顶管轧制对挤压态ZK60镁合金显微组织和力学性能的影响

段华，马立峰，朱艳春，邹景锋

塑性成形

顶管轧制对挤压态ZK60镁合金显微组织和力学性能的影响

段华，马立峰，朱艳春，邹景锋

（太原科技大学 机械工程学院，太原 030024）

研究顶管轧制工艺中不同压下率对ZK60镁合金管材显微组织和力学性能的影响，为顶管轧制工艺制备镁合金管材提供借鉴和指导。基于有限元模拟及顶管轧制实验，对不同压下率下的模拟及实验结果进行对比验证，分析不同压下率下的镁合金管材轧制过程以及过程中的组织演变规律。随着压下率的增加，管材整体应变呈上升趋势，并从外到内递减。在压下率为45%时，累积应变达到峰值，晶粒得到明显细化。轧制后材料的强度由273 MPa提升至377 MPa，伸长率由29%下降至10%。使用顶管轧制工艺完全可以制备ZK60镁合金薄壁管材，这为高强薄壁镁合金管材的制备提供了一种新的方法和途径。

镁合金；顶管轧制；组织演变；力学性能

镁合金作为轻量化结构材料，具有高比强度、优良的电磁屏蔽特性、高阻尼能力和良好的减震能力，在汽车和航天工业中降低碳排放和提高能源效率方面尤为突出。在塑性变形过程中，由于镁合金的密排六方晶格结构滑移系较少，导致其在室温下的成形性和延性较差。此外，镁合金的强度低于其他结构合金，如钢和铝。这些不足制约了镁合金作为基础结构件在军工、航空航天和民用领域的广泛应用[1—5]。

学者们提出了多种可行的手段来优化镁合金组织以获得优越的力学性能，包括调整合金配方和加工工艺等，并开展了相关研究工作[6]。严重塑性变形是提高镁合金强度和延性的一种经济有效的方法，目前已被广泛接受[7]。Lu等[8]通过多道次等径角挤压制备了Mg-1.8Gd-1Zn-0.1Zr合金，屈服强度为334.4 MPa，伸长率为22.5%。Rong等[9]在AZ75合金上应用了硬板轧制技术，在室温下获得了优越的力学性能，同时具有较高的强度和延展性（屈服强度约为218 MPa，抗拉强度约为345 MPa，伸长率约为19%）。Torbati-Sarraf等[10]指出通过高压扭转技术可以大大提高镁合金的断裂伸长率（在200 ℃下可达到535%），Lin等研究了循环挤压压缩工艺对GW102K合金力学性能的影响，结果表明多道次循环挤压镁合金的屈服强度为318 MPa，伸长率为16.8%，但是，这种成本过高的技术在实际生产中较难进行大规模工业化。传统的轧制工艺虽然可以有效解决以上问题，但是也存在着加工流程长、道次匹配难、技术复杂、投资较高且无法进行薄壁管生产的弊端。顶管轧制工艺（Cross-roll piercing and elongating，CPE）是20世纪80年代提出的一种工艺，随着镁合金斜轧穿孔技术的发展，该工艺在镁合金生产上得以实现。CPE工艺设备投资少、流程短、生产效率高，而且可以进行高质量、高强度薄壁管材的生产。顶管轧制示意见图1，管坯放置于顶杆头部，利用压机在加工方向上进行顶管轧制，但是目前镁合金采用CPE工艺的研究较少，因此，文中利用顶管轧制工艺，对一种挤压态的ZK60镁合金管材进行了轧制，揭示了不同累积应变条件下的宏观和微观特征，系统讨论了顶管轧制的变形行为、微观结构演变及其力学性能，对使用CPE进行工业化生产镁合金薄壁管材提供了参考依据。

