6 】采用半连续铸造a z 3 1 镁合金在3 6 0 经4 5 1 挤压后，晶粒 可细化至1 0 2 岬。 镁合金在挤压成形过程中会产生大量的热，散热不充分极易导致镁合金材料 热裂。挤压件在脱模后，为了保持细小、均匀的显微组织，可采用强迫气冷或水 冷进行淬火。 2 重庆人学硕十学位论文1 绪论 冲压成形 镁合金板材的冲压性能与合金成分、晶粒组织、织构、屈强比、加工能力硬 化指数、塑性变形比、应变速率第三指数等因素有关，影响其冲压成形工艺的参 数主要包括成形温度、冲压速度、冲压成形工件的形状、润滑条件、压边方式和 压边力控制方式等。成形温度是影响镁合金板材冲压成形的重要因素，一般来讲， 随着温度的升高，镁合金板材的冲压性能可得到明显的改善。 镁合金的成形工艺性决定了镁合金不宜在常温下冲压成形，一般热冲压都在 1 5 0 。c 以上进行。小坂田等【7 】研究指出，镁合金板材在2 5 0 。c 左右拉深时具有超过 铝合金和低碳钢板材在常温拉深时的极限拉深比，在1 7 5 。c 镁合金板杯形件拉深的 拉深比可达2 0 ，而在2 2 5 时可达3 o ，超过了钢板和铝板在室温下的拉深比( 分 别为2 2 和2 6 ) 。德国奥迪汽车公司采用热冲压法成功地生产出了镁合金汽车件， 典型的零件有汽车内门板，例如大众p o l o 车，两门车应用内镁外铝混合车门，使 用镁板替代钢板可减重5 0 ，替代铝板可减重2 0 。 锻造成形 镁合金在室温下锻造容易脆裂，其锻造温度范围较窄，通常在4 7 3 k - - 6 7 3 k 之 间。常用的锻造镁合金有m g - a 1 z n 系和m g z n z r 系，在一些高温场合下还包括 含有y 和稀土元素的w e 系列镁合金。镁合金的锻造性能取决于3 个因素：变形 程度、终锻温度及变形方式【8 】。为了保证良好的加工性能，镁合金一般在其固相线 温度以下5 5 k 范围内进行锻造；随着变形程度的增大性能提高，变形温度升高， 力学性能有所降低；变形方向对镁合金性能的影响主要是通过改变其各向异性特 征来实现的【9 】。小坂田等【4 】对z k 6 0 镁合金进行了锻造工艺实验，发现在4 7 3k 以 下锻造时，镁合金发生剪切断裂；在4 7 3 k - 5 7 3k 变形时，产生明显的加工软化现 象，加工不稳定，试件为蘑菇状，交叉部位晶粒细化；最佳锻造温度在5 7 3k - - 6 7 3 k ，压下量可达7 0 ，试件为桶状，晶粒变化不大；6 7 3k 以上时发生严重氧化。 1 2 2 镁合金塑性变形机制 面心立方晶体结构的铝合金具有1 2 个滑移系和5 个独立滑移系，可以满足大 塑性变形协调的要求【l o 】，而镁及其合金最常见的滑移系为a 柏氏矢量的基面滑移 系和棱柱面滑移系，共提供5 个几何滑移系和4 个独立滑移方向。室温下只有基 面滑移系启动，棱柱面滑移系很难参与变形；当变形温度较高时，c + a 柏氏矢量的 锥面滑移系开始启动，此时锥面滑移系又提供五个独立的滑移系，根据m i s s e s 屈 服准则，这五个独立的滑移系开动后才能满足变形时的屈服条件。但是，锥面滑 移系的c + a 柏氏矢量较大，晶面间距小，因而位错宽度较窄，滑移不易发生，只 有温度较高时才得以进行。f r i e d e l 提出，在应力作用下，基面上分解的a 位错可 以在一个足够长的范围内重新结合以便能够在棱柱面上滑移，即交滑移；具有刃 3 重庆人学硕士学位论文1 绪论 型分量的位错在棱柱面上交滑移，直至穿过整个晶面，与正负相反的位错结合或 遇到阻滞，则螺位错自动分解为基面上的分量以降低能量，此时基面上的刃型分 量不断重新组合以便在棱柱面上形成螺位错，滑移才能持续进行【】。 对于h c p 结构的镁及镁合金来说，孪生在变形中起着重要作用。在低温情况 下，一般只有基面滑移系参与滑移，即三个几何滑移系，其临界剪切应力( c r s s ) 较其它类型滑移系低得多。但是，基面滑移不能产生c 轴方向的拉伸和压缩应变。 实验观察表吲1 2 】，诱发孪生所需的c r s s 小于棱柱面滑移系，c 轴方向拉伸和压缩 应变产生的变形主要通过机械孪生协调，分别为诱发拉伸孪晶和压缩孪晶。 