退火時間對單道次異步軋制AZ31鎂合金板材性能的影響

張耀丹，張鑫

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安710300)

冶金

退火時間對單道次異步軋制AZ31鎂合金板材性能的影響

張耀丹，張鑫

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安710300)

鎂合金在汽車上的應(yīng)用可大大減輕汽車的質(zhì)量，而提高鎂合金綜合性能的重要手段之一是細化晶粒，通過細化晶粒不僅可以提高材料的強度，還可以改善其塑性和韌性。研究了退火過程中晶粒的細化機理，并得到最佳退火時間。

鎂合金;晶粒;細化機理;退火

隨著汽車技術(shù)發(fā)展思路更新和節(jié)能環(huán)保理念深入人心，國內(nèi)外汽車品牌在輕量化方面投入越來越大，推動著輕量化技術(shù)的不斷進步。輕量化技術(shù)除顯著的節(jié)能減排效果外，還能提高車輛的駕乘動力學性能(如加速、制動、過彎穩(wěn)定性、NVH性能、碰撞慣性等)［1］，而這類性能的改善一直是車輛設(shè)計者、制造商和用戶孜孜追求的目標。目前高強度鋼、鋁合金、鎂合金和有機基纖維復合材料等，被市場公認具有競爭優(yōu)勢的汽車輕量化材料，并已大量被汽車制造所采用。但由于鎂是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，塑性成形能力較差，鎂及其合金強度較低，因此，塑性加工鎂合金較困難，而且提高鎂合金強度有一定難度［2-4］。所以在汽車上的應(yīng)用較其他材料少。提高鎂合金綜合性能的重要手段之一是細化晶粒，通過細化晶粒不僅可以提高材料的強度，還可以改善其塑性和韌性。本文研究了不同退火時間對單道次異步AZ31鎂合金板材性能的影響。

1 試驗材料及方法

1．1試驗材料

本文采用2．36 mm×200 mm×L mm的熱軋態(tài)AZ31鎂合金板坯，在上輥直徑為120 mm、下輥直徑為135 mm的軋機(輥徑比為1．125)上進行異徑異步軋制，軋制溫度為300℃，軋輥未預熱且不潤滑，軋制速度為12．4 m/min，對AZ31鎂合金熱軋板坯進行壓下率36．4%的一道次異步軋制，然后采取空冷。然后對單道次異步軋制后的板材進行相同溫度不同時間的退火處理。

1．2試驗方法

1)在300℃下，對壓下率為36．4%的板材分別保溫5，10，15，20，25，30 min。

2)對退火后的板材進行金相分析、拉伸試驗、硬度試驗。

2 試驗結(jié)果及討論

2．1退火過程中晶粒的變化

圖1是壓下率為36．4%鎂合金板材未退火的顯微組織。

圖1壓下率為36．4%鎂合金板材的顯微組織上表面(未退火)

圖2是退火過程中AZ31鎂合金顯微組織的變化。

圖1～2比較，經(jīng)過退火處理可有效改善鎂合金的顯微組織。由圖2可得，相同退火溫度下，隨著退火時間的延長，板材的顯微組織變得均勻，退火5 min的時候，在大晶粒周圍存在著大量的細小晶粒，隨著時間的延長，退火20 min的時候，細小晶粒幾乎消失，組織變得均勻，但晶粒粗大。隨著時間的繼續(xù)延長，板材的顯微組織先在晶界處出現(xiàn)細小晶粒，組織變得不均勻，后細小晶粒減少，組織變得均勻。

圖2退火過程中AZ31鎂合金顯微組織的變化

圖3為晶粒尺寸隨退火時間的變化，晶粒的平均尺寸并不隨退火時間的增加呈簡單的增大或者減小的趨勢。晶粒先長大，后減小，再長大的過程。在退火20 min的時候晶粒最大，組織也較均勻，20～25 min之間晶粒有一定程度的減小，25～30 min之間晶粒有增加，但變化不是很大，晶粒尺寸大約為3．74 μm，組織也較均勻。

