T型通道擠壓變形ZK60鎂合金的組織與力學性能

孔 晶，侯文婷，彭勇輝，康志新，李元元

(華南理工大學 機械與汽車工程學院 國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640)

T型通道擠壓變形ZK60鎂合金的組織與力學性能

孔 晶，侯文婷，彭勇輝，康志新，李元元

(華南理工大學 機械與汽車工程學院 國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640)

采用一種新型劇塑性變形工藝—T型通道擠壓(TCP)對ZK60鎂合金在673 K下以A和Bc兩種路徑進行1～4道次擠壓變形，通過光學顯微鏡觀察變形鎂合金的顯微組織，并對TCP變形鎂合金的不同部位在應變速率4×10?3s?1時進行室溫拉伸性能測試。結果表明：塑性變形最大的部位是試樣中間部位的最底部，其組織特征為細小晶粒包圍著大晶粒，大晶粒呈拉長的流線狀；4道次變形后，A路徑的平均晶粒尺寸由退火態時的88.5 μm細化至2.4 μm，Bc路徑的平均晶粒尺寸則細化至4.6 μm，但組織更均勻；同時，在相同道次TCP變形后，A路徑變形合金的屈服強度都高于Bc路徑變形合金的，但前者的抗拉強度和塑性卻低于后者的；此外，試樣最底部的抗拉強度和屈服強度均高于試樣頂部的，經Bc路徑2道次變形后試樣底部與頂部的抗拉強度和屈服強度分別相差39.5和43.1 MPa，而經4道次變形后試樣兩個部位的抗拉強度和屈服強度分別只相差21.2和11.7 MPa。

鎂合金；T型通道擠壓；劇塑性變形；顯微組織；力學性能

鎂合金由于其密度低、比強度和比剛度高等優點，在航空、航天、汽車和 3C產品等領域具有廣闊的應用前景和巨大的應用潛力[1?4]。但鎂合金的密排六方晶體結構決定了其較差的常溫塑性變形能力，嚴重制約了鎂合金的應用，因此，如何改善鎂合金塑性變形能力、從而提高其力學性能已成為鎂合金研究的熱點。研究表明，劇塑性變形(Severe plastic deformation, SPD)可細化晶粒，提高常溫力學性能，并可實現超塑性[5]。等通道轉角擠壓(Equal channel angular pressing, ECAP)作為劇塑性變形方法的一種，已發展成為一項較成熟的細化金屬組織的技術手段，并應用于各種金屬材料中[6?9]，合金經等通道轉角擠壓后，晶粒不斷細化，力學性能也相應提高。本研究中采用一種新型劇塑性變形工藝—T型通道擠壓(T-shape channel pressing,TCP)[10]對鎂合金進行不同條件變形，前期工作[11?12]采用TCP對Mg-1.5Mn-0.3Ce鎂合金進行TCP變形，結果表明隨著變形道次的增加，晶粒不斷得到細化，力學性能也相應地得到提高；并經4道次熱擠壓，其平均晶粒尺寸由原始軋制態的35 μm細化至2 μm，在溫度為673 K、應變速率為3×10?3s?1條件下，得到的最大斷裂伸長率604%。

然而在前期工作中僅局限于對 Mg-1.5Mn-0.3Ce鎂合金不同道次 TCP變形的組織演變和力學性能的變化研究，而對于變形后的組織均勻性和擠壓路徑對組織及力學性能的影響則尚待進一步研究。因此，本文作者利用TCP工藝對ZK60鎂合金進行研究，通過A路徑和 Bc路徑的對比，以及經不同道次擠壓后合金不同部位性能的對比，研究該合金的顯微組織和力學性能，以期獲得最佳的TCP擠壓路徑。

