AZ31合金板材的显微组织_拉伸性能与冲压工艺探索

1、第37卷 第4期 稀有金属材料与工程 V ol.37, No.4 2008年 4月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING April 2008AZ31合金板材的显微组织、拉伸性能与冲压工艺探索闫蕴琪，陈 琦，翁文凭，钟 皓(苏州有色金属加工研究院，江苏 苏州 215026摘 要：研究了AZ31合金轧制过程中的组织演变及与室温拉伸性能的对应规律，探索了AZ31合金手机壳和笔记本电脑壳的冲压工艺。结果表明，经过多道次的轧制变形后，均匀化态的AZ31合金组织发生了动态再结晶，晶粒明显细化且呈等轴态，平均尺寸小于20 µm 。厚度为2 mm和0.6 mm的

2、AZ31合金板材室温拉伸强度对变形方向较敏感，延伸率也随着取样方向有所改变。在100350 下，利用厚度0.6 mm AZ31合金板材冲压出手机外壳和笔记本电脑外壳。经过EBSD 分析表明，基面和棱柱面织构的存在导致了AZ31合金板材力学性能的各向异性。 关键词：AZ31合金；显微组织；拉伸性能；冲压；EBSD中图法分类号：TG 146.2+2 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(200804-0670-04Mg 合金是目前最轻的工程金属材料，在当今世界新材料领域被誉为“21世纪绿色工程材料”13。制备变形Mg 合金材料，发挥变形材料的高强度、高塑韧性是国际Mg 协会提出的开发Mg

3、合金产品的一项长远的目标。与压铸镁合金相比，变形镁合金材料可提供更高的强度和更好的延展性，可以满足不同场合结构件的使用要求。由于轧制镁合金板材具有优于对应的压铸件的综合性能，并且规模化生产成本低于压铸零部件，加之薄板冲压件在厚度方面趋向更薄壁化，因而可以大大节约原材料和改善产品性能。中国国内的高性能镁合金薄板材生产和后续加工研究，主要集中在洛阳铜加工集团、中科院金属所、苏州有色金属加工研究院和上海交通大学等单位，中国镁合金薄板材料冲压技术的开发都处于实验室研究阶段，对轧制变形与冲压和织构分析之间的对应关系探讨得不多4,5。本实验通过研究AZ31合金在轧 制过程中的组织演变，分析其力学性能的变化

4、规律，探索了该合金板材在100350 下的冲压技术，为扩大Mg 合金的应用提供实验依据。匀化处理后进行热轧和冷轧，最终板材厚度为0.6 mm 。分别沿轧制方向（R ）、横向（T ）和与轧向成45°方向（F ）截取板材拉伸试样，试样标距部分的尺寸为25 mm×5 mm。室温拉伸试验是在CSS-44100型电子万能力学试验机上进行，横梁移动速度选择在0.52mm·min-1之间连续调节。用OM 和SEM 观察了变形前后的组织和断口形貌，试验设备为NIikon 200金相显微镜和配备EDS 、WDS 和EBSD 的JSM-6480扫描电镜。EBSD 试样采用电解抛光，电

5、解液选用AC2试剂。2 结果与分析图1是AZ31合金铸态、退火态和轧制态的显微组织。从图1a 可以看出，AZ31合金铸态组织为等轴晶粒，且晶粒比较粗大，平均晶粒尺寸大于100 µm 。在晶界处存在一些不连续的Mg 17Al 12化合物，这是AZ31合金典型的铸态形貌。经过380 ，12 h均匀化退火处理后，该合金的晶界有所细化，缘于该合金在熔炼凝固过程中产生的枝晶偏析和非平衡相在高温固溶状态下的溶解，晶界变得光滑、细小，见图1b 。经过多道次的轧制变形后，均匀化态的AZ31合金组织经过破碎后明显细化且呈等轴态，平均晶粒尺寸细化到20 µm 以下。显然，轧制变形使AZ31合金

6、发生了动态再结晶，见图1c1g。同时，可以看到原1 实验过程实验用材料为Mg-3.05Al-0.86Zn-0.33Mn 工业镁合金，其中Cu<0.001%，Ni<0.011%，Fe<0.008%(均为质量分数 。对实验合金铸锭进行380 ，12 h均收到初稿日期：2007-03-28；收到修改稿日期：2007-07-18基金项目：中国铝业公司科技发展基金项目（2005KJA13）和江苏省自然科学基金技术人才启动项目（BK2006543）作者简介：闫蕴琪，男，1973年生，博士，高级工程师，苏州有色金属加工研究院，江苏 苏州 215026，电话E-

7、mail:yqyan73第4期 闫蕴琪等：AZ31合金板材的显微组织、拉伸性能与冲压工艺探索 ·671·先分布在晶界上的Mg 17Al 12化合物经过轧制变形后，大部分弥散在晶内，且很细小。图1c ，1d 分别是厚2 mm热轧态AZ31合金板材轧向和横向形貌。可以看出，沿着此两种方向的晶粒尺寸很接近。图1e 是厚2 mm板材经250 ，0.5 h炉冷后的退火态组织， 晶粒变化不大。图1f ，1g 分别是厚0.6 mm热轧态AZ31合金板材轧向和横向形貌。可以看出，冷轧进一步细化了该合金的组织，且沿着此两种方向的晶粒尺寸基本上没有区别。 图1 AZ31合金在变形前后的组织演变

