AZ31镁合金板材轧制过程边裂形成原因分析

赵鸿金，李涛涛，杨正斌，胡玉军，张 兵

（江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州 341000）

AZ31镁合金板材轧制过程边裂形成原因分析

赵鸿金，李涛涛，杨正斌，胡玉军，张 兵

（江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州 341000）

针对AZ31镁合金板材轧制过程中出现边部裂纹的问题，采用数值模拟方法研究了AZ31镁合金板材轧制过程中轧制温度对板材边裂的影响，利用实验室热轧试验方式研究了AZ31镁合金板坯宽厚比、轧制道次数以及工作辊直径等工艺参数对镁板边部裂纹的影响.研究表明，边裂的产生多数情况是由于几种因素共同作用的结果，其主要影响因素有轧制温度、道次加工率、轧辊直径以及板坯宽度和厚度等.在其他条件不变的情况下，减少板材宽厚比，可降低边部所受拉应力，有利于减少横向裂纹产生；当b＞（R·△h）1/2时，随着板材宽度增加，轧制力逐渐升高，边部产生横向裂纹的几率增加；对于相同规格板坯，随着辊径增大，轧制过程中板坯的宽展量和所受摩擦力逐渐增加，有利于发挥板材塑性从而减小边部裂纹产生的趋势.

AZ31镁合金；边部裂纹；边部拉应力；切边厚度；宽厚比

镁合金是实际应用中质量最轻的金属结构材料，具有密度低，比强度和比刚度高，散热快，电磁屏蔽能力强，阻尼减震性能较好，铸造、切削加工性能优良且尺寸稳定等诸多优点，在航空，3C领域等得到了日益广泛的应用［1-3］.但由于常用镁合金具有密排六方晶体结构，其变形性能不及铜和铝.

通常，镁板在轧制过程中容易产生边裂现象［4-6］，许多学者对此已经做了深入研究.黄志权［7］等研究了轧制温度对AZ31B镁合金板材边裂和组织的影响；马立峰［8］等发现在350℃下，随着压下量的增加，AZ31B镁板边部的损伤也随之增大，边部裂纹出现的次数增多.由于镁板塑性差，轧制时产生边裂是不可避免的问题［9］，因此，如何减小边部纹裂的宽度，尽可能的充分利用镁板，是工程技术人员研究的重点.本文从影响板材轧制边裂因素和切边厚度选择等多个角度重点分析了产生裂纹的原因，以及减小边部纹裂的宽度，提高成材率的方法.

1 实 验

实验原料为某企业生产的AZ31镁合金连续铸造板坯，原始厚度15 mm，化学成分见表1.板坯在400℃下进行13 h均匀化退火，然后加热到430℃热轧，道次加工率控制在5%～20%.轧制在规格为Φ320 mm×500 mm的二辊轧机上进行，辊速为1.47 rad/s，采用SX-12-10型箱式电阻炉加热.轧制前将轧辊表面温度预热到150℃.轧制时观察板材表面变化及裂纹扩展情况，当板坯按照既定工艺轧制得到3.0、2.0、1.5、1.0 mm样品时，将边部开裂部分切掉，继续轧制，待轧至0.6 mm时观察镁板边部变化.

表1 AZ31的成分（质量分数/%）

参照相关资料，将AZ31镁合金铸轧板坯应力-应变曲线［10-12］导入Deform-3D软件的材料库中，进行轧制模拟.模拟选取AZ31镁合金板坯宽度和厚度分别为100和15 mm，单道次压下量为1.5 mm；数值模拟板材轧制温度设定为430、400、350、300℃，轧辊温度为150℃，轧机参数同上.

2 结果与讨论

2.1 边部裂纹宏观检验

出现边部裂纹的AZ31镁合金宏观形貌如图1所示，裂边主要分布在镁合金两侧，裂纹在边部呈现不规则分布，开口较宽，边缘粗糙且开口方向基本垂直于轧制方向；部分裂纹沿轧制方向横向延伸，裂纹延伸至距边部约20 mm；板材侧面裂纹与上表面呈45°夹角.

图1 AZ31镁合金边裂位置

2.2 边裂的主要影响因素

影响板材轧制边裂因素较多，板坯成分均匀性、轧制温度、道次加工率、流变应力、轧辊大小、温度以及板坯宽度和厚度等都与边裂有关，但边裂的产生大多数情况是由多种因素共同作用的结果.