晶界滑动是一种重要的镁合金塑性变形机制，通常在晶界附近一定厚度区域 内沿最大剪切应力方向产生，是晶粒之间不均匀变形协调的结果。晶界滑动可以 通过两种方式实现，一种是晶粒的滑动，另一种是晶粒的转动。晶界滑动主要由 变形温度和晶粒大小决定。在一般情况下，晶界强度在室温时高于晶内强度，而 在高温时会低于晶内强度，此时，晶界具有一定的粘滞性，晶界滑动将起到一定 的作用。如果晶粒很大，晶粒间发生相对滑动和转动将会非常困难，因此，晶界 滑动必须要求晶粒细化到一定的范围。有研究指出1 1 3 】，在平均晶粒尺寸为5 0 9 m 以 上的粗晶粒中，变形机制以滑移和孪生为主，位错运动和增殖使位错在变形过程 中相互缠结、钉扎以及受晶界的阻碍而终止运动，孪生容易发生在不利于滑移的 晶粒中促进塑性变形；在5 2 0 1 t m 的细晶粒中，晶界滑动机制将发挥重要作用，它 可以协晶粒的变形，对提高镁合金变形能力起到补充作用。 1 3 镁合金织构特征及影响因素 1 3 1 镁合金织构特征【1 4 】 镁合金在轧制、挤压、冲压及锻造塑性变形过程中，滑移和孪生机制使晶粒 发生转动而形成织构。由于变形工艺条件不同，形成的织构组分也存在差异，且 随着变形的深入而发生变化。镁合金中最主要的变形织构为( 0 0 0 1 ) 基面织构， 在后续退火过程中，再结晶或二次再结晶将导致再结晶织构的形成。 传统单向轧制过程中，镁合金将形成较强的( 0 0 0 1 ) 基面织构，其余织构组 分相对较弱，这是由塑性变形过程中基面滑移和锥面孪生所致的。在单向拉伸( 如 挤压) 和单向压缩( 如锻造) 塑性变形过程中，镁合金形成特殊的基面纤维织构， 即 0 0 0 1 ) 基面平行于拉伸方向( 挤压方向) 或垂直于压缩方向( 锻造方向) 。 挤压时，其制品的断面形状不同，所形成的纤维织构也会有所区别，挤压圆 棒时应力和应变为轴对称状态，基面平行于挤压方向，晶粒的取向自由度较大， 可以围绕挤压方向发生3 6 0 0 转动；挤压板材时，由于应力和应变不对称，基面平 行于挤压板表面，晶粒的取向自由度减小。 4 重庆入学硕七学位论文i 绪论 冷变形镁合金在随后的再结晶退火过程中，织构组分发生变化，形成再结晶 织构。研究表明，再结晶过程中的定向形核及核心的选择生长是形成再结晶织构 的根本原因。 1 3 2 镁合金织构影响因素 与砧、f e 等立方结构金属相比，六方结构的镁合金织构类型更多，影响因素 也十分复杂，主要包括合金元素、成形工艺及外加应力特征等。 合金元素 a g n e w 等1 1 5 - 1 6 研究了纯镁、m g y 及m g l i 合金的变形织构特征，发现在单 向压缩变形过程中，纯镁形成理想的( 0 0 0 1 ) 纤维织构，m g y 及m g - l i 合金也具 有相同类型的织构，但强度明显减弱，其原因是y 、l i 等合金元素改变了纯镁的 晶格结构，使c 屈值降低，晶格对称性增强从而激活锥面滑移系。h u a n g 等【1 7 】研究 发现，在相同温度下经4 道次e c a p 挤压后，z k 3 1 与a z 31 镁合金所形成的织构 不同，z k 3 1 样品中，大部分晶粒的 0 0 0 1 ，基面平行于挤压方向，而a z 3 1 镁合金 大部分晶粒的基面与挤压方向成一定倾角。可以认为，合金元素的影响主要是通 过改变合金晶格常数和层错能，进而改变塑性变形机制以及各种变形机制在塑性 变形过程中的作用和贡献，使晶体取向发生变化。 变形温度 变形温度对镁合金的织构类型和组分具有重要影响。随变形温度的提高，特 别是在4 9 8 k 以上时，棱柱面和锥面等潜在滑移系被激活，且滑移系之间的c r s s 差值减小，各滑移系对总塑性应变的贡献发生变化，使镁合金的织构类型改变， 其锋锐程度也有不同程度的增减。t a n n o 等【1 8 】研究了轧制温度对a z 3 1 镁合金变形 织构的影响， o o o ll 基面极图分析表明：6 2 3 k 时经1 2 道次轧制后，板材产生了 较弱的( 0 0 0 1 ) 基面织构；先经6 2 3 k 4 道次，后经4 7 3 k 8 道次轧制，板材形成了 较强的( 0 0 0 1 ) 基面织构，基面法向分布在与板法向成1 0 0 的范围内。 