加工工艺对AZ61镁合金拉压不对称性的影响

汪 清，王敬丰，黄 崧，李琳俊楠，耿 铁，潘复生

（1重庆大学 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044；2河南工业大学 机电工程学院，郑州 450007）

镁及其合金是目前最轻的结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、机加工性能好、易回收等优点，在航空航天、汽车、通讯等行业已经得到广泛的应用［1－3］。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度以及塑性，在作为结构材料方面受到人们广泛的关注。而变形镁合金通常需要进行挤压、锻造、轧制和冲压等塑性加工工艺。由于镁合金是密排六方结构，滑移系十分有限，对镁合金进行挤压塑性变形时会形成挤压丝织构，使得｛0002｝基面平行于挤压方向［4，5］，这种织构的存在使得镁合金在挤压方向上产生了强烈的拉压不对称性，通常表现为合金的压缩屈服强度通常仅只有拉伸屈服强度的四分之三甚至二分之一［6－9］。使得单纯依据镁合金的拉伸性能来设计构件带来了安全隐患，限制了镁合金在结构材料上的应用。通常以压缩屈服强度与拉伸屈服强度的比值（CYS／TYS）来评价镁合金拉－压屈服强度不对称性的程度。为了改善镁合金拉伸和压缩性能的不对称性，许多学者开展了大量的研究。J.Swiostek等［10］通过静液挤压技术获得了比较细小的镁合金晶粒，从减小晶粒尺寸方面改善了镁合金的各向异性。路君等［11］通过等通道角挤压变形技术（ECAP）对AZ31镁合金进行塑性加工，使其织构相对随机化，从而降低了拉压不对称性。Bohlen等［12］发现，对于镁合金材料，随着Al含量的增加，镁合金的拉压不对称性降低。

本工作以AZ61镁合金为对象，通过不同的加工工艺对其进行塑性变形，并对加工后的试样进行拉伸和压缩性能测试，研究加工工艺对镁合金力学性能以及各向异性的影响规律，探讨从加工工艺方面调整镁合金的取向分布，从而改善镁合金的拉压不对称性。

1 实验

实验材料为直径φ258mm的AZ61镁合金半连续铸锭，具体成分如表1所示。为消除合金在铸造过程中出现的溶质偏析等铸造缺陷，对半连续铸锭进行了390℃，8h的均匀化退火处理。接着在2500T的日产卧式挤压机上进行一次正挤压，其挤压比为11∶1，挤压温度为380℃，得到φ78mm的一次挤压棒材。取部分一次挤压的棒材在500TXJ－500的卧式挤压机上进行二次挤压，挤压比为25∶1，挤压温度为380℃，得到φ16mm的二次挤压棒材，另取部分一次挤压棒材在YX32－800A液压机上经380℃保温1.5h后垂直于挤压方向进行自由锻造，压下率为35%。

表1 AZ61镁合金的化学成分（质量分数／%）Table 1 Chemical composition of AZ31magnesium alloy（mass fraction／%）

采用线切割从不同加工状态的AZ61镁合金材料中分别取直径5mm，标距为25mm的拉伸样品（GB／T 228—2002）以及直径为10mm，高度为25mm的压缩样品（GB 7314—87）。拉伸和压缩方向都平行于挤压方向。拉伸以及压缩试验是在室温下在CMT25105微机控制电子万能试验机上进行，实验加载速率为2mm／min。

为了评估加工工艺对挤压后晶体取向的影响，实验中采用Rigaku D／max2500PC X射线衍射仪并利用CuKα辐射（阳极电压为40kV，阳极电流为150mA）对样品横向断面进行10～90°的扫描，并对横截面进行织构分析。利用光学显微镜（OM）对样品的微观组织进行观察。

2 结果与分析

图1为AZ61变形镁合金一次挤压态（图1（a））、一次挤压＋锻造态（图1（b））、二次挤压态（图1（c））的显微组织。从图1（a）可以看出一次挤压变形后的AZ61镁合金为混晶组织，在粗大晶粒的附近存在着细小的晶粒。如图1（b）所示，一次挤压后进行锻造，晶粒变得异常粗大且极不均匀，这是因为一次挤压后材料获得了一定的变形储存能，且由于镁合金具有较低的堆垛层错能（纯镁的层错能为60～78mJ／m2）和较高的晶界迁移速率［13］，在热塑性变形时容易发生动态再结晶。在随后的自由锻造过程中，锻造温度高于AZ61镁合金的再结晶温度，所以在锻压过程中发生了动态再结晶。为了防止锻压时，材料出现裂纹，采用的缓慢的变形速率使得再结晶后的晶粒有足够的时间长大，以至于得到了粗大的再结晶晶粒。根据Hall－Petch公式［14］，粗大的晶粒会降低材料的力学性能。由图1（c）可见，经过二次挤压变形后，AZ61镁合金晶粒得到了细化，且较一次挤压后的晶粒更均匀细小，晶粒的细化在一定程度上可以明显改善金属材料的强度，使力学性能得到提高。

