启飞汽车

摘要
 
    对AZ31镁合金板材进行了703、733、763、793K的轧制, 研究了高温轧制弱化基面织构如何提高镁合金板冲压成形性能。结果表明, 在实验条件下, 随着轧制温度的提高, 镁合金板材晶粒尺寸长大, 强度降低, 断裂伸长率减小, 而其杯突值获得极大的提高。这主要与基面织构的弱化、基面滑移容易开动有关。
    随着能源资源的消耗, 汽车的动力经济性已成为制约汽车工业发展的重要瓶颈, 为了获得较好的动力经济指标, 使汽车发展更具活力, 实现汽车整体以及组成部件的“轻量化”设计与研究是非常必要的。汽车“轻量化”是一种通过改进生产过程, 在保证汽车性能的前提下, 不断优化零部件的冲压工艺, 从而进一步减少汽车的总体重量, 从材料和冲压工艺两方面实现汽车零部件的优化过程。镁合金由于比强度、比刚度较高、电磁屏蔽性较好以及密度较小, 然而由于其独特的密排六方结构, 室温下基面可以提供的滑移系较少, 仅为2个独立的滑移系, 不能满足米塞斯屈服准则要求的5个独立滑移系, 因而低温条件下镁合金塑性较差, 冲压成形性能满足不了工业生产的需要。如何提高镁合金板材的塑性成形性能是近来研究人员关注的重点。
    研究表明, 弱化基面织构能够显著提高镁合金塑性成形能力, 故各种技术被广泛开发并应用起来。如差速轧制、交叉轧制、不对称挤压、等通道角挤压等均能够有效弱化基面织构提高镁合金冲压成形性能。而这些技术均为引入剪切变形从而达到弱化基面织构效果。众所周知, 动态再结晶是晶粒形核和长大的过程, 其形核和长大在一定程度上均能够引起晶粒发生偏转从而弱化织构。Zhang等研究了预变形后高温退火后的镁合金织构演变过程, 指出其基面织构获得显著弱化, 冲压成形性能获得提高。
    因此通过高温变形诱导发生再结晶行为, 不失为弱化织构提高镁合金冲压成形性能的一种途径。本文基于此原理针对性的研究了高温轧制变形对镁合金组织演变及塑性成形性能的影响, 以期为镁合金板材产业化应用提供理论依据。
 
一、实验材料与方法
 
    商业AZ31镁合金轧制板材被用作实验的初始板材, 其厚度为5 mm。经过四个道次, 试样厚度从5 mm减薄至1 mm, 每道次减薄量约为33%。其轧制温度分别为703、733、763、793 K。坯料轧制之前放置于电阻炉中进行保温, 每道次轧制之间放入炉中加热, 当温度达到预定温度后保温5min随后进行第二次轧制。两轧辊的温度升温至573K, 同时氮化硼作为轧制的润滑剂防止板材卡在轧辊之间, 轧辊转速为10mm/min。
    轧制结束后, 通过XRD进行织构分析。随后在轧制板材上分别沿RD (轧制方向) 、45° (板平面内与轧制方向成45°夹角) 、TD (宽度方向) 方向去取拉伸试样, 其标距长度为10 mm, 宽度为3.5 mm, 厚度为1 mm。拉伸实验在室温下进行, 其拉伸速度为3mm/min。
    同时取轧制后板材进行杯突实验, 坯料尺寸为50 mm×50 mm, 凸模直径尺寸为20 mm, 速度为5mm/min。其显微组织通过金相光学显微镜进行观察。
 
二、结果与讨论
 
    图1为原始AZ31镁合金板材金相组织及 (0002) 基面织构。可以看出, 原始板材组织均匀, 晶粒呈等轴晶分布, 其晶粒尺寸约为13.4μm, 表现出一个很强的基面织构, 其织构强度为21.0。
 

