不同軋制工藝對AZ31鎂合金薄板室溫成形性能的影響

劉華強，唐 荻，胡水平，米振莉，王 哲

(北京科技大學 高效軋制國家工程研究中心，北京 100083)

變形鎂合金是目前使用最輕的金屬結構材料之一，不僅具有較高的比強度和比剛度，而且具有優良的電磁屏蔽性、散熱性、減震性和機械加工性能。在3C電子信息產品、汽車、家電以及航天航空等領域得到廣泛應用。由于其突出的性能優勢和易回收等環保優點，也被稱為“21世紀的綠色工程新材料”[1-2]。

軋制是獲得鎂合金薄板的主要加工方式，但在軋制過程中鎂合金晶粒會發生擇優取向而形成強烈的基面織構[3-6]。織構的強度以及形態都會對鎂合金薄板的成形性能產生重要影響。晶粒尺寸也是影響鎂合金性能的主要因素[7-10]，通過細化晶粒的方式可以提高鎂合金板材的強度以及延展性。有資料[11]表明，細晶鎂合金板材雖然具有良好的力學性能，但沖壓脹形性能卻較差。有研究指出[12-14]，采用異步軋制制備鎂合金板材可以在室溫條件下實現單道次20%形變量，制備的鎂合金板材晶粒細小且力學性能提高。交叉軋制也是一種新型軋制工藝。據報道[15-19]，交叉軋制能有效減輕材料的各向異性，提高其深沖性能，也能使材料組織更加均勻、并使晶粒趨向等軸。目前，關于交叉軋制鎂合金板材對沖壓性能影響的研究很少，關于常規軋制、異步軋制和交叉軋制對改善和提高鎂合金板材成形性能比較的相關報道也很少。本文作者通過采用常規軋制、異步軋制和交叉軋制工藝制得鎂合金薄板，研究不同軋制工藝對獲得的板材室溫成形性能的影響。

1 實驗

實驗方案中使用的 AZ31B變形鎂合金板材的化學成分如表1所列。

實驗用厚度為2.0 mm，寬300 mm的AZ31B鎂合金擠壓板材為原料，分別按如下軋制方式獲得相應的鎂合金薄板：

采用常規軋制將上述擠壓板坯在 300 ℃下軋至1 mm厚，道次壓下量為15%，道次間板材重新回爐加熱至300 ℃，保溫10～15 min。終軋后板材在300 ℃下退火，保溫1 h。

采用異步軋制將上述擠壓板坯在 300 ℃下軋至1 mm厚，道次壓下量為15%，道次間板材重新回爐加熱至300 ℃，保溫10～15 min。終軋后板材在300 ℃下退火，保溫1 h。使用d90 mm軋輥與d80 mm軋輥搭配，異徑比為 1.125。異步軋制示意圖如圖1(a)所示。

采用交叉軋制將上述擠壓板坯在 300 ℃下軋至1 mm厚，道次壓下量為15%，道次間板材重新回爐加熱至300 ℃，保溫10～15 min。終軋后板材在300 ℃下退火，保溫1 h。經1、3、5道次沿原始擠壓板坯的擠壓方向軋制和經 2、4、6道次旋轉 90°軋制的交叉軋制示意圖如圖1(b)所示。

圖1 異步軋制和交叉軋制示意圖Fig.1 Schematic diagrams of differential speed rolling and cross rolling: (a)Differential speed rolling; (b)Cross rolling

實驗使用Carl Zeiss光學金相顯微鏡進行組織觀察。使用Dmax1400X型射線衍射儀進行宏觀織構測定，衍射儀具體參數：Cu Kα射線，管電壓 40 kV，電流100 mA。結合透射法和反極圖法測量(0002)晶面的晶粒取向密度，并通過計算機自動分析得到試樣極圖。室溫單向拉伸試驗在 CMT4105微電子萬能試驗機上進行，取樣方向分別與軋制方向成0°、45°和90°。

室溫埃里克森試驗在Zwick板料成形試驗機上進行，試驗示意圖如圖2所示。錐杯試驗表征板材“拉深＋脹形”復合性能。錐杯試驗在Zwick板料成形試驗機上進行，試驗示意圖如圖3所示。

表1 實驗鎂合金的化學成分Table 1 Chemical composition of tested alloys (mass fraction, %)

圖2 埃里克森試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of Erichsen test (mm)

圖3 錐杯實驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of cone-cup test (mm)

2 結果與討論分析

2.1 不同軋制工藝獲得鎂合金薄板微觀組織分析

圖4所示為上述3種不同軋制工藝獲得AZ31鎂合金板材的微觀組織相片。從圖4分析可知：相對于常規軋制制備的鎂合金板材，交叉軋制后的板材晶粒(見圖4(c))明顯細化，且大小均勻，平均晶粒尺寸為9.5 μm。異步軋制的晶粒(見圖4(b))不完全均勻，為較大晶粒和細小的等軸晶組成，平均晶粒尺寸10.5 μm。常規軋制的晶粒(見圖4(a))較粗大，平均晶粒尺寸12.0 μm。