圖3晶粒尺寸隨退火時間的變化

2．2晶粒的細化機理

晶粒的這種變化規(guī)律是因為:開始退火時，組織中存在由于軋制變形后的再結(jié)晶新晶粒的回復及小晶粒的相互吐并，經(jīng)過一段時間后晶粒粗化，使平均晶粒尺寸增加，如圖4(a)、(b)所示。在退火過程中所選溫度的不同，對應(yīng)的回復機理也不相同。加熱溫度的高低人們一般選擇簡約化溫度，簡約化溫度:絕對溫標表示的加熱溫度與其熔點溫度之比，即TH= T/Tm。低溫回復:0．1＜TH＜0．3;中溫回復:0．3＜TH＜0．5;高溫回復:0．5＜TH。而在本實驗中，所選退火溫度為300℃，也就是573 K，AZ31鎂合金的熔點為923 K，則THAZ31:723/923=0．62＞0．5，所以屬于高溫回復。原子活動能力得到進一步增強，除了位錯滑移外還有位錯攀移。位錯的攀移屬于非保守運動，一般會引起體積的變化。新生動態(tài)再結(jié)晶新晶粒互相吞并，所以在退火時間為0～20 min組織粗化;在高溫回復過程中，位錯通過攀移和滑移，由原來能量較高的水平塞積，改變?yōu)槟芰枯^低的沿垂直滑移方向排列成為位錯，形成小角度傾側(cè)晶界，把原來的晶粒分割成許多取向稍有不同的亞晶，然后亞晶通過兩個或者更多亞晶合并而長大，使亞晶界變得清晰，位相差變大，但是由于鎂合金屬于低層錯能金屬，在本實驗中變形量又較大，所以其具有大的擴展位錯寬，束集較難，不易發(fā)生交滑移，有很高的位錯密度，只能通過位錯的攀移和重新分布，形成位錯密度較低的亞晶。形成的這中亞晶便向周圍位錯密度高的地方生長，相應(yīng)的，亞晶界的位錯密度逐漸增大，亞晶與周圍形變基體取向差逐漸變大，最終由小角度晶界演變成大角度晶界。隨著退火時間的延長，擁有大角度晶界的亞晶粒可能成為再結(jié)晶晶核，就會有靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，產(chǎn)生尺寸非常細小的新晶粒，就會降低平均晶粒尺寸，如圖4(c)、(d)、(e)所示;促使晶粒長大的驅(qū)動力主要是晶粒長大前后的界面能差，相同體積內(nèi)晶粒越細小晶界的比值就越大，界面能也就越高，所以接著繼續(xù)延長退火時間，再結(jié)晶新晶粒會自發(fā)的逐漸長大粗化，因此晶粒尺寸慢慢的增大，如圖4(f)、(g)所示。從組織的均勻性和晶粒尺寸的細小程度來看，30 min的時候為最佳。這與本課題組前面人的研究相符合。這也是本文選擇退火工藝的依據(jù)。

圖4退火過程中晶粒變化模型

3 結(jié)論

到明顯的改善，晶粒等軸化，孿晶消失，晶界變得清晰，由于發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒得到細化;相同溫度下，隨著退火時間的增加，晶粒先長大，后減小，再長大的過程;從晶粒的晶粒尺寸和均勻性來看，退火在30 min時，組織最佳。

［1］龍思遠，徐紹勇，曹韓學，等．長安汽車輕量化與鎂合金應(yīng)用［J］．現(xiàn)代零部件，2010(11):32－36．

［2］張文玉，陳振華．溫度對AZ31鎂合金軋制板材沖壓性能的影響［J］．材料熱處理技術(shù)，2010，39(8):38－41．

［3］Kim W J，Yoo S J，Chen Z H，et al．Grain size and texture control of Mg-3Al-1Zn alloy sheet using a combination of equalchannel angular rolling and high-speed-ratio differential speedrolling processes［J］．2009，60(10):897－900．

［4］范立坤，王榮，張平，等．AZ31鎂合金板料等溫拉伸［J］．熱加工工藝，2008，37(3):71－73．

經(jīng)退火處理后，AZ31鎂合金板材的顯微組織得

Influence to Annealing Time of Single Lane in Asynchronous Rolling AZ31 Magnesium Alloy Sheet

ZHANG Yaodan，ZHANG Xin
(Shanxi Defence Vocational＆Technical College，Xi’an，Shanxi 710300，China)

The applications of magnesium alloys in automotive can greatly reduce the quality of vehicles to improve the comprehensive performance of magnesium alloy，as is one of the important means of fine grains．Through refining the grain size，we think it can not only improve the strength of the material，but also perfect the plasticity and toughness．This paper discusses about the mechanism of grain refinement in the process of annealing to get the optimal annealing time．

Magnesium alloys;Grains;Refining;Annealing

TG389

A

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．027

2017－01－09

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院校級基金項目(Gfy-16－08)

張耀丹(1985－)，女，陜西榆林人，助教，研究方向:汽車及機械相關(guān)領(lǐng)域的研究和教學，手機:15291489421，E-mail:529329544@qq．com．