AZ31镁合金轧制板材各向异性力学性能研究

石宝东，彭 艳，韩 宇，刘子龙（1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛066004；2.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004）

AZ31镁合金轧制板材各向异性力学性能研究

石宝东1，2，∗，彭 艳1，2，韩 宇1，2，刘子龙1，2
（1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛066004；2.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004）

摘 要：在几种厚度的AZ31镁合金轧制板材上沿不同方向取样进行常温单向拉伸和压缩实验，研究了AZ31镁合金轧制板材的各向异性力学性能。基于晶体塑性理论，探讨了织构对金属板材宏观各向异性的影响。分析表明，轧制镁合金板材具有明显的各向异性力学性能及拉压不对称性。在轧制（RD）方向的抗压及抗拉屈服强度明显小于横向（TD），各个方向的抗拉屈服强度明显大于抗压屈服强度。不同轧制工艺对板材的力学性能影响较显著，主要表现在屈服应力不同和延伸率不同。基于实验结果与晶体塑性理论，本文从多角度分析了轧制工艺对AZ31镁合金各向异性力学性能及拉压不对称性行为的影响。

关键词：AZ31镁合金；轧制板材；各向异性；孪生；织构

0　引言

由于具有比强度和比刚度高、密度低、抗腐蚀、电磁屏蔽性好等特点，镁及镁合金日益广泛地应用于交通、家电以及通讯领域［1⁃5］。目前镁合金产品以压铸件为主，变形产品较少。然而，铸造镁合金的力学性能不够理想，产品尺寸形状受到制约，且容易产生铸造缺陷，导致其使用范围受到很大局限［6］。和传统的铸造镁合金相比，轧制镁合金的力学性能大大提高。但是由于轧制加工工艺导致镁合金晶体取向以及其自身对称性较差的特点，使得镁合金轧板经常表现出较强的各向异性行为［7］。这种行为会导致镁合金各个方向力学性能有很大差异，在轧制过程中只能采用小压下量、多道次、多次热处理等工艺降低各向异性对产品质量的影响。因此，设备投入和单位能耗偏大，次品率过高，进而提高了轧制镁合金的生产成本，制约了其发展与使用［8］。

对此，国外材料研究工作者已经针对轧制镁合金的力学性能、加工工艺、化学成分与显微组织之间的关系展开了一系列研究［9⁃13］。其中，各向异性行为对后续加工变形工艺具有重要影响，针对AZ31镁合金轧制板材不同厚度各向异性行为的研究尚不多见，因此，本文以轧制镁合金为研究对象，针对各向异性行为，试验确定了4种不同厚度AZ31镁合金轧制板材沿不同方向的力学性能，研究了AZ31镁合金轧制板材在室温下各个方向的屈服行为，并分析了轧制工艺、显微组织与AZ31镁合金的各向异性力学性能及拉压不对称性行为的关系。

1　实验方法

实验用的AZ31轧制板材有4种规格列于表1，化学成分（质量分数）列于表2。

表1　实验用AZ31轧制板材规格Tab.1　Geometry of the specimens of AZ31　mm

表2　实验用AZ31轧制板材化学成分Tab.2　Chemical composition of AZ31 rolling sheet　%

对于厚度h＝4 mm、6 mm、8 mm的板材，按照ASTM［14⁃15］标准选用平板试件进行单向拉伸实验，标距段长度50 mm。对于厚度h＝14 mm的板材采用d＝12 mm的圆柱形试件进行单向拉伸和压缩实验，压缩试件标距段长度20 mm。分别在TD⁃RD平面内沿着与板材RD方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的方向切取试样。见图1，试样尺寸见表3。

图1　单向拉伸试件取样示意图Fig.1　Schematic figure of the specimens of tensile test

表3　单向拉伸（压缩）试件尺寸Tab.3　Gauge of the specimens for tensile and compressive test mm

在INSPECT TABLE100电液伺服材料试验机上进行单向拉伸实验，采用位移加载模式，加载速度为1 mm/min。在W1300电子万能试验机上进行单向压缩实验，同样采用位移加载模式，加载速度为1 mm/min。