图1 不同加工工艺AZ61镁合金的显微组织 （a）一次挤压；（b）一次挤压＋锻造；（c）二次挤压Fig.1 Microstructure of AZ61magnesium alloy after different machining techniques（a）one pass extrusion；（b）forging after extrusion；（c）two passes extrusion

图2所示为在室温下，沿初次挤压方向，不同加工工艺的AZ61镁合金拉伸力学性能的测试结果。从图2中可以看出，在经过一次挤压后进行锻造，试样的拉伸屈服强度以及抗压强度急剧下降（其中屈服强度从203MPa下降到157MPa，抗拉强度从320MPa下降至291MPa），而经过二次挤压后，AZ61镁合金的拉伸屈服强度增加（从203MPa增加到212MPa），但抗拉强度增加不大。

图2 不同加工工艺AZ61镁合金的拉伸力学性能（a）一次挤压；（b）一次挤压＋锻造；（c）二次挤压Fig.2 Tensile mechanical property of AZ61magnesium alloy after different machining techniques（a）one pass extrusion；（b）forging after extrusion；（c）two passes extrusion

图3为在不同加工工艺下AZ61镁合金的压缩力学性能，从图3中可以看出，经过三种不同的塑性变形工艺，AZ61镁合金的压缩力学性能也呈现出一定的差异，其中二次挤压相对于一次挤压压缩屈服强度有了一定的下降（从149MPa下降到123MPa），而抗压强度有了一定量的增加。而在一次挤压后进行锻造后，尽管得到粗大的晶粒，但压缩屈服强度不但没有下降，反而较一次挤压后出现了小幅的增加。而这与Hall－Petch公式相矛盾，故认为存在可抵消因晶粒尺寸增大而屈服强度软化的因素。

不同加工工艺对AZ61镁合金的拉压不对称性的影响是本次实验需要评价的指标之一。由于镁合金是密排六方晶体结构，对镁合金进行塑性变形会使材料形成强烈的择优取向，从而使其拉伸性能和压缩性能呈现出明显的不一致性［15］。

图4为在不同加工工艺下，AZ61镁合金材料的拉伸屈服强度和压缩屈服强度比较。由图4可以看出，经过不同的加工工艺，试样的拉压不对称性变化很明显。其中经过一次挤压后，其压缩屈服强度与拉伸屈服强度之比（CYS／TYS）为0.75，而一次挤压后经过自由锻造，其压缩屈服强度与拉伸屈服强度的比值为0.97，AZ61镁合金的拉压不对称性大为改善，已经接近理想值，其缘由是拉伸屈服强度下降，而压缩强度保持不变的缘故。而二次挤压后，压缩屈服强度与拉伸屈服强度的比值为0.55，AZ61镁合金的拉压不对称性加大，这是由于拉伸屈服强度增加，与此同时压缩屈服强度下降的缘故。这说明二次挤压变形加大材料的拉压不对称性，而挤压后锻造可明显地改善AZ61镁合金的拉压不对称性。

图3 不同加工工艺AZ61镁合金的压缩力学性能（a）一次挤压；（b）一次挤压＋锻造；（c）二次挤压Fig.3 Compressive mechanical property of AZ61 magnesium alloy after different machining techniques（a）one pass extrusion；（b）forging after extrusion；（c）two passes extrusion

图4 不同加工工艺对AZ61各向异性的影响（a）一次挤压；（b）一次挤压＋锻造；（c）二次挤压Fig.4 Effect of machining techniques on tension－compression symmetry of AZ61magnesium alloy （a）one pass extrusion；（b）forging after extrusion；（c）two passes extrusion

为了进一步了解加工工艺对AZ61镁合金性能的影响，对加工后的AZ61试样的横向断面进行了XRD扫描。图5为在不同加工工艺下，AZ61镁合金的XRD扫描图谱。从图5中可以看出，经过加工后，横向面上AZ61镁合金在棱柱面上出现了最强的衍射峰，而衍射峰的出现也就意味着在该位置上出现了择优取向［7，16，17］。这说明经过塑性变形后的 AZ61镁合金形成了强烈的择优取向，其中绝大部分晶胞的晶面与横向断面的法向垂直，也就是说其０００２｝晶面平行于挤压方向。