圖5所示為常規軋制、異步軋制和交叉軋制工藝制備的鎂合金板材的(0002)極圖。其晶粒都呈現擇優取向而表現出不同的基面織構。交叉軋制工藝制備的板材，相對于常規軋制而言，基面織構明顯增強，且極圖等高線形態較為圓整。異步軋制板材基面織構強度降低。與常規軋制相似的是，極圖等高線都沿軋向方向被拉長。

圖4 不同軋制工藝下鎂合金板材的微觀組織Fig.4 Microstructures of magnesium alloy sheet obtained by different rolling technologies: (a)Normal rolling; (b)Differential speed rolling; (c)Cross rolling

分析上述結果可知，交叉軋制促進板材組織的均勻化，一方面使晶粒尺寸細小均勻，另一方面縮小板材平面上晶粒取向分布的差異。

異步軋制對板材微觀組織的影響主要表現為細化晶粒尺寸，減弱板材基面織構強度[15]。在不考慮寬展的情況下，常規軋制板材在高度方向受到兩向壓應力狀態，其應變為高向壓縮和軋向伸長；而在異步軋制過程中，除兩向壓應力外，由于兩軋輥速度差在軋輥與板材之間摩擦力的作用下，使板材還受到一對切應力的作用，其方向為在慢速輥一側向后，快速輥一側向前，從而在板材厚度方向產生剪切應變。因此，在道次壓下量相同的情況下，一個道次異步軋制引起的實際變形程度較常規軋制的要大一些。對于鎂合金板材而言，在其它條件相同的情況下，應變量的增加有利于動態再結晶的發生，所獲得的組織較細小均勻。

圖5 不同軋制工藝制備的鎂合金板材(0002)極圖Fig.5 (0002)pole figures of magnesium alloy sheet obtained by different rolling technologies: (a)Normal rolling; (b)Differential speed rolling; (c)Cross rolling

異步軋制使基面織構減弱的根本原因在于其與常規軋制時的應力狀態存在明顯差異。由于異步軋制存在一個搓軋區，它改變了此區內金屬的應力狀態，由此使鎂合金的軋制織構發生改變。常規軋制所形成的織構，其滑移面(即基面)與軋制壓力方向垂直，而異步軋制滑移面法線方向會偏離軋制壓力方向一定的角度，故其形成的織構取向也會隨之偏離一定的角度。隨著異步軋制道次的增加，會使這種偏離作用得到強化，最終可通過改變軋制過程中的基面織構取向來提高金屬的塑性變形能力。

2.2 不同軋制工藝制備鎂合金板材的基本成形性能分析

實驗通過獲得沿不同取樣方向的單向拉伸力學性能及塑性應變比r值(如圖6所示)來分析上述3種不同軋制工藝制備的鎂合金板材的基本成形性能。

從圖6可知，交叉軋制后板材屈服強度升高，而異步軋制后的板材屈服強度最低。具有織構的多晶鎂合金，其力學性能受晶粒尺寸與晶粒取向分布的雙重影響。由材料屈服強度與晶粒大小之間的函數關系可知，晶粒越細小，材料的屈服強度越高。織構對鎂合金板材力學性能的影響，其實質是通過改變各滑移系，特別是{0002}基面滑移的 Schmid因子使織構強化或軟化而實現的。基面織構強烈時，晶粒 Schmid因子很小，處于硬取向，基面滑移難以進行，造成屈服強度升高。交叉軋制后的板材晶粒細小，基面織構強度高，都會提高板材的屈服強度。異步軋制后的板材，雖然也有晶粒細化，但基面織構的強度相對減弱。在同樣的外力條件下，基面織構強度降低后，晶粒處于有利于基面滑移的取向，基面滑移容易啟動，屈服強度降低。基面織構強度降低部分抵消了細晶強化對材料強度提高的效果。

與異步軋制和常規軋制相比，交叉軋制的板材力學性能更為均勻，在板材平面內沿不同方向力學性能差異較小。而異步軋制及常規軋制后的板材，則表現出較強的各向異性，即軋向的屈服強度低于橫向的。這與板材平面不同方向晶粒取向分布的差異有關。由圖6(b)和(c)可見，(0002)極圖等高線沿軋向被拉長，即有更多的晶粒基面法向偏向于軋向。當沿軋向拉伸時，晶粒 Schmid因子較大，處于軟取向，基面滑移較易進行，而導致軋向屈服強度較低。

由圖6(c)可知，交叉軋制后的板材雖然具有較高的基面織構強度，但仍有較高的伸長率。與常規軋制相比，異步軋制后的板材雖然基面織構強度有所降低，但伸長率并未明顯提高。由此分析可知，伸長率與基面織構的強度并無直接關系。