2　结果与分析

2.1试件取向对屈服应力及硬化行为的影响

实验测得室温下AZ31轧制板材沿7个方向进行单向拉伸与单向压缩的屈服应力如图2所示，抗拉与抗压强度如图3所示。

对比发现，这3种实验板材拉伸时的屈服强度变化趋势基本一致：TD方向的拉伸屈服强度大于RD方向的拉伸屈服强度，TD方向的压缩屈服强度小于RD方向的压缩屈服强度。该现象源于镁合金在轧制阶段形成了很强（0001）的织构［16］，使初始晶粒取向有利于产生拉伸孪生的试件，其屈服强度较低。由于AZ31镁合金室温塑性变形机制是（0001）基面滑移和（10⁃12）锥面（拉伸）孪生［12］，当外加应力垂直于（0001）基面时，基面滑移系无法启动，使屈服强度升高而塑性降低。由于（10⁃12）孪晶会导致晶粒沿C轴方向发生变形，所以当压应力垂直于基面时，拉伸孪晶也较难产生，垂直于基面方向的屈服强度较大。镁合金在轧制时的应力状态可以近似简化为ND方向受压，RD 及TD方向受拉。研究发现，在轧制过程中镁合金会形成强烈的（0001）基面织构［12，18］，大部分晶粒C轴指向ND方向，小部分晶粒C轴指向TD方向，只有极少的晶粒C轴朝向RD方向，如图4所示。而RD方向变形量大于TD方向变形量，使得小部分C轴未完全转向垂直板面方向的晶粒大多指向TD方向，经过热轧后镁合金板材（0002）晶面朝向TD方向的几率明显大于朝向RD方向的几率。因此，TD方向受拉时容易产生拉伸孪晶，从而导致了镁合金在TD方向的拉伸屈服强度小于RD方向的拉伸屈服强度。

图2　不同厚度不同方向AZ31镁合金初始屈服面Fig.2　Initial yield surfaces of AZ31 with different thickness and different directions

图3　不同厚度AZ31镁合金单向拉伸、压缩强度Fig.3　UTS（UCS）of AZ31 Mg alloy with different thickness and different directions

图4　轧制AZ31板材的织构［19］Fig.4　Texture of AZ31 rolling sheet

研究［19⁃20］认为，HCP金属的硬化机制主要有两类：一是随着应变增加拉伸孪晶对位错运动起阻碍作用，从而产生硬化；二是拉伸孪晶使晶体取向转变，由软取向转向硬取向，从而产生硬化。对比同为HCP结构的AZ31与α钛，其晶胞轴比c/a极为相近（1.623 5和1.633），但是前者的加工硬化率明显高于后者，如图5所示。因此，镁合金的硬化机制不能简单由以上两点原因进行解释。其根本原因是材料基体内部位错密度迅速增加，位错缠结在一起，导致动态再结晶滞后发生，呈现出较高的加工硬化现象。

图5　AZ31与α钛应力应变曲线Fig.5　Comparison of stress⁃strain curve between AZ31 and α Ti

2.2拉压不对称性

试验发现，AZ31板材在拉伸和压缩时的应力应变曲线与强度极限存在明显不对称性，如图6所示。拉伸曲线与其他常规金属拉伸时应力曲线相似，由曲线可以推断为韧性断裂失效［21］。压缩曲线在加载初期为线弹性，屈服后进入塑形变形阶段，首先表现为上凹型，塑性变形累积到一定程度后曲线转为上凸型，推断为剪切应力引起的断裂失效［22］。

图6　AZ31镁合金拉伸⁃压缩应力应变关系对比Fig.6　Strength differential effect of AZ31 Mg alloy

该拉压不对称行为亦称为Strength Differential effect（即SD效应）。研究表明，当进行单向拉伸且加载方向垂直于C轴时，压缩孪晶的产生会显著增加，而在单向压缩应力垂直于C轴时没有这种现象，从而导致了SD效应。研究发现，拉伸和压缩时的屈服应力基本一致，这是由于当加载方向垂直于C轴时AZ31镁合金中基面滑移最先开动，而基面滑移不会表现出拉压非对称行为，因此，屈服应力也没有表现出拉压非对称性。