图5 不同加工工艺AZ61镁合金的XRD扫描谱（a）一次挤压；（b）二次挤压；（c）一次挤压＋锻造Fig.5 XRD patterns of AZ61magnesium alloys after different machining techniques （a）one pass extrusion；（b）two passes extrusion；（c）forging after extrusion

对于六方金属，特别是对于镁合金来说，在较低的温度下，由于滑移系有限，形变孪生就成为塑性变形的主要方式之一。且由于AZ61镁合金满足轴比c／a＜1.732，当受到沿着c轴方向的拉应力或垂直于c轴方向的压应力可以诱发｛1012｝拉伸孪生，而受到沿着c轴方向的压应力或垂直于c轴方向的拉应力可以诱发压缩孪生［5］。室温下，镁合金基面滑移系启动的临界剪切应力（Critical Resolved Sheer Stress，CRSS）约为0.5～0.7MPa，而拉伸孪生的CRSS为2～28MPa压缩孪生的CRSS为76～153MPa［18］。在有基面织构的挤压态镁合金材料中，对于沿着挤压方向的拉伸载荷，晶体的c轴受到压应力的作用压缩孪生受到激发，而该孪生变形的CRSS很高，故滑移是其主要的变形方式。而合金产生基面织构时，其Schmid因子为0，根据σys＝ζCRSS／M（M 为Schmid因子），滑移系处于硬取向状态［14］，滑移变得异常困难，从而造成了高的拉伸屈服强度。而AZ61镁合金沿着挤压方向受到压缩变形时，晶体的c轴受到拉应力的作用孪生受到激发，而滑移系依然处于硬取向，由于启动孪生所需的应力小，孪生成为了主要的变形方式［19］。从而使得压缩屈服强度较之拉伸屈服强度要小，从而造成镁合金的拉压不对称性。图6为AZ61镁合金经过各种加工工艺后拉伸与压缩至断裂后样品的横截断面显微组织图，从图6（a－1），（b－1）和（c－1）可以看出，在拉伸塑性变形样品的显微组织中没有出现明显的孪晶，说明拉伸塑性变形时主要激发的变形机制的是滑移变形；而从图6（a－2），（b－2）和（c－2）可以看出，在压缩塑性变形样品的显微组织中出现了大量的孪晶，这说明在压缩变形时，孪生在塑性变形过程中起到了很重要的作用。

图7所示为AZ61镁合金经过各加工工艺后横截面的｛0002｝基面极图，由图7（a）可以看出，经过小挤压比的一次挤压后，并没有形成强烈的挤压纤维织构，而图7（b）表明经过二次挤压后，基面极密度增加，AZ61镁合金形成了强烈的挤压丝织构，其基面极点呈圆环状的均匀分布在挤压轴的周围，说明绝大部分｛0002｝基面平行于挤压方向。这种织构分布使得沿着挤压方向拉伸时拉伸孪生受到抑制，而基面滑移系产生几何硬化效果，柱面滑移及锥面滑移临界分切应力较高，从而导致AZ61镁合金的拉伸屈服强度提高，而在压缩变形时，启动时所需CRSS较小的孪生在塑性变形中占主导作用，所以导致压缩屈服强度较一次挤压有所下降。图7（c）表明在经过垂直于挤压方向的高温自由锻造后，部分晶面发生了转动，且由于高温锻造后不均匀的再结晶，最终导致了拉伸与压缩性能趋于同性。

图7 不同加工工艺AZ61镁合金的｛0002｝基面极图 （a）一次挤压；（b）二次挤压；（c）一次挤压＋锻造Fig.7 Pole figures of｛0002｝plane after different machining techniques （a）one pass extrusion；（b）two passes extrusion；（c）forging after extrusion

3 结论

（1）不同的加工工艺会影响AZ61镁合金的显微组织，一次挤压后AZ61镁合金为混晶组织，二次挤压后为典型的等轴晶组织，而挤压后锻造使得合金的晶粒组织粗化。

（2）通过改变塑性加工方式可以调整挤压棒的取向分布。

（3）二次挤压增强挤压丝织构，并增加拉压不对称性。而一次挤压材经过自由锻造后，部分晶体c轴发生转动，挤压丝织构状态得到改变，拉压不对称性得到改善。

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