轧制Mg-3Al-1Zn合金微观组织对力学性能的影响

苗 青

(上海电机学院 机械学院， 上海 200240)

轧制Mg-3Al-1Zn合金微观组织对力学性能的影响

苗 青

(上海电机学院 机械学院， 上海 200240)

研究了轧制Mg-3Al-1Zn合金的动态再结晶组织、晶粒尺寸、织构分布和力学性能。结果表明，晶粒尺寸、晶粒大小均匀程度、再结晶组织份数及织构分布共同影响合金的力学性能。晶粒尺寸和织构类型相同时，形变组织份数越高，屈服强度越高；细小晶粒和均匀的晶粒分布易于获得高延伸率；{0002}基面织构对轧制合金屈服强度的各向异性有显著影响。

Mg-3Al-1Zn合金; 轧制; 动态再结晶; 织构; 力学性能

镁合金具有比刚度和比强度高、导热性能优、阻尼减震和电磁屏蔽效果好、易于机械加工性能等诸多优点，许多镁合金构件已经在航天、交通及3C等领域得到应用[1-3]。当下，世界范围内多种传统资源消耗严重、能源紧张，各国都日益重视镁合金材料的制备和应用，金属镁的使用量以每年约20%的速率增长[4]。但密排六方的晶格结构，决定了镁合金低温塑性变形能力十分有限，为获得良好的力学性能和尺寸稳定性往往需要进行热加工成形[5]。

镁合金的层错能较低，在热变形过程中主要发生动态再结晶。动态再结晶具有明显的晶粒细化效果和软化作用，可以有效控制变形镁合金的显微组织、提高塑性成形能力[6-8]。变形过程中镁合金发生动态再结晶的同时其晶粒取向也会呈现出方向性，即形成织构。

为了提高变形镁合金的力学性能，已有一些学者采用等径角挤压，往复挤压等塑性成形方法开展显微组织对力学性能的影响规律研究[9-11]，这些方法通常具有明显的晶粒细化效果，但是难于获得大尺寸的材料，且工艺设备的局限性较大，无法进行大规模的工业化生产。变形镁合金的晶粒尺寸、动态再结晶组织和织构是密切相关并且联动变化的，已有的研究中往往忽略动态再结晶组织份数而单一地研究晶粒尺寸或织构对于力学性能的影响，这对提高镁合金的综合力学性能意义不大。

镁合金板材适用于成形各种形状复杂的薄壁零件，但板材力学性能的各向异性会严重影响后续的拉深等二次成形的产品质量，通过轧制变形控制微观组织进一步控制板材的力学性能是镁合金板材力学性能优化的最佳渠道。本文在变形温度(400～200℃)和变形量(20%～50%)范围内系统研究轧制Mg-3Al-1Zn合金的动态再结晶组织、晶粒尺寸、晶粒分布均匀性及织构对力学性能的影响，对镁合金板材轧制工艺的合理制定、显微组织和力学性能的有效控制都具有重要意义。

1 实验及结果

在400℃、300℃、250℃和200℃ 4个温度下分别进行20%、30%、40%、50%不同变形量的轧制试验。拉伸试样的外形和尺寸详见文献[7]。拉伸试样分别沿轧制板材的RD(Rolling Direction)方向和TD(Transverse Direction)方向截取，每个方向上各取3件，运用INSTRON-5569进行拉伸性能测试，应变速率为1×10-3s-1。根据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行试验测试方法和数据处理，得到表征镁合金板材室温拉伸性能的常用指标： 屈服强度(σs)和均匀延伸率(δ)，相对误差为±3%。选取板材的TD×RD平面作为显微组织观察面，利用Quanta 200 FEG扫描电子显微镜获取样品中的微观晶粒取向分布数据。

图1(a)所示为400℃ 20%变形量轧制板材的晶粒取向分布图，取向分布图涵盖了晶粒的形状、大小及取向分布信息，图片不同的晶粒取向用不同的颜色来表示，相邻晶粒的取向差角>15°时被判定为再结晶组织；统计晶粒尺寸所占比例超10%的数据，以此来表征晶粒大小分布的均匀程度，即晶粒尺寸分布均匀系数。图1(b)所示为400℃ 20%变形量轧制板材的ND方向反极图。(轧制板材的板面法向Normal Direction， ND)。图 1(c) 是400℃ 20%变形量轧制板材的工程应力-应变曲线，如图所示，横向的屈服强度高于轧向。运用相同的测试条件和方法对400～200℃不同变形量轧制后的合金板材进行微观组织和力学性能的测定，轧后板材均形成了明显的{0002}基面织构。

