低温退火处理对热轧态AZ31镁合金微观结构与力学性能的影响

李玉平，刘崇宇,*，姜艳丽，罗 鲲

低温退火处理对热轧态AZ31镁合金微观结构与力学性能的影响

李玉平1,2，刘崇宇1,2,*，姜艳丽1,2，罗 鲲1,2

(1.广西有色金属及特色材料加工教育部重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学 材料科学与工程学院，广西 桂林 541004)

对热轧态AZ31镁合金进行170 ℃退火处理。采用金相显微镜对样品的组织结构进行观察。力学性能表明，AZ31的显微硬度值随退火时间呈先减小后增加，最后又减小的趋势。最后对AZ31的强化机制进行了分析和讨论。

AZ31；退火处理；微观结构；力学性能

0 引 言

镁合金以其密度小、比强度及比刚度高、阻尼性及切削加工性好、电磁屏蔽及导热能力强、减震性好、易回收等优点得到了越来越广泛的应用[1]。其中AZ31镁合金在结构材料领域中具有非常广阔的应用前景[2]。

轧制是生产金属板材的重要方法之一[3-4]。由于镁的晶体结构为滑移系较少的密排六方结构，因此在工业生产中，通常采用热轧成型技术来避免变形过程中的开裂现象。退火处理可有效地消除由加工引起的残余内应力，起到改良板材力学性能的目的。目前，AZ31镁合金的退火温度集中在200 ℃以上[5-7]，对于低温退火的研究相对较少。

本文对高温轧制后的AZ31镁合金板材进行不同时间的170 ℃低温退火处理，研究退火时间对热轧态AZ31镁合金微观结构及力学性能的影响。

1 实 验

采用1.5 mm厚的AZ31镁合金为原材料，其化学成分见表1。采用直径为300 mm、长度为220 mm的实验用轧机进行轧制。

表1 AZ31镁合金化学组成

将AZ31放入温度为530 ℃的马弗炉中，加热10 min后进行单道次轧制，轧制速度为0.4 m/s，压下量为60%。热轧后的样品迅速水冷至室温后进行170 ℃等温退火处理。退火时间为0.5～10 h。

采用扫描电子显微镜和光学显微镜分别对热轧态和退火态AZ31镁合金的微观组织进行观察。采用FM-ARS 9000型维氏硬度计对样品的显微硬度进行测试，硬度实验载荷为25 N，加载时间为10 s。每个样品测试10次，取平均值为试样的显微硬度值。

2 结果及讨论

固溶态AZ31镁合金的扫描电子显微镜照片见图1，固溶态AZ31的晶粒形态为等轴状，尺寸约20 μm。

图1 固溶态AZ31扫描电子显微镜照片Fig.1 SEM image of the solid solution treatment AZ31

AZ31镁合金经过60%变形量热轧后的显微组织照片见图2。由图2(a)可见，热轧态AZ31的微观形貌为由被拉长的纤维状晶粒和细小的等轴晶粒组成的混晶结构。细小晶粒围绕在纤维晶粒周围，形成大量变形带。图2(b)为该样品的高倍显微组织照片，由图2(b)可见热轧态AZ31内细小镁晶粒的尺寸约为2 μm。AZ31在热轧过程中，镁晶粒发生动态再结晶，形成细小等轴晶粒[8]，由于热轧后样品迅速水冷至室温，快速冷却抑制了再结晶晶粒的增长。

图2 热轧态AZ31光学显微镜照片Fig.2 OM micrographs of the hot rolled treatment AZ31

170 ℃条件下不同退火时间制备的退火态AZ31的光学照片见图3。图3(a)为退火0.5 h后的显微照片，由图3(a)可见，170 ℃退火处理0.5 h后AZ31板材的微观组织仍然以拉长晶粒为主，但是与热轧态AZ31的微观结构(图2)相比，粗大的镁晶粒发生了再结晶，而细小晶粒出现了晶粒长大现象。由于退火温度较低，再结晶和晶粒长大速度均较缓慢。

图3 退火态AZ31光学显微照片，170 ℃退火 Fig.3 OM micrographs of annealed treatment AZ31 processed by different annealing time under 170 ℃