 
图1 原始AZ31镁合金板材的显微组织和 (0002) 基面织构

    图2为AZ31镁合金不同温度轧制后的金相显微组织。从图中可以看出, 轧制后的镁合金板材组织为均匀分布的等轴晶, 其晶粒尺寸为7.4、7.8、9.2、11.5μm。随着温度的升高, 晶粒尺寸逐渐增大。可以看出在793K时, 其晶粒尺寸仍然比原始板材晶粒要小, 虽然轧制温度较高。这主要与再结晶的形核速率大于长大速率有关。
 

图2 不同温度轧制的板材金相显微组织

    图3为不同温度轧制后镁合金的 (0002) 基面织构演变图。从图中可以看出, 轧制过后板材的基面基本向着轧制方向倾斜了5°~10°, 而基面织构密度由原始的21.0减弱至3.7~5.6。有报道指出, 高温条件下动态再结晶能够使得强基面织构的镁合金晶粒发生旋转, 从而在第一道次轧制后由于连续再结晶行为促使基面织构获得较大的减弱。而与原始材料相比, 织构强度降低就是这种原因。在不同温度条件下进行轧制后, 织构强度分别为5.6、5.6、4.4、3.7, 尤其在763、793K温度下其织构弱化最为强烈。众所周知, 非基面滑移尤其是柱面滑移和锥面滑移随着温度的升高其临界剪切应力降低, 将会趋于开动。而非基面滑移的开动在一定程度上强化了均匀塑性变形的能力, 进而减弱了基面滑移的影响, 从而弱化基面织构。而晶界滑移在高温下也可能开动, 当晶粒尺寸小于10μm的时候, 晶界滑移也可以弱化基面织构。
 

 
图3 不同温度轧制后镁合金板材的 (0002) 极图

    图4为不同温度轧制后AZ31镁合金拉伸力学性能及杯突值。从图4(a)中可以看出, 随着轧制温度的提高, 材料的屈服强度和极限抗拉强度逐渐降低, 断裂伸长率也逐渐降低。强度逐渐降低这可能与基面织构弱化有关, 如前所述, 随着轧制温度的提高, 其基面织构强度减弱, 基面织构的弱化有利于后续塑性变形基面滑移的开动, 因此表现出较小的屈服强度。同时还与晶粒尺寸的增大有关, 根据Hall-petch公式, 晶粒尺寸越大, 材料屈服强度越低。从图中可以看出, 随着温度从703 K增加至793 K, 抗拉强度从313 MPa降低至300 MPa, 屈服强度由182 MPa降低至146MPa, 而断裂伸长率从24.3%降低至23.4%。
    图4(c)为不同温度下轧制的加工硬化系数n和塑性应变比r的变化。可以看出, 随着轧制温度的提高, n值逐渐增大, 而r值逐渐减小, 这可能与织构弱化有关。随着织构的弱化, 材料发生取向软化效果, 能够承受更多的加工硬化, 进而n值增大。而对于r值, 主要是横向和厚度方向上的应变协调。对镁合金而言, 宽度方向上的应变主要由柱面滑移主导, 厚度方向上的应变由锥面或者孪生主导, 而基面织构弱化以后, 横向及厚度方向基面滑移更加容易开动进而协调变形, 因此r值减小。较大的n值和较小的r值有利于镁合金板材冲压性能的提高。如图4(d)中所示, 随着轧制温度的提高, 杯突值由IE4.7mm分别提高至5.3、6.0、7.0mm, 冲压成形性能获得极大的提高。
 

图4 不同温度轧制后AZ31镁合金板材的力学性能

 
三、结论
 
    通过对AZ31镁合金板材进行高温轧制, 随温度的升高, 晶粒尺寸发生长大, 基面织构获得弱化, 屈服强度和抗拉强度降低, 断裂伸长率降低。加工硬化系数n值逐渐增大, 塑性应变比r值逐渐减小。由于基面织构的弱化, 镁合金板材产生较大的n值和较小的r值, 杯突值获得提高, 最大杯突值可以达到7.0 mm。
 
作者:李路娜 胡旭  来源：热加工工艺

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