图1 400℃ 20%变形量轧制板材的微观组织和力学性能Fig.1 Microstructure and mechanical properties of the sheets rolled at 400℃ with 20% deformation

2 讨 论

2.1动态再结晶组织对屈服强度的影响

对轧制合金的显微组织和力学性能测试结果研究可知，晶粒尺寸及显微组织形貌对力学性能均产生显著影响。一般而言，形变组织会对材料起到形变强化作用，再结晶组织会对材料产生软化效果。对于多晶体金属材料而言，其屈服强度和晶粒尺寸满足于Hall-Petch关系式[12]：

σs=σ0+Kd-1/2

(1)

式中,σs为屈服强度；σ0为单晶体的屈服强度；K是常数；d代表晶粒大小。轧制板材的屈服强度由动态再结晶组织中的再结晶组织份数和轧后板材的晶粒尺寸共同来决定。图2所示是400～200℃ 温度区间内不同变形量轧制板材的晶粒尺寸、再结晶组织份数与屈服强度的对应关系。

图2 400～200℃不同变形量轧制板材的晶粒尺寸，再结晶组织份数和屈服强度Fig.2 Grain size, fraction of recrystallized grains and yield strength of the sheets rolled at 400～200℃

20%变形量轧制时板材未发生充分的动态再结晶，显微组织中形变组织的份数较高，形变强化作用对屈服强度的影响效果明显，所以板材的屈服强度最高。变形量超过30%以后再结晶组织份数超过70%，动态再结晶充分，形变组织份数低，形变强化作用弱化，所以，30%、40%、50%变形量轧后板材的屈服强度明显低于20%变形量轧后板材的屈服强度。30%～50%变形量轧制时，动态再结晶软化和细晶强化是影响屈服强度的主要因素，不同温度下屈服强度的变化不完全一致。400℃变形量从30%增加到50%时再结晶组织份数增加，再结晶软化作用增强，同时晶粒尺寸也不断增加，根据Hall-Petch关系式可知，晶粒尺寸的增加将导致屈服强度的降低，两者的综合作用致使屈服强度随变形量增加而呈现出不断降低的趋势(图2(a))。300℃、250℃、200℃下变形量从30%增加到50%时，屈服强度表现出上下波动的趋势；40%变形量轧后合金的晶粒尺寸最小，细晶强化效果强于再结晶软化效果，故屈服强度最高；50%变形量轧制时再结晶组织份数最高，晶粒尺寸最大，故屈服强度最低。由此可知，轧制板材的屈服强度受再结晶组织份数和晶粒大小的共同影响。

2.2动态再结晶组织对延伸率的影响

显微组织不仅影响材料的屈服强度同时也强烈影响材料的塑性。图3所示是400～200℃温度区间内不同变形量轧后板材的晶粒尺寸、晶粒尺寸均匀系数与延伸率的对应关系。镁合金变形过程中，动态再结晶组织的出现能够降低材料的内应力、裂纹形成和扩展的能力，使变形抗力进一步减小，延伸率得到提高[13-14]。

图3 400～200℃不同变形量轧制板材的晶粒尺寸，晶粒尺寸均匀系数和延伸率Fig.3 Grain size, homogeneous coefficient and elongation of the sheets rolled at 400～200℃

对于多晶体金属材料而言，晶粒尺寸显著影响材料的塑性和韧性。晶粒越细小，单位体积内分布的晶粒数目越多，变形就更容易分散到更多的晶粒中去进行。另外，晶粒越细，塑性变形时的位错滑移距离越小，应变硬化时位错塞积越少，位错移动能力的增强使塑性得到提高[16]。如图3所示，板材横向和轧向的延伸率随晶粒尺寸减小表现出不断增加的大体趋势，但板材横向和轧向的延伸率有所差别，并不是晶粒尺寸越细，塑性各向异性越小。除晶粒尺寸以外，塑性还受宏观变形均匀性和相邻晶粒协调性等因素的影响，晶粒大小分布越均匀越有利于各晶粒间的协调变形，越有利于获得高延伸率[15]。如图3(d)所示，200℃ 40%变形量轧制时晶粒尺寸最细，板材横向的延伸率为30.3%，轧向的延伸率为39.2%，差别很大。根据晶粒尺寸分布均匀系数可知，50%变形量轧制后板材的显微组织均匀，轧制板材轧向和横向的延伸率差别很小。由以上分析可知，细晶且晶粒分布均匀的板材会获得高的延伸率，同时横向和轧向间的差别较小。

2.3织构对力学性能的影响

ms=cosλcosφ

(2)