2.2.1 轧制温度对板材边裂的影响

其他条件不变，板坯轧制温度分别为430、400、350和300℃，当4块镁板都出现裂纹后，比较发现，边部裂纹长度随着轧制温度的降低逐渐增长.当轧制温度分别为300、350、400、430℃时对应的边部最大损伤因子依次为0.126、0.123、0.122、0.119，说明随着轧制温度降低，边部损伤因子逐渐增大.COCKCROFT和LATHAM［13］认为对于已知材料，在一定的温度和应变速率下，当损伤因子达到材料的临界损伤因子时材料产生断裂.

由此可知，当镁板轧制温度降低时，板材边部开裂趋势增大，这与实验结果相符合.有研究［7］指出，镁合金板坯因温降而引起中部与边部存在较大的温差，致使轧制过程中板坯中部与边部在纵向上存在金属流动量的差异，从而使边部受到附加拉应力的作用，当边部所受的附加拉应力超过其断裂强度极限即产生了边裂.

图2为单道次轧制过程中，不同轧制温度下镁板温度场数值模拟结果.当轧制温度为300、350、400、430℃时，镁板中心与边部温度差分别为24、32、39、41℃，轧制温度越高，镁板中心与边部的温度差越大.在一定范围内，镁板塑性随温度的升高逐渐增加，虽然轧制温度低时板材中心与边部温差小，板材边部与心部金属性能相对均匀，但温度低时板材塑性差，轧制过程中很容易产生边裂现象.综上所述，轧制温度越低，板材边部与心部金属性能越均匀，但镁板塑性随温度降低逐渐下降，边部出现裂纹的几率大大增加.

2.2.2 道次数对边裂的影响

厚度为15 mm原始板坯在430℃下分别采用不同道次进行轧制，保持总加工率（50%）不变，其结果见图3.由图3可以看到，板坯经8道次轧制情况下，板材表面较平整，边部未见有明显裂纹，如图3（a）所示；经6道次轧制时，轧板边部出现长20 mm的断断续续小裂纹，如图3（b）所示；而经3道次轧制时镁板边部裂纹穿透心部，镁板失效，见图3（c）.这表明，在总加工率不变的情况下，道次数越少，AZ31镁板边部的损伤也随之增大，同时边部裂纹增多且迅速长大.

2.2.3 板坯宽厚比对轧制边裂的影响

由采里柯夫公式可知，轧件宽展量与板宽之间存在反比关系，当轧制过程中其他因素不变时，随板材宽度的增加，轧件宽展量逐渐减小.

当b＜（R·△h）1/2时（其中b为板宽，R为轧辊半径，△h为单道次压下量），宽展量随着板坯宽度的增加逐渐增大；

图2 不同轧制温度下镁板温度场

图3 不同道次边部裂纹情况

当b＞（R·△h）1/2时，宽展量随着板坯宽度的增加逐渐减小；

当b=（R·△h）1/2时，宽展量相比于其他条件时最大.

同一宽度板材，宽展越大，变形越不均匀，板材越容易开裂；不同宽度板材，随其宽度增加开裂几率逐渐提高.

理论上，轧件边部在宽展时，受附加的拉应力，而中间部分受附加压应力，金属的宽展越大，这种应力也愈大.通常，这些应力的存在并不能影响轧件边缘的完整性.但当边部受到的应力超过金属的抗拉强度时，就会产生横向裂纹.因此，在其他条件不变的情况下，b＞1.15（R·△h）1/2，随着宽厚比增加，轧辊辊间应力增加［14］，板材开裂的几率逐渐上升.

2.2.4 工作辊半径对AZ31镁合金板材边裂的影响

工作辊半径对板坯轧制过程有明显影响，随着工作辊半径的增加，裂纹长度减小.当工作辊半径从150 mm增加到320 mm，总变形量为86%时，裂纹长度从14.8 mm减少到9.7 mm.由采里柯夫公式可知，当b＞（R·△h）1/2时，对于相同规格板坯，随着辊径增大宽展量和板材所受摩擦力逐渐增加，而板材所受摩擦力越大轧制过程中边部塑性越好.对于同一轧件，增加辊径有利于充分发挥板材的塑性，从而减小边部裂纹的长度，由此验证了大辊径轧辊可降低边部裂纹的长度.在实际生产过程中，当b＞（R·△h）1/2时，使用半径较大的工作辊可以降低边裂产生的可能性.

2.3 切边厚度对轧板边部裂纹扩展的影响

综上分析可以看出，影响镁板轧制边裂［9，15-16］的因素较多，如何提高产品成材率，需考虑综合因素.控制裂纹源，切除边部开裂部分可有效提高成材率.