1 實驗

試驗所用材料為鑄態ZK60鎂合金，其化學成分為(質量分數)5.82% Zn、0.65% Zr、余量為Mg。將鑄錠加工成長度為80 mm，橫截面為22 mm×22 mm的長方體試樣進行擠壓變形，擠壓裝置如圖1所示。該模具由垂直通道和水平通道組成，試樣由垂直通道進入水平通道，在兩通道交角處發生剪切變形。擠壓道次為1～4道次，擠壓溫度為673 K，擠壓速度為2 mm/s，試驗時采用石墨+機油混合物為潤滑劑，擠壓路徑分別為A路徑和Bc路徑，其中A路徑為如圖2中所示將變形試樣以陰影面朝前或朝后放入模具內進行下一道次變形，即每道次間擠壓均不改變角度；而 Bc路徑則為兩道次間將試樣旋轉 90°，使陰影面朝左或朝右進行下一道次變形。沿擠壓方向切取拉伸試樣，標距尺寸為5 mm，寬度為3 mm，厚度為2 mm。拉伸實驗在 SANSCMT 5105微機控制萬能材料試驗機上進行室溫拉伸，應變速率為 4×10?3s?1。采用型號為DMI 5000的Leica金相顯微鏡對TCP變形試樣中間部分進行顯微組織觀察，試樣觀察面為如圖1所示的Y面，即橫向TD(Transverse direction, TD)面。觀察前先將試樣用金相砂紙打磨，再使用0.5 μm的鉆石拋光膏拋光至鏡面，用5 g苦味酸+5 mL乙酸+10 mL蒸餾水+100 mL酒精的混合溶液進行腐蝕。晶粒尺寸大小采用直線截點法(GB/T 6394—2002)測量，選取的截點數為80～100個。

圖1 T形通道擠壓模具和顯微組織觀察截面示意圖Fig.1 Schematic diagrams of T-shape channel pressing die and transverse direction plane for microstructure observation

圖2 T形通道擠壓變形路徑示意圖Fig.2 Schematic diagrams for deforming routes of T-shape channel pressing (TCP): (a) Sample; (b) T-shape channel

2 結果與分析

2.1 TCP變形ZK60鎂合金的顯微組織

由于ZK60鎂合金是在模具內保溫30 min后再進行擠壓，因此，為了與擠壓前的組織和力學性能進行對比，對原始鑄態ZK60鎂合金進行30 min的退火處理。圖3(a)所示為TCP擠壓前ZK60鎂合金的顯微結構，可見其顯微組織為粗大等軸晶晶粒，晶界間存在黑白相間的組織。經673 K溫度條件下30 min均勻化退火后，晶界處的第二相溶解，測得其平均晶粒為88.5 μm(見圖 3(b))。

圖4所示為Bc路徑和A路徑TCP變形鎂合金的組織演變。經2道次變形后，兩種路徑的晶粒均沿軸向方向壓縮，徑向方向拉長，呈現一定的方向性，晶粒均得到了較大程度的細化，同時由于動態再結晶，出現了細小的等軸晶組織，變形的大晶粒周圍被動態再結晶小晶粒包圍，呈現出“項鏈”狀組織特征[13]。此外，Bc路徑擠壓合金的平均晶粒尺寸要小于 A路徑擠壓合金的。合金經TCP 4道次之后，晶粒被進一步拉長并細化，此時晶粒呈現較為均勻的組織，動態再結晶晶粒依然存在，其中A路徑擠壓合金的平均晶粒尺寸為2.4 μm，Bc路徑擠壓合金的平均晶粒尺寸為4.6 μm，但Bc路徑擠壓合金的晶粒分布更加均勻，這是由于經TCP擠壓A路徑只有2個表面受拉應力的作用，而經Bc路徑擠壓合金有4個表面受到拉應力的作用[14]，導致經4道次擠壓后，Bc路徑合金各個部位的組織更加均勻。

圖3 未變形ZK60鎂合金的顯微組織Fig.3 Microstructures of undeformed ZK60 magnesium alloy:(a) As-cast; (b) Annealed

圖4 TCP變形后ZK60的顯微組織Fig.4 Microstructures of ZK60 magnesium alloy deformed by TCP: (a) After 2 passes by route Bc; (b) After 2 passes by route A;(c) After 4 passes by route Bc; (d) After 4 passes by route A