本研究中测试的是轧制板材的室温拉伸性能，故Schmid因子统计时仅考虑基面{0002}滑移系。用EBSD取向成像技术对400℃ 20%轧制板材中各晶粒的Schmid因子进行标定和计算，统计数据如图4所示。计算得到沿板材横向拉伸时平均Schmid因子为0.198，沿轧制方向拉伸时平均Schmid因子为0.233。这表明沿板材轧向进行拉伸时，试样中有更多的晶粒处于软位相，更有利于位错滑移的开动而发生塑性变形，所以轧向的屈服强度低于横向的屈服强度，这与图1(c)的拉伸性能测试结果相吻合。

图4 400℃ 20%变形量轧制板材的Schmid因子分布Fig.4 Schmid factor of grains of the sheet rolled at 400℃ with 20% deformation

图5所示是400～200℃不同变形量轧后板材屈服强度和Schmid因子的对应曲线。大部分板材的横向屈服强度高于轧向屈服强度，而横向的Schmid因子小于轧向Schmid因子。平均Schmid因子越大表明材料中有越多的晶粒处于软位相，受外力拉伸时更容易达到材料的临界剪切应力而发生塑性变形，轧向的Schmid因子大于横向，所以轧向的屈服强度低于横向。Kaiser等[19]对轧制AZ31镁合金板材的织构与力学性能进行研究，结果表明轧制板材存在明显的各向异性，轧向屈服强度比横向屈服强度低。Agnew等[20]在室温到250℃温度区间内系统研究了轧制镁合金板材的各向异性，结果表明，在整个试验温度范围内横向的屈服强度均高于轧向的屈服强度。

200℃ 20%和250℃ 20%变形量轧后板材的横向屈服强度低于轧向屈服强度，这与轧制后沿板材横向双峰分布的基面织构有关，部分晶粒的c轴远离板平面法向而朝板材横向发生偏转，横向的平均Schmid因子较大，故沿板材横向测试拉伸性能时，有更多的晶粒处于软位相，优先发生塑性变形，导致板材的横向屈服强度低于轧向。塑性的各向异性问题很复杂。具有密排六方晶体结构的金属只有基面滑移时才遵循Schmid定律，但室温塑性变形时孪生在基面滑移之外也会发生，所以织构对与镁合金力学性能各向异性的影响还需要深入研究。

图5 400℃～200℃不同变形量轧制板材的屈服强度和Schmid因子Fig.5 Yield strength and Schmid factor of the sheets rolled at 400℃～200℃

3 结 论

(1) 轧制Mg-3Al-1Zn合金的屈服强度和再结晶组织份数及晶粒尺寸大小均有关。晶粒大小相同时再结晶组织的份数越高，屈服强度越低；再结晶组织份数变化不大时，晶粒尺寸越小屈服强度越高。

(2) 轧制Mg-3Al-1Zn合金的延伸率受晶粒尺寸和晶粒分布均匀程度的共同影响，具有细小晶粒尺寸和均匀晶粒分布的板材易于获得高的延伸率，并且横向和轧向之间的差别较小。

(3) 由{0002}基面织构所引起的基面滑移时沿板材轧向和横向Schmid因子的不同导致板材轧向和横向屈服强度的差异。沿Schmid因子较大的方向进行拉伸变形更有利于位错滑移的开动而发生塑性变形，屈服强度更低。

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Influence of Microstructure on Mechanical Properties ofMg-3Al-1Zn Alloy Produced by Rolling

MIAOQing

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240， China)

Relationship among grain size, fraction of recrystallized microstructure, texture and mechanical properties of the as-rolled Mg-3Al-1Zn alloys were studied. The results show that mechanical properties of the as-rolled alloys depend on its grain size, homogeneity of microstructure, recrystallized microstructure volume and texture type. With a given grain size and texture, strength can be enhanced by increasing fraction of the deformed microstructure. Elongations of as-rolled alloys were improved due to distribution of the heterogeneous microstructure and grain refining. The {0002} texture distribution has an important effect on anisotropy of yield strength of asrolled alloys.

Mg-3Al-1Zn alloy; rolling; dynamic recrystallization; texture; mechanical property

2014 - 12 - 08

上海高校青年教师培养计划项目资助(13AZ16)；上海市教育委员会上海高校知识、服务平台建设项目资助(ZF1225)；上海电机学院科研启动经费项目资助(13C416)；上海电机学院重点培育项目资助(12C109)

苗 青(1981 - )，女，讲师，博士，主要研究方向为材料成形工艺及模具设计，E-mail： miaoqing@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)06 -0317 - 07

TG 146.2

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