外加应力 镁合金变形织构是在外加应力作用下发生晶粒转动形成的，外加应力不同， 晶粒的转动方式有别，生成的织构也有差异。在棒材挤压或拉伸等轴对称变形过 程中，若除去静水压力的影响，则变形体实际处于两压一拉的应力状态，形成 ( 0 0 0 1 ) 纤维织构，基面平行于最大主变形方向。轧制变形时，变形体处于轧向 拉伸、法向压缩的平面应力状态，形成( 0 0 0 1 ) 板织构。在e c a p 过程中，镁合 金承受纯剪切应力的作用，形成独特的织构，特征为随挤压温度的不同，大部分 晶粒的基面平行于挤压方向或与挤压方向成一定夹角。 晶粒度 晶粒度对镁合金织构的影响少见报道，但大量研究表明 1 9 - 2 1 ，晶粒大小能影 响镁合金塑性变形机制，细化晶粒不仅能提高镁合金强度和塑性，而且能抑制孪 5 重庆人学硕士学位论文1 绪论 晶的形成并导致高应变速率和低温超塑性。细晶镁合金即使在室温条件下也可能 发生晶界滑动( g b s ) ，使晶粒取向发生变化。因此，影响镁合金晶粒度的因素将 对其织构类型和强弱产生影响，有待进一步研究。 1 4 镁合金板材轧制技术研究进展 由于镁合金板材尤其是薄板，通常采用轧制成形，经济有效，在国防和民用工 业中具有特殊地位。在镁合金常规单向对称轧制过程中，易形成强烈的( 0 0 0 1 ) 基 面织构，对其后续塑性成形极为不利，为了弱化( 0 0 0 1 ) 基面织构，降低各向异性， 提高镁合金板材的成形性能，各国学者致力于轧制技术的研究，提出了多种轧制新 技术，旨在提高镁合金板材二次成形性能。 1 4 1 交叉辊轧制( c r o s s r o l lr o l l i n g ，c r r ) 交叉辊轧制是使轧机上、下工作辊在水平面内与垂直于轧向的轴向形成一定 的交叉角( 见图1 1 ) ，在上下辊间形成抛物线状的辊缝，使轧件在受到轧制压力 时沿t d 方向产生了不同于正常压缩变形的附加剪切变形，为细化组织和改善板材 成形性能提供了有利条件。 y c h i n o 、k s a s s a 等 2 2 - 2 4 】将交叉辊轧制技术应用于a z 31 镁合金( 0 = 7 5 0 ) ， 制备出了冲压成形性能良好的镁板。研究指出，交叉辊轧制板材的退火组织平均 晶粒尺寸与常规轧制没有太大差别( 见图1 2 ) ，而一般情况下沿轧向分布的基面 织构却向t d 方向倾斜了一定的角度，且强度明显降低( 见图1 3 ) 。进一步分析表 明，在拉伸试验中，交叉辊轧制板材拉伸性能、平均r 值与常规轧制差异不大，而 厚度、拉伸方向应变比( e e l ) 与宽度、拉伸方向应变比( s 也) 的差异低于常规 轧制，这可能是交叉辊轧制板材成形性能优于常规轧制的原因。另外，在轧制过 程中，板材厚度方向产生附加剪切变形，使基面织构的分布和强度发生改变，促 发棱面 和锥面匐+ 驴滑移系的开动，导致宽度方向，尤其是厚度方向的应变各 向异性程度降低。 t d b 图1 1c r r 示意图【2 2 】 f i g 1 1t h es c h e m a t i cv i e wo fc r r 6 绪论 目1 2 a z 3 1 镁台金扳材r d t d 丽退火 i 纵旧1 f i g l2r h ea n n e a l i n g m i e r o s t r u c t u r e o f p l a n er d - t d f o r a z 3 im a g n e s i u ma l l o ys h e e t s ( a ) c r o s s - r o l l e ds p e c i m e n l 饰) u n i d i r e c t i o n a l l yr o l l e ds p e c i m t ( b ) r d ，i 一t ? 、 7 0 j j 饿一 - 斛j _ ) 1 d f 矽“ 。立。z ，一j ；多v l _ d e l j j j jt j t l j 7 t 、 蕊3 。 