圖5 經A路徑TCP變形后ZK60鎂合金的顯微組織Fig.5 Microstructures of TCPed ZK60 magnesium alloy deformed by route A: (a) Top, 2 passes ; (b) Middle, 2 passes; (c) Bottom,2 passes; (d) Top, 4 passes; (e) Middle, 4 passes；(f) Bottom, 4 passes

圖5 所示為TCP 2道次和4道次后試樣中間部分不同部位的顯微組織。由圖5(a)和(d)可看出：經過擠壓后，上部均呈現典型的“項鏈”狀組織特征，由上部過渡到下部，晶粒逐漸被拉長，呈現流線狀，同時晶粒更加細化和均勻。此外，4道次至上而下的變形趨勢比2道次的要明顯。這是由于TCP變形特征為上部變形量較小，而下部變形量較大，致使下部相互纏結的位錯間存在更大的應力場，這些位錯會相互作用并重新排列。隨變形程度增加，亞晶粒內部產生更多的位錯，這些可動位錯被亞晶界進一步吸收，使得亞晶間的位向差增加。以至于亞晶界逐漸形成小角度晶界，進一步演化為大角度晶界，合金晶粒得到更大程度的細化。

2.2 TCP變形ZK60鎂合金的力學性能

為了研究地震波輸入方向對鋼管塔地震響應的影響,本文對前述鋼管塔模型在地震烈度為8度,I類場地條件下進行了不同角度輸入地震波的地震反應譜分析,地震波輸入角度分別為0°(垂直線路方向),30°,45°,60°,90°(順線路方向).分析中使用Block Lanczos法提取鋼管塔有限元模型的前12階頻率和模態振型,各階模態組合方式選擇完全二次組合法.

圖6所示為TCP變形ZK60鎂合金中間試樣的應力—應變曲線。由圖6可見，ZK60鎂合金退火30 min后，試樣上部分和下部分的塑性和強度均變化不大，經過TCP變形后，隨道次的增加，抗拉強度不斷升高，這是由于合金在 TCP擠壓過程中產生了劇烈塑性變形，發生了動態再結晶，使晶粒尺寸不斷細化。根據Hall-Petch公式可知，材料的強度隨晶粒的細化不斷得到提高。圖 6(a)所示為試樣上部分的力學性能。由圖6(a)可見：相對于原始材料，其力學性能變化不是很明顯，且經路徑A或者Bc路徑TCP變形后，兩者的力學性能相當，這是由于在變形過程中上部分的組織粗大且分布不均勻；而試樣下端經兩路徑變形后力學性能出現一定的變化，強度明顯增大，這是由于晶粒細化的同時且分布均勻。其中材料經2道次擠壓后，TCP變形過程大應變的特點，使得合金經第 2道次TCP變形后，內部引入了大的內應力和高密度的位錯，加上第2道次后的組織具有較大的不均勻性，導致2道次TCP變形后合金的塑性降低。經過4道次擠壓后，兩種路徑的塑性均得到提高，從組織演變特征來看，隨著 TCP加工道次的增加，合金的組織逐步得到細化，等軸性和均勻性也得到提高，同時，組織結構單元之間的取向差也逐步增大，這些因素都可以在一定程度上提高合金的塑性。

此外，經過2道次晶粒變形后，經Bc路徑擠壓合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率均高于經A路徑擠壓合金的，這是由于經過2道次擠壓后，經Bc路徑得到的合金晶粒更加細小和均勻，導致其具有更高的強度和塑性。當TCP 4道次后，兩種路徑的晶粒大小較接近，經 Bc路徑擠壓合金的伸長率和抗拉強度高于經A路徑擠壓合金的，但其屈服強度卻更低，這可能與織構相關，織構對鎂合金的力學性能存在較大的影響[15?17]。