经数据分析发现，在本实验条件下，原始板坯热轧至7 mm开始出现裂纹，道次总加工率为53%；继续轧制，表面裂纹不断向心部扩展，且扩展速度较快，待轧至2 mm后，边部裂纹扩展缓慢.

图4为轧板切边前宽度、切边后宽度以及切边后继续轧制得到的板宽.按既定工艺获得的3 mm板坯切除边部轧裂部分，切边后样品热轧至1.7 mm出现边裂，继续轧制，原有裂纹扩展量较小，边部出现许多新的细小裂纹；对切边后的2.0、1.5、1.0 mm样品轧至0.6 mm，轧件表面光亮，边部未发现裂纹，轧制后样品宽度分别为101，103，101 mm.综上所述，切边厚度过大，轧制后边部易出现再度边裂现象，切边厚度较薄，轧制后板材宽度相对较窄，降低了成材率.本研究表明待板材轧制1.5 mm左右对其进行切边处理，既提高了成材率又可得到表面质量良好的镁板.由于实验坯料较小，研究结果可能不具备普遍性，但其意义在于验证了提高成材率的可行性，本课题将继续深入探讨影响镁板轧制边裂的主要因素.

图4 不同切边厚度下样品宽度的变化

有研究［17］指出，镁板抗拉强度随加工道次增加逐渐升高，结合本实验研究结果认为边部所受拉应力与高温抗拉强度满足图5关系曲线.按照既定工艺进行轧制，轧制初期，边部所受拉应力小于轧板高温抗拉强度，轧板表面质量较好；当轧至k道次，由于宽厚比发生变化以及加工硬化等因素，使得轧板边部所受拉应力大于其高温抗拉强度，镁板出现裂纹，继续轧制，裂纹不断向心部扩展；待轧至（k+l）道次，将轧板边部裂开部分切除而后继续轧制，在（k+l+m）道次又发现新的裂纹.当轧件不采取切边措施，k道次以后边部所受拉应力将始终大于高温抗拉强度，边部裂纹不断向轧板心部扩展.研究认为裂纹的扩展除与上述影响因素有关，还与边部裂纹源有关.在轧制过程中由于边裂的产生，随着轧制的进行，裂纹将不断通过裂纹源扩展，直至边部应力松弛，不足以驱动裂纹向心部扩展.由此可知，在（k+l+m）道次前制品达到所需厚度，则选择（k+l）道次进行切边，在获得光洁镁板的同时又可提高镁板成材率.

图5 （k+l）道次切边后边部所受拉应力与其边部高温抗拉强度随时间变化规律

3 结 论

1）边裂的产生大多数情况是由于几种因素共同作用的结果，其主要影响因素有轧制温度、道次加工率、轧辊直径以及板坯宽度和厚度等.基体成分越不均匀，越容易在轧制过程中形成边部裂纹.

2）在其他条件不变的情况下，当b＞（R·△h）1/2时，随着板材宽度增加，轧制力逐渐升高，边部产生横向裂纹的几率增加.

3）当b＞（R·△h）1/2时，对于相同规格板坯，随着辊径增大宽展量和板材所受摩擦力逐渐增加，板材所受摩擦力越大轧制过程中边部塑性越好，因此，增加辊径有利于发挥其塑性减小边部裂纹产生的趋势.

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（编辑 吕雪梅）

Causes analysis on the edge crack formation of rolled AZ31 Mg alloy sheet

ZHAO Hongjin，LI Taotao，YANG Zhengbin，HU Yujun，ZHANG Bing

（School of Materials Science and Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

To concern the edge cracks of AZ31 Mg alloy sheet during rolling，in this paper，we study the effect of rolling temperature on edge cracks of AZ31 Mg alloy by numerical simulation and the effect of width to thickness ratio，passes and work roll diameter on the edge cracks of Mg sheet by hot rolling on laboratory mill. The results showed that the apperace of edge cracks was due to several factors including rolling temperature，passes，roll diameter and width to thickness ratio.The theoretical research proved that if the others conditions keep constant，the decrease of Mg sheet＇s width to thickness ratio could reduce the edge tensile stress，thus reduce transverse cracks.With b＞（R·△h）1/2，increasing sheet width could raise the rolling stress.For the same size slab，the friction of Mg plate increases with increasing roll diameter.This can release plasticity of Mg sheet and decrease the possibility of emerging edge cracks.

AZ31 magnesium alloy；edge cracks；edge stress；the thickness of crap edge；ratio of width to thickness

TG335.5+6

A

1005-0299（2015）06-0093-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150617

2015-04-20.

赵鸿金（1967—），男，博士，教授.

李涛涛，E-mail：Litaotao_0616@163.com.