图1 顶管轧制示意

1 模型的建立与实验方案的制定

1.1 有限元模型的建立

使用FEM软件Abaqus-explicit建立镁合金管材顶管轧制工艺模型，原料外径为50 mm，内径为30 mm，长度为120 mm，轧辊公称直径为180 mm，顶杆进给速度为30 mm/s，模具摩擦因数为0.3，导热系数为117 W/(m×K)，空气对流系数为0.012 kW/(m×K)，第1道次孔型形状为椭圆形，其尺寸为48 mm´46 mm，第2道次孔型形状为圆形，其尺寸为45 mm，第3道次孔型形状为椭圆形，其尺寸为43.6 mm´42.6 mm，第4道次孔型形状为圆形，其尺寸为41 mm。模型采用的显式动力学分析方法，对管材变形过程中温度、位移等参量耦合分析。同时结合实际实验复杂的环境变化，充分考虑了传热、变形温升等因素。在模型内引入了轧辊与毛管之间的摩擦生热以及热传导，设置了毛管与空气之间的换热系数。具体模型如图2所示，分析总时间为30 s。

图2 顶管轧制有限元模型

1.2 实验方案

材料为标准ZK60挤压管，化学成分为Mg- 5.91Zn-0.43Zr-0.01Mn。加热方式为到温加热（到达设定炉温后放入实验材料），设定温度为350 ℃。实验原理如图3a所示，实验模具如图3b所示，将4组推轧辊按照道次顺序，先安装第一道次轧辊。当炉温到达350 ℃后放入试样，保温30 min。在推杆上涂抹石墨润滑剂，以便于后续松棒。将加热好的2组实验材料放置于实验模具上进行实验，实验结束后将实验材料空冷降温。快速安装第二道次轧辊，此时实验模具为第1，2道次模具叠加，再取2组实验材料进行实验。实验结束后将实验材料空冷降温。快速安装第三道次轧辊，此时实验模具为第1，2，3道次叠加。重做上述实验，以此类推进行第1，2，3，4道次实验。最后得到4个压下量，8个实验材料。值得注意的是，为了使变形更均匀，在轧辊安装时严格按照正Y-反Y布置。另外，中途安装轧辊时间需控制在5 min以内，其中各道次总压下量分别为1.5，2.5，3.45，4.5 mm；总压下率分别为15%，25%，34.5%，45%。从图3c可以看出，随着压下量的增加，管坯明显拉长，表面质量良好。随后在轧后荒管沿半径厚度方向外圈、中心、内圈分别进行组织取样，在1200目金相砂纸上打磨至表面光洁无划痕，随后在腐蚀液（4.7 g苦味酸+10 mL冰乙酸+60 mL酒精+10 mL蒸馏水）侵蚀10 s后进行微观组织形貌观察，并在管坯中间位置取圆柱拉伸样进行力学性能测量。

图3 实验过程及轧后材料

2 结果与讨论

2.1 模拟结果分析

为了解轧制过程管材变形机理，以便更好地分析轧制过程中的组织演变规律，对ZK60镁合金管材顶管轧制过程进行有限元模拟。不同压下率轧制后的管材径向截面的温度见图4，从整体上看，管坯在周向上呈现温度不均匀性，在径向上温度呈现从外向内递减的趋势，在纵向上随着变形量的增加表现出温度逐渐降低，且温降速度逐渐趋于平缓的趋势。这是由于第1，3道次孔型为椭圆孔型，在压下的过程中，管坯不同位置与孔型和芯棒接触时间不同，且椭圆孔型会导致管坯在周向上的压下量不同，所以在温度云图截面上呈现的是周向分布不均，但随着压下率的增加、壁厚的减薄以及管坯内温度传导，周向温度不均的现象逐渐减弱。从图5和图6可以看出，在径向上的应变和应力内圈明显小于外圈，这导致材料自身升温过程中内圈升温较慢，在轧制过程进行到一定阶段时，芯棒与管坯抱紧，接触方式由线接触变为面接触，管坯内圈与芯棒接触面积较外圈与轧辊接触面积大，所以管坯内圈导热较快，进而使管坯温度在径向上呈现从外到内下降的趋势。随着压下率的增加，管坯温度在模具导热和空气散热作用下缓慢降低，但在开始轧制时的下降尤为明显，这是由于镁合金材料导热性较好，开始接触模具时由于温差较大，激冷效应[13]显著，导致管材温度流失较快，但随着轧制过程的进行，管坯温度在变形生热、模具传热、模具升温、空气散热四者作用下逐渐趋于稳定，在温度云图（见图4）上显示为温度梯度下降较为平缓。

