AZ31B鎂合金板熱成形溫度優化及合理溫度下成形件的組織與性能

呼 嘯，魏瑞剛，陽代軍，徐宋娟，孫宏波

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 引 言

航天工業技術的高速發展對飛行器提出了更高的要求，不僅要求飛行器具有更高的安全可靠性及更優的機動性，還要求具有更強的續航能力及更高的經濟性[1-2]。因此，輕量化已成為新一代航天飛行器發展的重點。為此，國內外開展了大量輕量化結構材料的研發及應用研究[3-4]。鎂合金因具有密度低、比強度和比剛度高、阻尼性能好、電磁屏蔽效果佳、零件尺寸穩定等優異性能，已成為目前航天器輕量化首選的材料之一，具有良好的應用前景[5]。但鎂合金具有密排六方結構，與其他合金材料相比，結構對稱性較低，在室溫下很難進行塑性變形[6]。但是，在一定的溫度下，鎂合金板具有良好的塑性變形能力，能沖壓成形較復雜形狀的產品。LEE等[7]和DOEGE等[8]研究表明，在高溫下AZ31和AZ61鎂合金板的塑性顯著提高，具有較好的成形性能。陳振華等[9]和于彥東等[10]研究發現，AZ31鎂合金板的成形性能隨成形溫度升高而提高，高溫下具有較好的拉深成形性能。利用材料在一定溫度下屈服軟化、斷后伸長率增大的特性來實現難變形材料和復雜形狀零件的成形，是實現鎂合金材料成形的有效方法之一。鄒瑞等[11]和王紫雯等[12]研究發現，壓邊力、模具間隙、模具溫度等熱成形工藝參數均會影響AZ31B鎂合金板的成形質量。然而，目前對鎂合金板的合理熱成形溫度研究較少。因此，作者著重開展了溫度對AZ31B鎂合金板組織、性能及成形質量的影響，確定了較優熱成形溫度，并研究了該熱成形溫度下AZ31B鎂合金成形件的顯微組織和力學性能。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為國內某公司生產的長1 000 mm，寬500 mm，厚2.0 mm的AZ31B鎂合金板，其化學成分(質量分數/%)為3.6Al，0.9Zn，0.23Mn，0.002Cu，0.01Si，0.001Zr，余Mg，屬于Mg-Al-Zn-Mn系鎂合金[13]。AZ31B鎂合金板的抗拉強度不低于250 MPa，屈服強度不低于150 MPa，斷后伸長率不低于12%。

將AZ31B鎂合金板分別在200，300，400 ℃下保溫10 min，空冷至室溫后，采用線切割截取金相試樣，經打磨、拋光，用體積分數5%硝酸和乙二醇混合溶液腐蝕后，采用Zeiss Obeserver Z1m型光學顯微鏡(OM)觀察顯微組織。按照GB/T 228.2-2015，采用線切割在鎂合金板上分別沿橫向(垂直于軋制方向)和縱向(平行于軋制方向)截取拉伸試樣，標距為35 mm，采用CMT5105型微機控制電子萬能試驗機進行高溫拉伸試驗，拉伸速度為3 mm·min-1，試驗溫度為室溫和100，150，200，250，300，350，400 ℃，拉伸前保溫10 min。

采用HF/SPE-ZC300型熱成形試驗機對AZ31B鎂合金板進行熱成形得到盒形熱成形件，熱成形工藝如圖1所示，熱成形溫度分別為120，200，300 ℃。熱成形件底面尺寸為190 mm×150 mm，高度為50 mm，壁厚為2 mm。

圖1 AZ31B鎂合金板熱成形工藝過程示意

在成形件中部，沿垂直于鎂合金板軋制方向的不同位置上截取金相試樣，取樣位置如圖2(a)所示，用體積分數5%硝酸和乙二醇混合溶液腐蝕后，使用OM觀察顯微組織。采用線切割法垂直于軋制方向在200 ℃熱成形件的不同區域(1～7)截取拉伸試樣，取樣位置如圖2(b)所示，尺寸如圖2(c)所示，采用CMT5105型微機控制電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為3mm·min-1。

圖2 成形件上金相試樣和拉伸試樣取樣位置示意及拉伸試樣尺寸

2 試驗結果與討論

2.1 溫度對顯微組織的影響

由圖3可以看出：未熱處理AZ31B鎂合金板的顯微組織主要由大小不均勻的等軸晶粒組成，晶粒尺寸為10～40 μm，形成的β析出相(Mg17Al12相)較少[14]；200 ℃熱處理后的顯微組織變化不大，等軸晶粒尺寸仍為 10～40 μm，析出相的分布也沒有明顯變化；當熱處理溫度達到300，400 ℃時，鎂合金板的顯微組織發生了明顯的變化，主要表現為大尺寸晶粒的數量明顯增多，晶粒的最大尺寸達到了50 μm，且析出相的分布更加彌散。對比可知，200 ℃為AZ31B鎂合金板較為理想的加熱溫度，該溫度下能夠較好地保持細小的顯微組織。