8、Fig.1 Microstructures of AZ31 alloy: (a as-cast; (b as-homogeneous annealed; (c RD; (d TD; (e after 250 ，0.5 htreatment for 2 mm in thickness sheet; (f RD; (g TD of 0.6 mm in thickness sheet图2是AZ31合金板材在不同厚度和状态下的室温拉伸性能。对比可以看出，厚2 mm的AZ31合金板材拉伸强度对变形方向较敏感，随取样方向和热处理状态的不同而变化，同时延伸率随着取样方向变化S t r e n g t h /

9、M P a 280260240220200180160Specimen Direction/(° 而不同，这可能是轧制织构引起的。厚0.6 mm的板材拉伸强度有所不同，延伸率变化规律与前者一样。分别经过250 ，0.5 h炉冷退火后，两种规格板材的强度有所降低，但是延伸率升高程度较明显。E l o n g a t i o n /%2420161284 400S t r e n g t h /M P a 350300250200 150Specimen Direction/(°Specimen Direction/(°图2 AZ31合金轧制态和退火态的室温拉伸性能F

10、ig.2 Tensile properties vs specimen direction at RT of AZ31 alloy as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h:(a 2 mm in thickness; (b 0.6 mm in thickness; (c elongation图3是AZ31合金在不同状态下的室温拉伸断口形貌。断口属于韧性断裂，是密排六方金属的典型断裂方式，基本上由不均匀分布的空洞和网状撕裂棱组成。由于撕裂状网络和空洞相互促进和相互制约，使部分应力增加。这些集中的应力在均匀塑性变形结束后得不到释放，故共存在断口形貌中。另外，

11、它们之间相互促进与制约，也提高了该合金的延性。同时从图3可以看出，厚2 mm板材对应的断口形貌韧窝密而深，从而延伸率高。图4是AZ31合金在室温拉伸断口处的组织。可以看出，组织中出现了许多孪晶。一般认为，具有基面织构的镁合金在变形时，在开始阶段的主要塑性变形机制为102初级孪生，其结果使基面进一步趋向于垂直压应力方向而难以发生滑移。此时易在晶粒 ·672· 稀有金属材料与工程 第37卷 出，部分晶界处有小晶粒存在，也印证了这一论点。 图4 AZ31合金在室温拉伸断口处的组织Fig.4 Microstructure of fracture of AZ31 alloy afte

12、r tensiletesting at room temperature 图3 AZ31合金室温拉伸断口形貌Fig.3 Fracture morphologies of AZ31 alloy after tension tests atRT: (a, (b as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h of 2 mm in thickness; (c, (d as-rolled and as-annealed at 250 , 0.5 h of 0.6 mm in thickness实验发现，AZ31合金板材在室温下的冲裁性能比较好，选取在100350 下拉

13、深，可以完整地冲压出手机壳和笔记本电脑外壳。图5是轧态和退火态AZ31合金的EBSD 分析结果。可以看出，晶粒中主要存在基面织构0001<110>，经过250 ，0.5 h退火处理，棱柱面织构100<110>也出现在晶粒内。从图5c ，5f可以看出，晶粒中存在许多大角度晶界。基面和棱柱面织构的存在导致了合金的力学性能的各向异性。d 之间形成附加内应力使晶界附近的局部组织发生扭曲，从而成为动态再结晶优先形核的区域。从图4可以看 c b aef图5 轧制和退火态AZ31合金EBSD 分析结果Fig.5 Oriention mapping in as-rolled and a

14、s-annealed specimens: (a, (d IPF; (b, (e ODF; (c, (f orientation mapping; (a, (b, (c for as-rolled; (d, (e, (f for as-annealed 第4期 闫蕴琪等：AZ31合金板材的显微组织、拉伸性能与冲压工艺探索 ·673·3 结 论1 AZ31合金铸态组织经过380 ，12 h均匀化退火处理后，晶界变得光滑、细小。经过多道次的轧制变形后，均匀化态的AZ31合金组织发生了动态再结晶，晶粒明显细化且呈等轴态，平均晶粒尺寸细化到20 µm 以下。2 厚2 mm

15、和厚0.6 mm 2种规格的AZ31合金板材拉伸强度随变形方向和处理状态而变化；延伸率随着取样方向不同而不同。经过250 ，0.5 h炉冷退火后，两种规格板材的强度有所降低，但是延伸率升高程度较明显。3 在100350 下可以冲压出手机外壳和笔记本电脑外壳。4 基面织构0001<110>和棱柱面织构100 <110>的存在导致了合金的力学性能的各向异性。参考文献 References1 Kojima Y. Materials TransactionsJ, 2001, 42(7: 1154 2 Watanabe H, Mukai T, Ishikawa K. Materi

16、als TransactionsJ,2002, 43(1: 783 Ping Y. Trans Nonferrous Met Soc ChinaJ, 2003, 13(3: 504 4 Cheng Yongqi, Chen Zhenhua, Xia Weijun. Nonferrous MetJ,2006, 58(1: 55 Yan Y Q. Materials Science ForumJ, 2007, (546549: 241Investigations on Microstructures Evolution, Tensile Mechanical Propertiesand Stamp

17、ing Process of AZ31 Alloy SheetsYan Yunqi, Chen Qi, Weng Wenping, Zhong Hao(Suzhou Institute for Non-ferrous Metals Processing Technology, Suzhou 215021, ChinaAbstract: Rolling and stamping process of AZ31 alloy were investigated in this paper. Various rolling experiments were carried out to make fi

18、ne-grained Mg alloy sheets. Stamping tests were conducted at the temperatures range from 100 to 350 . The results reveal that after deformation of multi-reduction the recrystallization appears in the AZ31 alloy, which the grains are equal-axial and the size is finer than 20 µm; the tensile strength of the alloy of 2 mm and 0.6 mm in thickness changes with the deformation direction and so does the elongation; there exists an excellent warm forming temperatu