2.3变形机理对AZ31板材各向异性行为的影响

2.3.1室温下AZ31镁合金变形机制

纯镁及大部分镁合金具有密排六方（HCP）晶体结构。室温时（0001）基面滑移和（10⁃12）锥面（拉伸）孪晶是其主要塑性变形机制。现有研究认为，镁合金中最容易开动的孪晶类型是（10⁃12）锥面（拉伸）孪晶，而轴比与外力作用方向是决定孪晶能否发生的两个关键因素：当c/a＜1.732时，要发生孪晶变形，需要施加加载方向平行于基面的压应力或垂直于基面的拉应力。（0001）基面与外加应力垂直时，基面滑移系无法开动，材料塑性下降而屈服应力上升。由于（10⁃12）孪晶会导致晶粒沿C轴方向发生变形，所以当应力垂直于基面时，拉伸孪晶也较难产生，垂直于基面方向的屈服强度较大。

2.3.2AZ31镁合金的织构形成及强化机制

由于滑移系分布在基面上，镁合金变形后易产生较强的基面织构［23］。镁合金塑性变形时，晶粒在外加应力作用下发生转动。晶体转动方向与应力状态相关，对于镁合金，在外力作用下，会产生力偶导致晶粒旋转，然后逐渐转向硬取向，即基面与主压应力平行。在拉应力状态下其滑移方向转向拉伸方向，在压应力作用下其滑移方向转向与压应力垂直。

镁合金在轧制时的应力状态可以简化为ND方向受压，RD及TD方向受拉［24］，如图7所示。研究认为［19⁃21］，镁合金在经过轧制后会形成很强的（0001）基面织构，这种织构的形成是由于变形过程中基面滑移和锥面孪晶导致的晶体取向定向改变所致［25］。主要特点是：（RD）轧制面平行于（0001）基面，织构强度随着板厚减小及轧制温度降低而升高。冷轧比热轧在变形时能开动的滑移系更少，易形成更强烈的织构。考虑到轧制时板材沿RD方向伸长大于TD方向，因此基面法向（C轴）更倾向于TD方向，而拉应力垂直于基面或压应力平行于基面时，基面滑移较难开动，进一步导致了RD方向的拉伸屈服应力与压缩屈服应力均小于TD方向。

图7　轧制过程中AZ31镁合金受力与变形示意图Fig.7　Schematic figure of the stress state of AZ31 under rolling

3　结论

1）AZ31镁合金轧制板坯拉伸时的屈服强度变化趋势基本一致：TD方向的拉伸屈服强度大于RD方向的拉伸屈服强度，TD方向的压缩屈服强度小于RD方向的压缩屈服强度。

2）镁合金在变形时比α钛硬化率高，其主要原因是材料内部基体位错数量增加迅速，位错堆积较严重，导致动态再结晶滞后发生，呈现出较高的加工硬化现象。

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Investigation on anisotropic mechanical behavior of AZ31 Mg alloy rolling sheet

SHI Bao⁃dong1 2PENG Yan1 2HAN Yu1 2LIU Zi⁃long1 2
1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China 2.School of Mechanical Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China

AbstractThe anisotropic mechanical properties of wrought AZ31 alloy sheet with different thickness were studied by uniaxial ten⁃sion and compression tests at room temperature along different directions.The influence of the texture on the macroscopic anisotropy of the sheet was discussed based on crystal plasticity theory.Strong anisotropic mechanical properties and Strength Differential effect SD effect were observed for the wrought Mg alloy sheet.It was found that the compressive and tensile yield strength along rolling direction RD were much lower than the one along transverse direction TD and the tensile yield strength was larger than the compressive one along all directions.It is found that the effect of different rolling processes on the mechanical properties was pro⁃nounced and more precisely the yield strength and elongation were effected.The influence of rolling processes on the anisotropic mechanical properties and SD effect in the AZ31 alloy was analyzed based on experimental observations and crystal plasticity theory in the current work.

Key wordsAZ31 Mg alloy rolling sheet anisotropy twin texture

作者简介：∗石宝东（1982⁃），男，河北唐山人，博士，讲师，主要研究方向为特种轻合金（镁、铝、钛合金）变形机制、显微组织调控、热处理工艺，宏观⁃介观⁃微观跨尺度本构模型，Email：baodong.shi＠ysu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51401178）；河北省自然科学基金资助项目（E2015203009）；人力资源和社会保障部留学归国人员择优资助项目（CG2014003004）

收稿日期：2015⁃03⁃25

文章编号：1007⁃791X（2015）03⁃0221⁃05

DOI：10.3969/j.issn.1007⁃791X.2015.03.005

文献标识码：A

中图分类号：TG146.2