肖心萍 王红梅 李晓丹
(秦皇岛职业技术学院,机电工程系,河北 秦皇岛066100)
镁合金是极具应用前景的优质合金之一。近些年来,镁合金在工业上的应用越来越广泛。镁合金作为轻质结构材料,除了具有良好的电磁屏蔽能力、比强度和比刚度高、良好的散热能力及抗震性能。此外,镁合金还有良好的可回收性,可以缓解目前日益增加的环保压力。因此,镁合金被誉为“绿色”工程材料。累积叠轧焊具有设备简单、工艺简捷的优点,具备生产宽幅细晶镁合金热轧板卷的能力,因此未来会在航空、航天、汽车重要结构领域有很大的运用前景。
在前面实验工作中获知,AZ61 比AZ31 的屈强比大;在适宜的加热温度下,AZ31 的伸长率要大于AZ61。AZ31 成形性能总体上要比AZ61 镁合金更优越。而由于AZ61 镁合金中的AL的含量较高,AZ61 镁合金相对于AZ31 镁合金具有更好的耐蚀性能。因此研究这两种材料的界面结合的机制对于后续开发综合性能优越的层状复合板有着很重要的意义。
本实验采用的材料为AZ31 和AZ61 铸造镁合金,其化学成分见表1。在本次实验前,此材料在673K 温度下进行了10 小时固溶处理。
表1 AZ31 和AZ61 镁合金棒材的化学成分(质量分数%)
根据前期试验确定AZ31 和AZ61 镁合金压缩变形的参数:应变速率0.01s-1,变形温度350℃,AZ31 与AZ61 异质材质之间的ARB 连接实验方案如下:
表2 AZ61 与AZ31 异种材质的ARB 试验
验具体步骤是:
(1)分别从Ф10 AZ61 和AZ31 棒材中取Ф6×4.5mm 的圆饼状样品,并用1200 目金相专用对样品表面进行打磨,去除因切割而产生的表面氧化物,待酒精清洗后留待试验。
(2)将前面处理好的AZ31 和AZ61 式样各取一个,叠放在孔径为Ф6,高为9 圆形套筒内,进行累积叠轧压缩。压缩量分别为15%、50%和80%以及静压下保温1h,试验完毕后将试样沿径方切开,进行金相显微观察。
表3 ARB 试验结果
镁合金AZ31 不同变形量下进行模拟ARB 实验后,未腐蚀前的界面宏观观察如图1 所示。
从图(a)、(b)、(c)和(d)中可以看出镁合金的界面都已经连接,但是在静压下保温1h 和压缩量较低时界面的孔洞较大,界面较明显,而且在静压下由于保温时间很长,界面处氧化严重,界面上夹杂较多的氧化物。随着压缩量的增加,表面界面变的不太明显,而且大孔洞已经消失,只留下一条细小的连接线;当压缩量达到80%时,宏观观察下表面上已经看不出连接界面。
图1 未腐蚀前的界面宏观观察
图2 是AZ31 和AZ61 镁合金ARB 后界面附近的组织观察,从图中可以看出,由于界面两侧的合金含量不同,所以可以明显的观察到界面两侧在经过同种腐蚀剂腐蚀后,组织有显著的差异。从图中可以看出AZ31 镁合金的晶界经过腐蚀后比较明显,AZ61 镁合金无法腐蚀出较明显的晶界。但是在界面附近由于彼此间的元素的相互扩散,界面两侧都显示出较明显的晶粒。
图2 异种材质ARB 后界面显微组织观察
图(a)是静压下保温1h 的情况下的界面显微组织观察,从图中可以看出连接界面非常明显。由于存在一定的压力,而AZ61 镁合金的屈服强度较小,在AZ61 靠近界面附近可以观察到有些较细小的晶粒形成,AZ31 几乎没有明显的变化。
图(b)中为压缩量15%,镁合金开始动态再结晶,在界面连接线附近的两侧都出现了一些细小的再结晶晶粒,远离界面的晶界上也有再结晶现象发生。
在图(c)中,压缩量已经达到50%,这时的动态再结晶的区域扩大,原始晶界甚至晶粒内部都有再结晶晶粒的产生。整体晶粒度趋于均匀,这时的连接线已经变得模糊不清,在原来的界面处有形成了共同晶粒,界面两侧的部分晶粒发生融合。
图(d)是压缩量达到80%时的界面组织观察,这是的界面已经被再结晶形成的共同晶粒所覆盖,没有明显的连接线,但是由于两侧镁合金的合金含量不同,还是能够看出界面的过渡部分。
图3 AZ31 与AZ61ARB 后界面扫描观察及沿扫描线的铝含量
对镁合金界面进行扫描电镜观察。由于AZ31 和AZ61 中的合金含量不同,所以我们可对穿过连接界面的线扫描,并沿扫描线绘制出Al 含量的变化曲线。
在扫描线上的连接界面处,铝的含量有明显的变化。(a)图中是压缩量为15%时的界面扫描,铝含量在界面处呈现出垂直下降趋势,这说明在压缩量为15%时,界面处没有明显的扩散现象,这时在界面上还没有共同晶粒形成,界面连接中动态再结晶现象不明显。在图(b)中,铝的含量在扫描线上发生了变化,在界面处铝的含量并没有呈垂直下降,而是形成了一个介于AZ61 和AZ31 铝的含量之间的小峰值(箭头所指处),这说明在界面连接处,两种材质的镁合金之间发生了相互的扩散,铝由浓度向低浓度扩散。说明在界面处发生了动态再结晶,由一定量的共同晶粒形成。而在图(c)中,除了有介于两者之间的峰值处在外,还可以看出,铝含量曲线的变化趋势更加的平缓,没有垂直方向的变化。这说明在压缩80%时,界面的动态再结晶更明显,界面主要通过共同晶粒连接。
在AZ61 和AZ31 异种材质镁合金累积叠轧焊过程中界面两侧同样发生了动态再结晶现象。当累积叠轧变形量达到50%以上时,在原界面上发生了明显的铝原子扩散现象,且界面上出现了共同晶粒,界面接合良好。界面结合的机制两侧晶粒之间发生的动态再结晶和相互扩散。镁合金的表面状况和累积叠轧焊后的保温时间影响界面的结合。镁合金表面经打磨和清洗处理后,在变形温度为350℃、累积变形量为80%和较短保温时间下进行累积叠轧焊,可以获得高质量的结合界面。