图4 不同压下率下的ZK60镁合金管材温度云图

从图5不难看出，随着压下率的增加，管材整体应变呈上升趋势。在周向上，由于初始孔型为椭圆孔型，故应变分布略有差异，但随着压下的进一步进行，差异逐渐减小，最终在45%压下率时应变分布变得较为均匀。在半径方向上，随着轧制过程的进行，应变变化较为明显，外圈应变大于内圈应变，这会造成径向上材料微观组织不均匀。实验采用孔型为椭圆-圆孔型，布置方式为正Y-反Y，会导致材料在周向上受应力不均匀，如图6所示，但是这种布置方式有利于改善顶管轧制咬入以及轧制过程，防止抱死。循环应力也可在一定程度上改善组织。

2.2 不同压下率下的ZK60镁合金管材微观组织形貌分析

为了对有限元模拟结果进行验证，揭示顶管轧制过程中不同压下率对ZK60镁合金管材组织演变的影响，对不同压下率的显微组织进行了观察。如图7所示为轧前镁合金管材原始组织。图8a—l为压下率分别为15%，25%，34.5%，45%时，顶管轧制变形区内圈、中心、外圈金相组织。从图8整体来看，随着压下率的增加，单位面积内晶粒数量逐步增多，再结晶程度增加，晶粒尺寸逐渐细化。从图7可知，初始组织较大且不均匀，平均晶粒尺寸约为25.6 μm，最大的晶粒约为260 μm。由图8a—c可看出，在压下率为15%时，中间区域晶粒细化不明显，但外圈与内圈组织细化较为显著，且动态再结晶程度较中间区域大。随压下率增加至25%（图8d—f），晶粒细化明显，动态再结晶晶粒增多，中间区域晶粒尺寸大幅减小，外圈与内圈组织较为均匀。随压下率进一步增加至34.5%（图8g—i），内圈与中间开始出现少量孪晶，并且布满细小动态再结晶晶粒，外圈组织进一步细化。当压下率达到45%时（图8j—l），中间区域布满孪晶，内圈和外圈有少量孪晶出现，再结晶晶粒增多，晶粒尺寸更加细小。

图5 不同压下率下的ZK60镁合金管材等效应变云图

图6 不同压下率下的ZK60镁合金管材应力云图

镁合金为密排六方结构，其原子结构决定了其塑性变形机制主要为滑移和孪生。在高温下的变形也有晶界滑移机制参与，但文中使用常温模具进行顶管轧制，散热较快，故变形以滑移和孪生为主。同时，当应变累积时，晶界周围会产生较大的应力集中现象，这时只依靠滑移来释放应力是不足的，这时就需要孪生来协调变形和释放应力[14]。

结合温度分布（图4）、应变分布（图5）进一步分析得知，在压下率为45%时，镁合金管材的整体应变值较大，位错塞积严重，且温度较低，仅仅依靠滑移已经无法协调变形，此时大量的孪晶开始产生。孪生作为协调形变和释放应力的有效方式，在释放轧制过程中的应力集中时发挥重要作用，因此，如图8k和图8l所示，当顶管轧制进行到45%压下率时，孪晶数量明显增多，粗晶中尤为明显，这是由于粗晶协调变形能力弱，而且轧制后期温度较低，促进了孪生变形。ZHU B W等[15]也提到当温度降至一定程度时，临界剪切应力较低，较难开启界面滑移，所以粗晶变形多以孪生的形式发生。

