彎曲矯直變形路徑對ZK60鎂合金板材組織及性能的影響

任健斌, 王 昆, 梁 偉, 聶慧慧, 李線絨

(1. 太原理工大學 材料科學與工程學院, 山西 太原 030024;2. 太原理工大學 先進鎂基材料山西重點實驗室, 山西 太原 030024;3. 太原理工大學 機械與運載工程學院, 山西 太原 030024)

鎂及鎂合金作為21世紀新型綠色結構材料,是繼鋼鐵、鋁之后新興的第三大金屬材料。鎂合金的廣泛應用可以有效推進汽車行業和3C行業的轉型發展。由于鎂合金具有低密度、高比強度和比剛度、易成形加工等優異性能,使其具有巨大的開發潛力和商業價值[1]。鎂為密排六方(Hexagonal close packed, HCP)晶體結構,對稱性低,室溫僅有2個獨立的滑移系可開動,而根據Von Mises準則,均勻變形須有5個獨立的滑移系[2],所以在室溫下,鎂合金的加工性能差。由于可動滑移系較少,孿生在鎂合金變形過程中占據著重要的地位[3]。商用鎂合金通常通過熱軋或熱擠壓技術進行加工,板材在變形過程中由于存在擇優取向,大部分鎂合金晶粒發生偏轉,在平行于軋向面形成了一層基面織構,板材表現出強烈的各向異性并導致其室溫下的可成形性差。研究發現拉伸孿晶可使晶粒取向發生86.3°偏轉,弱化基面織構,有效改善鎂合金的塑性成形性能[4-6]。所以在大尺寸商用軋制鎂板中可通過預置大體積分數的拉伸孿晶有效提高鎂合金的成形性能。本文采用彎曲矯直工藝在厚度為1.5 mm的ZK60鎂合金薄板中預置拉伸孿晶,研究不同預變形路徑對板材組織以及力學性能的影響。

1 試驗材料及方法

圖1 彎曲矯直工藝示意圖

根據ASTM-E8M《金屬材料拉伸試驗方法》,在原始熱軋板上分別沿RD和TD方向切割拉伸試樣,記為AR-RD和AR-TD試樣,在沿RD方向彎曲矯直后的板材上分別沿RD和TD方向切割拉伸試樣,記為RD-RD和RD-TD試樣,在沿TD方向彎曲矯直后的板材上分別沿RD和TD方向切割拉伸試樣,記為TD-RD和TD-TD試樣,拉伸試樣尺寸如圖2所示。利用CMT5250萬能試驗機進行室溫拉伸試驗,用引伸計控制拉伸速度為0.5 mm/min,得到不同預變形方式下板材的拉伸曲線,并用TESCAN Mira 3場發射掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。另在原始熱軋板和沿RD、TD方向彎曲矯直后的板材上切取6 mm×8 mm的金相試樣,分別將RD-ND面和TD-ND面用1000、2000、3000、4000號砂紙打磨光亮,然后用苦味酸酒精溶液進行腐蝕,在Leica DM2500光學顯微鏡下觀察微觀組織。

圖2 拉伸樣尺寸示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 微觀組織

圖3為不同彎曲矯直方向下ZK60板材的顯微組織。由圖3(a)可知,ZK60鎂合金熱軋板的原始組織晶粒大小分布不均勻,小晶粒圍繞在大晶粒周圍且無任何拉伸孿晶。由圖3(b～e)可見,熱軋板沿TD和RD方向彎曲矯直后均會使板材產生大量的透鏡狀拉伸孿晶,拉伸孿晶大部分產生在大晶粒中,而且相互平行,這是由于孿生的發生對晶粒尺寸比較敏感,大晶粒晶界較長,位錯滑移行程大,在變形過程中位錯難以繞過晶粒,這會導致在晶界上的應力集中處進行孿生[7-8]。沿RD方向彎曲矯直后產生的拉伸孿晶數量要多于沿TD方向彎曲矯直后產生的,沿TD方向彎曲矯直后,TD-ND面的拉伸孿晶最少(如圖3(e)所示),沿RD方向彎曲矯直后,TD-ND面的拉伸孿晶最多(如圖3(c)所示),拉伸孿晶基本貫穿整個母晶,但止于母晶界,這是由于孿晶形核后,釋放了大部分應力,而后續傳遞的應力不足以支撐激發形核后的孿晶快速長大并穿過晶界。而且應力由一個晶粒傳遞到相鄰晶粒時,跨越晶界遇到阻礙,會消耗部分能量,從而影響應力的進一步傳遞[9-10]。