f j j ? 毒?i r u 1 删1 3 a z 3 i 镬台金扳柑遄火屙如i 板 划” f 镕i3 1 h e 0 0 0 1 p 。l e 鲋m o f t h e m l l e d m ga l l o y s h e e t sa r a n n e a l i n g 隧 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 4 2 大应变轧制( l a r g es t r a i nr o l l i n g ，l a r ) l a r 属于剧塑性变形技术，可使材料获得晶粒尺寸小于1 p m 的超细晶 ( u l t r a - f i n eg r a i n e d ，u f g ) 组织，具有强烈的晶粒细化能力。l a r 过程中，板材 由于承受独特的应力状态，还可形成不同于普通塑性变形所产生的变形、再结晶 织构，从而使材料的成形性能得以提高。如对于铝合金，由于冷轧和随后的退火 处理会形成强烈的 1 0 0 、f f _ 方织构，难以获得优异的冲压性能，而采用l a r 工艺制备的板带材则可形成常规加工难以获得的 1 11 ) n d 类型的织构，从而提 高其冲压性能l z 5 1 。 累积叠轧( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ，a r b ) a r b 是将表面进行脱脂及加工硬化等处理后的尺寸相等的两块金属薄板材料 在一定温度下叠轧并使其自动焊合，主要步骤有切割、表面处理、叠垛、预热、 轧制等( 见图1 4 ) ，可视情况重复进行相同的工艺，实现大应变轧制，从而使材 料的组织得到细化、夹杂物分布均匀，大幅度提高板材的成形性能。在a r b 工艺 中，材料可以反复轧制，累积应变可以达到较大值，在理论上能获得很大的压下 量，突破了传统轧制压下量的限制，并可连续制备薄板类的超细晶金属材料，因 此a r b 被认为是剧塑性变形技术中惟一有希望能工业化生产大块超细晶金属材料 的方法。 大多数关于a r b 技术的研究集中在钢铁和铝合金方面，采用a r b 技术制备 镁合金材料的报道相对较少。据研究【2 7 1 ，m b 2 镁合金板材经a r b 工艺4 道次热 轧后，平均晶粒尺寸从初始1 7 8 p m 细化至1 2 $ t m ( 见图1 5 ) ，其晶粒细化机制主 要是形变诱导晶粒细化和热机械变形细化晶粒。a r b 过程中，板材承受的累积变 形量很大，导致材料动态再结晶温度下降，发生动态再结晶的临界点降低。而且， 在s p d 作用下，变形带在粗晶内部沿切应力方向产生，可松弛局部应力集中，随 着变形的继续，晶粒沿着变形带破碎细化。加上镁合金的滑移系少，粗晶晶界处 应变协调性差，变形时易出现位错塞积和交互作用，形成胞状组织，随着变形量 的增加，胞状组织转变为亚晶粒，进一步增加变形量，亚晶转变为新的再结晶晶 粒，并在材料内部储存能的驱动下促使更多的新晶粒形成。此外，a r b 过程中板 材晶粒没有像铝合金一样随着应变的增加发生持续的细化，旦获得最小晶粒尺 寸，则后续道次将没有显著的细化效果，这可能与镁合金的h e p 晶体结构有关【2 引。 图1 6 显示，a r b 加工过程中板材的( 0 0 0 1 ) 基面织构稳定，为比较典型的镁合 金热轧织构。 除m b 2 镁合金板材外，a r b 应用于a z 6 1 、a z 9 1 镁合金板材时，情形也较 为相似，不同之处在于合金中铝元素的含量将影响第二相析出和晶界运动，导致 晶粒细化效果产生差异 3 0 - 3 1 】。 