图7 轧前ZK60镁合金管材组织

2.3 不同压下率下的ZK60镁合金管材宏观力学性能的研究

力学性能是表征材料属性的重要参考依据，图9为ZK60镁合金在不同压下率轧制时的力学性能。不难发现，顶管轧制能够有效提高合金的力学性能，压下率为15%时，镁合金的屈服强度由原始的273 MPa提高到了295 MPa，但伸长率有所减少。随着轧制过程的进行，材料抗拉强度逐渐上升，伸长率逐渐下降。压下率为45%时，镁合金抗拉强度提高到了377 MPa，但伸长率仅有10%。结合应变云图（见图5）分析可知，压下率为45%时，镁合金管材积累了充足的累积应变，动态再结晶进一步发生，晶粒尺寸进一步细化，根据Hall-Petch关系，屈服强度达到最高，但由于后期变形温度较低，位错数量增多，内应力增大，导致伸长率下降。结合图8j—l还可得出，压下率为45%时，晶粒内部为协调变形产生大量孪晶。Hou等[16]研究表明在AZ31镁合金中，孪晶的存在会成为位错运动的阻碍，产生位错塞积，从而降低了材料的伸长率。

图8 ZK60镁合金在不同压下率下的光学显微组织

图9 ZK60镁合金在不同压下率下的力学性能

3 结论

1）利用有限元模拟不同变形量的顶管轧制发现，随变形量的增加，管坯温度从开始剧烈下降后趋于平缓，管材整体应变增加，并在径向上呈现出从外向内逐渐减小的趋势。

2）通过对ZK60镁合金顶管轧制实验后不同变形量时的组织分析发现，压下率为15%和25%时，其组织演变机制主要为动态再结晶，孪晶较少；压下率为34.5%和45%时，晶粒尺寸细化明显，受粗晶低温变形能力束缚，部分孪晶被激活以协调变形。

3）对不同变形量的管材进行拉伸力学性能测试发现，随着变形量的增加，抗拉强度增加，伸长率下降，顶管轧制后材料拉伸强度显著提升（原始为273 MPa，轧后为377 MPa，提升38.1%），根据Hall- Patch关系，轧后强度的提升主要归因于在大压下率下晶粒细化明显，但由于位错的塞积以及大量孪生对位错运动的阻碍，导致材料内部残余应力较高，导致材料伸长率有所降低。

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Microstructure and Mechanical Properties of Extruded ZK60 Magnesium Alloy after Pipe Jacking Rolling

DUAN Hua, MA Li-feng, ZHU Yan-chun, ZOU Jing-feng

(School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

The effect of different reduction rates in the pipe-jacking rolling process on the microstructure and mechanical properties of ZK60 magnesium alloy pipes is studied, and it provides reference and guidance for the pipe-jacking rolling process to prepare magnesium alloy pipes. Based on the finite element simulation analysis and the pipe jacking rolling experiment, the simulation and experimental results under different reduction ratios are compared and verified, and the rolling process of magnesium alloy pipes under different reductions and the microstructure evolution law in the process are analyzed. With the increase of the reduction, the overall strain of the pipe shows an upward trend and decreases from the outside to the inside. When the reduction rate is 45%, the cumulative strain reaches its peak and the grains are significantly refined. After rolling, the strength of the material increases from 273 MPa to 377 MPa, and the elongation decreases from 29% to 10%. It is possible to prepare ZK60 magnesium alloy thin-walled pipes using the pipe jacking rolling process, which provides a new method and approach for the preparation of high-strength thin-walled magnesium alloy pipes.

magnesium alloy; pipe jacking rolling; microstructure evolution; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.008

TG335.7

A

1674-6457(2021)03-0077-06

2021-03-17

国家自然科学基金（U1910213，51501122）；山西省重点研发计划（201903D121088）

段华（1995—），男，硕士生，主要研究方向为轻型合金精密加工技术。

马立峰（1977—），男，博士，教授，主要研究方向为镁及镁合金装备研究与开发。