2.2 力學性能

不同變形路徑下ZK60板材的工程應力-應變曲線和力學性能如圖4和表1所示。由圖4(a)可以看出,沿RD方向進行拉伸試驗時,熱軋板沿TD方向進行彎曲矯直后表現出更高的屈服強度和抗拉強度,且應力-應變曲線與原始熱軋板相似,而沿RD方向進行彎曲矯直后表現出低屈服強度和高抗拉強度,這是由于沿TD方向彎曲矯直產生的拉伸孿晶很少(如圖3(e)所示),取而代之的是產生了晶粒尺寸更小的動態再結晶,而沿RD方向彎曲矯直產生的拉伸孿晶較多(如圖3(c)所示),而拉伸孿晶的出現改變了材料中晶粒取向,弱化了基面織構且拉伸前期以退孿生為主,發生退孿生所需要的臨界分切應力(CRSS)較小所以屈服強度大大降低[11]。由圖4(b)可以看出,沿TD方向進行拉伸時熱軋板沿RD和TD方向進行彎曲矯直后的屈服強度和抗拉強度均有所提高。需要指出的是,由于圖3(c, e)示出的TD-ND面對應拉伸試樣的側面,因此圖4(a)中TD-RD和RD-RD試樣的應力-應變曲線與圖3(c, e)所示TD-ND面相對應,相應地,圖4(b)中TD-TD和RD-TD試樣的應力-應變曲線與圖3(b, d)所示RD-ND面相對應。

圖4 不同變形方式下ZK60鎂合金的應力-應變曲線

表1 不同變形方式下ZK60鎂合金板材的力學性能

由表1可以看出,ZK60鎂合金板材在沿RD和TD方向進行彎曲矯直試驗時的力學性能差異較大。在沿RD方向進行拉伸試驗時,沿RD方向彎曲矯直獲得的試樣屈服強度降低,抗拉強度升高,而沿TD方向彎曲矯直獲得的試樣屈服強度大幅度升高,抗拉強度同樣升高;在沿TD方向進行拉伸試驗時,不論是沿RD或TD方向進行彎曲矯直,其抗拉強度和屈服強度均得到提高。另外,熱軋板經過彎曲矯直后表現出較高的應變硬化指數(n值)和較低的塑性應變比(r值),低的屈強比有利于鎂合金板的沖壓變形[12],使板材的均勻變形能力和室溫下的塑性成形能力得到提高。

2.3 斷口形貌

圖5為不同彎曲矯直方向下ZK60板材的拉伸斷口形貌。可以看出,熱軋板經彎曲矯直后的拉伸斷口均存在少量的解理平臺和大量韌窩,斷裂形式以塑性斷裂為主。沿TD方向拉伸時斷口中的韌窩數量明顯比沿RD方向拉伸時的多,且韌窩尺寸較小,解理平臺也較少,這與圖4所示應力-應變曲線中表現為更高的應變量相對應。另外,在RD-RD試樣的斷口中有較大面積分數的解理面且韌窩分布不均勻,而在RD-TD試樣的斷口中韌窩分布均勻且沒有大塊面積的解理平臺,這與圖4中RD-TD試樣的應力-應變曲線表現出更好的塑性和抗拉強度相對應。

圖5 不同變形方式下ZK60鎂合金板材的拉伸斷口形貌

3 結論

1) 通過彎曲矯直在ZK60鎂合金板材中成功預置大體積分數拉伸孿晶,彎曲矯直方向不同會對原始熱軋板中預置拉伸孿晶的體積分數造成影響,其中沿RD方向彎曲矯直后產生的拉伸孿晶體積分數高于沿TD方向彎曲矯直。

2) ZK60鎂合金板材在沿RD方向進行拉伸試驗時,沿RD方向彎曲矯直獲得的試樣屈服強度降低,抗拉強度升高,而沿TD方向彎曲矯直獲得的試樣 屈服強度大幅度升高,抗拉強度同樣升高;在沿TD方向進行拉伸試驗時,不論是沿RD或TD方向進行彎曲矯直,其抗拉強度和屈服強度均得到提高。

3) ZK60鎂合金板材彎曲矯直后的拉伸斷裂形式以塑性斷裂為主。RD-TD試樣的斷口中韌窩分布均勻且沒有大塊面積的解理平臺,塑性最好。

4) 通過彎曲矯直,ZK60鎂合金板材表現出較高的應變硬化指數(n值)和較低的塑性應變比(r值),改善了板材均勻變形的能力和提高了室溫下的塑性成形能力。