重庆 学顾p 学位论文绪论 圆 三e 三三三j 剀l4 a r b 示意图i ! “ f i g l4 t h cs c h e m a l i cv i e wo a r b 上 1 _ 幽l5m b 2 链台金扳材微观卅纵演娈”1 f i gl 5m i c r o s t r u c t a r e se v o l u t i o n f o r m b 2s h e e t a a s - r e c e i v e d ( b a r b i ( c 】a r b 2 ( d a r b 3 ( e ) a r b 4 讲 、 k 口i l ：1 2 3 4 5 6 幽16 a z 3 1 镁台金板材a r b 0 0 0 1 ：擞【划! f i 9 16 t h e 0 0 0 1 jp o l e f i g u r eo f t h e a p - b e d a z 3 is h e e t s 旱 芋。兰 绪论 等件角轧制fe q u a lc h a n n e l a n g u l a r r o l l i n g ，e c a r ) 九量的实骑研究袋明i ”。，经等径舶挤哪e q u a lc h a n n e l a n g u l a rp r e s s ，e c a p ) 后的镁台盒可得到1 基师织构，j l 订极细的一昂粒自l 纵，表现m 优异的力学州能， 如商的强度、反常的h a l l p e r c h 天系、人幅度提高迥h 蚪肚县订低温超蚺性和- 岛心 变速率超塑性等特征，其变形机理也发生了改变，一眦高温变形机理，直非基面 滑移、品界滑移、动态回复等，在窀温f 亦可垃隹。【比，如果e c a p 能够制备 镁合金扳村，j i ! l j 可大j = 提高板材的成形性能与使h j 性能；但是，e c a p 山于爱设备 结构苒的限制，不能用于制备板村且难以实现连续化7 l 产。为此，有关学者结 了c o n f o r m 挤j e 、轧挤法等琏续， 产 艺，提 了e c a r 上艺。e c a r 装置如图 i7 所示将模具安装r 普通积辊轧机e 板材通过轧辑产生淀的轧制变彤，然 后利用两轧辊与扳材表面的摩擦力来提供足够的挤j 三力使板利通过等径角模具转 角，以此来实现板材的连续翦切变形。 根据对镁合会e c a p 工艺的已有研究”4 ，在e c a r 工艺中，影响镁台会板 材微观组纵帛】性能的卞要1 艺参数有轧制逆次、轧制路径、通道川隙、扳材预热 温度、模具温度和模具结构等。时a z 3 j 镁合会扳材的e c a r 研究表明【3 64 ”，与 常规轧制的板材相比，e c a r 板村的品粒墩向由 0 0 0 1 书面取向演化为基面，非基 面儿存的取向( 见图18 ) ，晶粒没有得到细化同时形成了大量r 排列的细密 孪品，强度明显埔大，极限拉仲比由轧前的i2 提高到轧后的i6 ，扳村冲雁性能 改善。 l 刳l7 e c a r 示意l 掣”。 f i g i7 t h es c h e m a t i c o le c a r 重庆人学硕士学位论文 l 绪论 2觚)2瞅。1 图1 8e c a r 前后平行丁轧面样品的x 射线衍射谱4 1 1 f i g 1 8x r dp a t t e r n so f s h e e tp a r a l l e l i n go nr o l l i n gp l a n e b e f o r ea n da f t e re c a r ( a ) a s - r o c e v e i v o d ( b ) 1 s tp a s s ( c ) 2 n d p a s s ( d ) 3 r d p a s s 1 4 3 交叉轧制( c r o s sr o l l i n g ，c r ) 普通单向轧制生产的镁合金板材通常具有较强的基面织构，各向异性程度高， 为使板材各方向力学性能均匀，yc h i n o 、j s l e e 等【4 2 】对镁板采用c r ，大大降低 了基面织构，减轻了材料各向异性，有效改善了板材的冲压成形性能。 c r 是在多道次轧制过程中每道次都将轧制方向改变9 0 。，板正法向不变，也 可保持一个方向轧制多道次后再变向轧制。研究发现【4 2 删，温度较高时，c r 镁板 可发生动态再结晶，得到大量等轴晶，晶粒大小与普通单向热轧结果差别不大； 温度较低时，组织中存在着大量孪晶、亚结构和位错等微细组织。与单向轧制相 比，c r 板材退火组织具有更好的均匀性和等轴性。 