由图3(a)～图3(d)可见，随着退火时间的增加，原始粗大的晶粒逐渐被再结晶晶粒取代；变形带中的细小晶粒尺寸逐渐增加直至变形带消失。图3(d)显示AZ31在170 ℃退火6 h后发生了完全再结晶，微观结构为均匀的等轴晶组织。晶粒尺寸为5～10 μm。继续增加退火时间，样品的部分区域出现大晶粒组织，见图3(e)。这表明AZ31再结晶完成后，长保温时间促使部分镁晶粒发生粗化。对比其他学者[7]的研究结果可见，与高温退火工艺(200 ℃)相比，低温退火条件下，AZ31完成完全再结晶和再结晶后晶粒长大所需时间明显增加。

热轧后AZ31显微硬度随退火时间的变化曲线见图4，热轧态AZ31的硬度为87.5 Hv，随着退火时间的增加，AZ31的硬度出现先降后升，最后又下降的趋势。

图4 热轧后AZ31显微硬度随退火时间变化曲线Fig.4 Hardness of the hot rolled AZ31 with different annealing times

热轧态AZ31的微观结构是由被拉长的纤维状晶粒、细小等轴晶粒和变形带混合而成。由于该样品细小晶粒所占体积比较低，所以该样品的主要强化方式为轧制变形引起的加工硬化。对热轧态AZ31镁合金进行170 ℃退火后，样品的细小晶粒不断粗化且变形带逐渐消失，进而导致AZ31的加工硬化效果不断下降，样品退火处理3 h后，硬度值达到最低点，仅为72.88 Hv。

随退火时间的增加，热能驱使镁晶粒内部的小角晶界不断向高角晶界转化，最终亚晶完全转化为独立晶粒。当退火时间增至6 h时，AZ31微观结构为均匀的等轴晶组织，再结晶过程得以彻底完成。由图3(d)可见AZ31完全再结晶晶粒尺寸仅为5～10 μm。与其它条件下制备的样品相比，该样品平均晶粒尺寸为最低值。在晶体材料中，晶粒尺寸对材料力学性能起着特别重要的作用。根据霍尔-佩吉关系可知，材料屈服强度随着材料平均晶粒尺寸的减少而增加。通常，材料晶粒尺寸越小，晶界数量越多，晶界对位错的阻碍作用越强，材料表现出越高的硬度。因此，退火6 h后AZ31的细晶强化效果最高，硬度值达到峰值，为90.53 Hv。当退火时间>6 h后，部分AZ31晶粒出现粗化现象。粗大晶粒弱化了材料的细晶强化效果，因此，AZ31的硬度值出现了下降现象。

3 结 论

对热轧态AZ31镁合金进行退火处理，对不同

条件下制备的样品微观结构和力学性能进行表征和分析，得出以下几点结论：

1)AZ31镁合金经过530 ℃固溶处理和60%变形量的热轧后，微观形貌为由被拉长的纤维状晶粒和细小的等轴晶粒组成的混晶结构。

2)随退火时间的增加，热轧态AZ31变形带中的细小晶粒逐渐发生粗化，变形导致的纤维状晶粒转化为等轴晶粒。再结晶过程完成后，出现了再结晶晶粒粗化现象。与高温退火工艺相比，低温退火条件下，AZ31完成完全再结晶和再结晶后晶粒长大所需时间明显增加。

3)AZ31的显微硬度值呈现出随退火时间的增加而先减少后增加，最后又减小的趋势。

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Effect on the microstructures and mechanical properties of hot rolled AZ31 Mg alloy with low temperature aging treatment

LI Yu-Ping1,2, LIU Chong-Yu1,2,*, JIANG Yan-Li1,2, LUO Kun1,2

(1.Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous Metal & Materials, Ministry of Education, Guilin 541004, Guangxi,China; 2.School of Materials Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

Hot rolled AZ31 Mg alloys were annealed at 170 ℃. Microstructures of the samples were examined via optical microscopy. The mechanical properties showed that the hardness value of annealed AZ31 Mg alloys was reduced firstly and then increased, and finally reduced after a peak value. The main strengthening mechanisms of different samples were discussed.

AZ31; annealing; microstructures; mechanical properties

10.13524/j.2095-008x.2015.01.012

2014-09-01;

2014-10-20

桂林理工大学博士科研启动项目(65030201);广西自然科学基金资助项目(2014GXNSFAA118351)

李玉平(1986-)，女，广西桂林人，助理实验师，硕士，研究方向：冶金分析，E-mail:Lanyu861015@163.com;*通讯作者：刘崇宇(1984-)，男，辽宁营口人，讲师，博士，研究方向：有色金属材料加工，E-mail:lcy261@glut.edu.cn。

TG146.22

A

2095-008X(2015)01-0056-04