由圖6(d)可知，異步軋制后板材的r值最小，平面不同方向r值差異較大。而交叉軋制后的板材r值較大，且軋向、橫向及 45°方向差異很小。塑性應變比r值表征板材平面方向變形能力與厚向變形能力的相對大小，交叉軋制后的鎂合金板材具有強烈的基面織構，室溫下拉伸非基面滑移系難以啟動，板材厚向也即晶粒c軸方向的應變難以協調，板材沿厚向變形困難，從而具有較大的r值。r值在板材平面不同方向的差異與晶粒取向分布的差異有關。

圖6 不同軋制工藝制備鎂合金板材的力學性能Fig.6 Mechanical properties of magnesium alloy sheet obtained by different rolling technologies: (a)Tensile strength; (b)Yield strength; (c)Elongation; (d)r value(plastic strain ratio)

2.3 不同軋制工藝制備鎂合金板材的模擬成形性能分析

為獲得不同軋制工藝下鎂合金板材的模擬成形性能，本文作者對3種軋制工藝制備的鎂合金板材進行埃里克森試驗，試驗結果如圖7所示。相對于常規軋制，異步軋制板材的埃里克森值明顯提高，而交叉軋制板材的埃里克森值反而大幅降低。埃里克森值表征板材的脹形性能，這說明通過異步軋制工藝可以明顯提高鎂合金板材的脹形性能。

在埃里克森試驗中，鎂合金板材沿板面方向受拉應力，按體積不變條件，板材沿厚度方向應減薄；也即板材沿厚度方向減薄能力越強，越能獲得較大的埃里克森值。而沿厚度方向減薄能力越強，試樣r值越低。本試驗中，埃里克森值與r值的關系與理論預測完全一致，如圖8所示。

基面織構弱化是異步軋制后的板材具有良好脹形性能的原因。鎂合金軋制板材具有強烈的基面織構，在埃里克森試驗中，試樣處于雙向等拉應力狀態，大多數晶粒處于硬取向，屈服應力較大，滑移難以進行，塑性較差；當基面織構減弱后，即有一部分晶粒發生偏轉，基面不再與板面平行，這部分晶粒處于軟取向，基面滑移易于啟動，從而提高塑性。

圖7 不同軋制工藝制備的板材的埃里克森值Fig.7 Erichsen value of magnesium alloy sheets obtained by different rolling technologies

圖8 鎂合金板材的埃里克森值與r值Fig.8 Eriksson value and r value of magnesium alloy sheets obtained by different rolling technologies

交叉軋制的板材脹形性能相比于常規軋制反而降低，這與交叉軋制后板材基面織構的增強與晶粒細化有關系。基面織構增強不利于板材脹形性能的提高，晶粒細化使強度提高也不利于提高板材脹形性能。粗大晶粒更容易發生孿生，特別是壓縮孿生可以使晶粒基面偏轉 56°，使孿晶內晶粒處于有利于基面滑移的取向，孿生和滑移交替進行，使板材塑性得以提高。

本試驗通過獲得3種軋制工藝下鎂合金板材的6組錐杯值來評價板材的拉脹復合性能。其錐杯試驗結果如圖9所示。錐杯值表征板材的拉深脹形復合性能，錐杯值 CCV值越小，板材拉脹復合性能越好。可以看出，異步軋制的板材拉深脹形復合性能較好，交叉軋制后的板材拉深脹形復合性能反而有所降低。3種板材錐杯試驗結果表現出來的規律與脹形性能完全相似。

圖9 不同軋制工藝制備的鎂合金板材的錐杯值Fig.9 Value of cone-cup of magnesium alloy sheets obtained by different rolling technologies

4 結論

1)鎂合金板材的綜合力學性能不僅與晶粒尺寸有關，還與晶粒取向有關。板材平面力學性能的差異與板面不同方向晶粒取向的分布有關；室溫下鎂合金薄板的伸長率主要取決于晶粒大小，晶粒越細小，板材伸長率越高。

2)室溫埃里克森試驗的結果表明，基面織構的減弱可明顯提高板材的脹形性能；在基面織構強度相似的強況下，晶粒大小對板材的成形性能有重要影響：晶粒較粗大，板材脹形性能越好。這是因為較粗大晶粒相比細晶更容易發生孿生，壓縮孿晶可使晶粒發生偏轉，有利于基面滑移，使板材塑性提高；室溫錐杯的試驗結果也表現出與脹形試驗一致的規律。

3)對比異步軋制、交叉軋制及常規軋制的板材，異步軋制明顯降低了板材基面織構強度，從而使板材室溫沖壓性能得到提高；而交叉軋制的板材，晶粒顯著細化，基面織構增強，提高了板材的力學性能，卻降低了板材沖壓成形性能；交叉軋制可以減弱板材各向異性。

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