如图1 9 所示，与典型单向轧制板材相比，c r 镁板基面织构强度大大降低， 这主要得益于轧制方向的不断变化，使得组织的取向性降低，各方向更加平均。 织构强度的降低，材料各向异性减轻或消除，以及c r 板材退火组织的均匀性和等 轴性，为深冲变形提供了良好的条件，通过薄板温拉深实验验证，c r 板材的延伸 重庆人学硕士学位论文1 绪论 率显著提高，其拉深比可达到2 1 5 ，板材的冲压成形性能得到显著提耐4 3 1 。 、 ， ， 、 f渔汐 j t “ ? t _ _ ， 凳 、 寥 一 ( a )( b ) 图1 9 a z 3 1 镁合金板材 0 0 0 1 ) 极图4 2 】 f i g 1 9 t h e 0 0 0 1 ) p o l e f i g u r e o f t h er o l l e d a z 3 1s h e e t s ( a ) c i o s sr o l l e d ( b ) n o r m a lr o l l e d 1 4 4 非对称轧制( a s y m m e t r i cr o l l i n g ，a r ) a r 也称异步轧制( 图1 1 0 为典型示意图) ，是指轧机两工作辊圆周线速度不 同而进行轧制的工艺过程，主要通过上、下辊直径或转速不同来实现，前者称为 异径异步轧制，后者称为同径异步轧制。近年来，有关研究表明非对称轧制也可 由上、下辊与轧件之间摩擦条件的不同来实现( 辊径与转速均相同) 【4 5 1 。 图1 1 0 a r 示意图删 f i g 1 1 0t h es c h e m a t i cv i e wo f c r r 1 2 重庆人学硕七学位论文1 绪论 a r 过程中，由于上、下轧辊的线速度不同，轧制变形区中性面将发生偏移， 表现为辊缝出口端的轧材中性面偏向快速辊一侧。由于中性面的偏移，在变形区 中形成一个外力作用条件与应力状态都比较特殊的区域，此区域位于两个中立点 之间，其上、下接触面的摩擦力方向相反，形成了独特的“搓轧区”。搓轧区的存在， 造成了轧制过程变形特点和金属流动的特殊变化。在搓轧区上、下表面，外摩擦 力方向相反，减少了由外摩擦所形成的水平压力对变形的阻碍作用，从而显著降 低轧制变形时的总压力，而且造成搓轧区上、下表面金属流动速度不同，因而在 变形区内引起剪切变形，导致金属表面质量、显微组织、晶体位向和力学性能的 变化。 对a z 3 1 镁合金板材的a r 研究表吲4 “7 1 ，在相同的变形条件下，与常规轧制 相比，a r 更有利于动态再结晶的发生，板材晶粒组织更加均匀细小，这种细化效 果是由镁合金热轧过程的复杂性、轧制时的应力应变状态和金属流动特点所决定 的。而且，与普通轧制板材所形成的强烈( o 0 0 1 ) 基面织构相比，a r 板材的晶粒取 向发生了改变，( o 0 0 1 ) 基面织构减弱，这是因为：a r 过程中产生了剪切变形，而 镁合金在发生塑性变形时最易发生的是基面滑移和锥面孪生，当温度高于4 7 3 k 时， 棱柱面滑移系和锥面滑移系均可启动，根据最易变形原则，首先发生基面滑移， 由s c h m i d 定律可知，在应变轧制过程中， 0 0 0 1 ) 基面在剪切力的作用下发生转动， 从而使 o o o l ，基面晶粒取向减弱。 与普通轧制相比，a r 对a z 3 1 镁合金板材冲压性能的影响复杂，通过a r 可 降低其屈强比，提高应变硬化指数，降低制耳参数，但同时也使其塑性应变比降 低【4 引。因此，在通过a r 提高a z 3 1 镁合金板材冲压性能时，应综合考虑a r 对 冲压性能参数的影响，并通过工艺优化来提高a r 镁合金板材的冲压成形能力，其 中的关键是a r 所引入的剪切变形对镁合金板材晶粒细化和取向改变的作用。 1 5 课题研究内容及技术路线 1 5 1 课题研究内容 鉴于镁合金板材轧制成形的经济性、有效性和广泛性，以及板材在国防和民 用工业中的特殊地位，近年来镁合金板材轧制技术的研究也取得了快速发展，相 继出现了交叉辊、大应变、非对称等不同于传统轧制的新技术，通过：( 1 ) 细化 晶粒、均匀组织，提高塑性；( 2 ) 降低织构强度，减小各向异性程度