圖3 不同溫度熱處理前后AZ31B鎂合金的顯微組織

2.2 溫度對拉伸性能的影響

圖4 不同溫度下AZ31B鎂合金在不同方向上的拉伸性能

2.3 溫度對成形質量的影響

由圖5可以看出：在120 ℃熱成形時，AZ31B鎂合金板料的抗變形能力較弱，成形件圓角外側(箭頭所指位置)受拉應力的作用產生裂紋；在200 ℃和300 ℃熱成形時，鎂合金板料的塑性提高，熱成形能力增強，成形質量得到提升，熱成形件上均未觀察到裂紋。AZ31B鎂合金板在200 ℃熱成形就能獲得較為理想的表面質量。

圖5 不同溫度熱成形后成形件的外觀

在120，200， 300 ℃下熱成形件的回彈角分別為7.6°，1.9°，1.0°。隨著成形溫度升高，成形件的回彈變形量逐漸減小，側面與底面的垂直度越好，如圖6所示。回彈是板材彎曲成形中無法避免的現象[17]。低溫成形時，鎂合金板的屈服強度較大，成形后仍然存在較大的彈性變形，彈性變形恢復致使成形件產生較大的回彈量。高溫下屈服強度降低，彈性變形量減小，因此回彈量降低[18]。綜上可知，AZ31B鎂合金板在200 ℃下熱成形能獲得較為理想的成形尺寸精度。

圖6 不同溫度熱成形后成形件的側視圖

2.4 優化溫度成形后的組織與拉伸性能

由圖7可以看出:200 ℃熱成形件不同位置處的顯微組織均為細小的等軸晶，大部分晶粒尺寸在5～10 μm，個別晶粒尺寸為20 μm，與原始AZ31B鎂合金板相比，晶粒明顯得到細化，這是由于熱成形過程中材料發生了動態再結晶[19-20]；熱成形件側面(金相試樣3)因成形時發生拉伸變形，變形程度比其他部位大，再結晶更加充分，因此顯微組織更加均勻、細小。

圖7 200 ℃熱成形件在不同位置處的顯微組織

圖8中虛線部分表示原始AZ31B鎂合金板的拉伸性能測試值范圍，抗拉強度在287～289 MPa，平均值為288 MPa，屈服強度在180～206 MPa，平均值為193 MPa，斷后伸長率在15.8%～21.3%，平均值為18.4%。由圖8可以看出，200 ℃熱成形件的抗拉強度接近原始鎂合金板抗拉強度范圍的下限，平均抗拉強度降低約2.1%，但屈服強度接近鎂合金板屈服強度范圍的上限，平均屈服強度提高約7.3%，且熱成形件側面(位置2，6)的抗拉強度和屈服強度較其他區域更高；熱成形件的斷后伸長率大多在原始鎂合金板斷后伸長率的范圍內，平均斷后伸長率提高了兩個百分點，熱成形件側面的斷后伸長率接近原始鎂合金板斷后伸長率范圍的上限。在熱成形過程中，AZ31B鎂合金的晶粒得到細化，屈服強度得到了一定的提升。此外，熱成形件側面的顯微組織與其他位置相比更加細小均勻，因此表現出更好的拉伸性能。

圖8 200 ℃熱成形件在不同位置處的拉伸性能

3 結 論

(1) 未熱處理AZ31B鎂合金板的顯微組織由晶粒尺寸為10～40 μm的等軸晶粒和彌散分布的Mg17Al12析出相組成，200 ℃熱處理后的顯微組織變化不大，熱處理溫度高于300 ℃時晶粒明顯粗化；隨著溫度升高，AZ31B鎂合金板的抗拉強度和屈服強度降低，塑性顯著提高，溫度升至200 ℃時，AZ31B鎂合金板即具有良好的塑性和成形性能；熱成形溫度越高，盒形成形件的成形質量越好，200 ℃熱成形件的表面無裂紋，回彈變形量較小，成形尺寸精度較高。因此，AZ31B鎂合金板較為理想的成形溫度為200 ℃。

(2) 200 ℃熱成形時，AZ31B鎂合金發生動態再結晶，成形件的晶粒得到明顯細化，且尺寸更加均勻，絕大部分晶粒尺寸在5～10 μm，個別晶粒尺寸為20 μm；成形件的抗拉強度與原始鎂合金板相比降低了2.1%，但屈服強度提高了7.3%，斷后伸長率提高了2個百分點。