圖6 TCP變形鎂合金中間試樣的應力—應變曲線Fig.6 Stress—strain curves for middle part of TCPed ZK60 magnesium alloy: (a) Top; (b) Bottom

圖7 所示為Bc路徑TCP 2道次和4道次變形后ZK60不同部位的應力—應變曲線。由圖 7可知，試樣的不同部位變形程度不同，強度和塑性也有所差異，并隨著道次的增加，由于變形的進一步增大，合金組織各個部分的組織更加均勻，于是4道次后，合金各個部分的強度和塑性更加接近。經2道次變形后，底部與頂部的抗拉強度相差39.5 MPa，而屈服強度相關43.1 MPa；隨著道次的增加，試樣頂部與底部的變形趨于均勻，在 4道次變形后，抗拉強度只相差 21.2 MPa，而屈服強度只相差11.7 MPa。

圖7 經Bc路徑TCP變形后ZK60合金不同部位的應力—應變曲線Fig.7 Stress—strain curves for different locations of TCPed ZK60 magnesium alloy by route Bc: (a) After 2 passes; (b)After 4 passes

3 結論

1) TCP路徑A和Bc都可以使ZK60鎂合金的晶粒得到細化，經A路徑擠壓合金的平均晶粒尺寸由退火態的88.5 μm細化至2.4 μm，經Bc路徑擠壓合金的平均晶粒尺寸則細化至4.6 μm。

2) 不同擠壓路徑對鎂合金的顯微組織和力學性能的影響不同，經2道次變形后，底部的強度和塑性均高于頂部的；經4道次變形后，底部的屈服強度小于頂部的，但伸長率和抗拉強度均高于頂部。從對變形后材料均勻性角度比較，Bc路徑的效果比 A路徑的更好。

3) 在相同路徑下，變形鎂合金不同部位的顯微組織和力學性能不同，底部的組織比頂部的均勻；以Bc路徑經2道次變形后，試樣底部與頂部的抗拉強度相差39.5 MPa，而屈服強度相差43.1 MPa；隨著道次的增加，試樣頂部與底部的變形趨于均勻，4道次變形后合金底部的抗拉強度相差21.2 MPa，而屈服強度只相差11.7 MPa。

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Microstructure and mechanical properties of ZK60 magnesium alloy processed by T-shape channel pressing

KONG Jing, HOU Wen-ting, PENG Yong-hui, KANG Zhi-xin, LI Yuan-yuan
(National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Materials,School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

ZK60 magnesium alloy was deformed by a new process of severe plastic deformation(SPD)—T-shape channel pressing (TCP) from 1 pass to 4 passes at 673 K using route, A and Bc. The microstructure of TCPed ZK60 was observed by optical microscopy, and the mechanical properties of different TCPed parts were tested with strain rate of 4×10?3s?1at room temperature. The results show that the biggest plastic deformation is located at the bottom of sample, and the microstructure character is coarse grains surrounded by fine grains, and the coarse grains are elongated to be streamline. After 4 passes, the average grain size is refined from 88.5 μm of the as-cast alloy to 2.4 μm for the alloy by route A, and to 4.6 μm for alloy by route Bc with more homogeneous microstructure. Meanwhile, at the same pass, the yield strength for alloy by route A is higher than that of the alloy by route Bc, but the tensile strength and ductility of the former alloy are lower than those of the latter. In addition, the tensile strength and yield strength at the bottom are higher than those at the top. The differences of tensile strength and yield strength between the bottom and top of the alloy deformed by route Bc are 39.5 MPa and 43.1 MPa for 2 passes, and only 21.2 MPa and 11.7 MPa for 4 passes, respectively.

magnesium alloy; T-shape channel pressing; severe plastic deformation; microstructure; mechanical property

TG146.22；TG376.2

A

1004-0609(2011)06-1199-06

廣州市科技支撐計劃資助項目(2009Z2-D811)

2010-06-20；

2010-08-08

康志新，教授，博士；電話：020-87113851；E-mail: zxkang@scut.edu.cn

(編輯 龍懷中)