今日锻造镁合金微观组织对力学性能的影响

锻造镁合金微观组织对力学性能的影响

关键字： 镁合金；塑性成形；锻造；晶粒细化；力学性能

摘要： 本文通过AZ31镁合金的自由锻试验，研究了镁合金的锻造特性。所采用的圆柱形试样有供应态和挤压态两种，直径和高均为18mm。当锻造温度高于423K时，两种试样的厚度均能从18mm锻造到2.5mm。尤其是挤压态试样在423K的锻造温度下，表面不会发生破裂。又通过拉伸试验结果表明，随着锻造温度的降低，挤压态试样的延伸率减小，抗拉强度增大，其屈服应力 比供应态下的较大，其原因可能是供应态试样中存在未再结晶晶粒。

镁合金是结构材料中最轻的合金，它在比强度和弹性模量等性能上有很多的优点。因此，在汽车和飞机的结构材料中有很大的需求量。由于镁合金为密排六方结构，因而成形困难，不能通过塑性成形的方式加工镁合金件，然而对制造大型结构的镁合金材料来说，塑性成形加工过程的应用又是必要的，所以目前几乎所有的镁合金件的制造都是铸造加工，如压铸和搅熔成形处理过程。据报道，镁合金的热塑性变形时会产生动态再结晶，从而产生晶粒细化。这样给镁合金带来了更好的可塑性和锻后具有更优良的力学性能。我们应该注意AZ31镁合金自由锻锻造过程，这点以前人们注意得很少。本文专门研究锻造镁合金微观组织对力学性能的影响。

1 实验步骤

供应态AZ31镁合金的自由锻试验，研究镁合金的锻造特性。圆柱形试样有供应态和挤压态两种，其直径和高均为18mm。在供应态试样中，被拉长的粗晶粒和细等轴晶粒都可以观察到，这些晶粒的平均大小约20 m。另一方面，在挤压态试样中，几乎都是等轴晶粒，观察不到拉长的粗晶粒，这些晶粒都很类似。挤压态试样的晶粒大小约10 m。在锻造温度分别取323K、373K、423K、473K、523K、573K、623K、673K时，各种试样的应变为 时，厚度都被锻造到2.5mm。

在进行锻造试样的拉伸试验中，没有其它因素使晶粒细化，拉伸仪器上测量试样的长10mm、宽3mm、厚2.5mm。室温下，拉伸试验以恒速（1.0mm/min）进行，拉力轴线与锻造方向垂直。用光学显微镜观察试样的显微组织，晶粒大小用晶粒的平均大小乘以一个常数（1.74）计算出来。

2 结果和讨论

图1中显示了在423K、473K和573K温度下试样进行自由锻试验的结果。当温度高于423K时，试样的厚度均能从18mm锻到2.5mm。然而在423K时，供应态试样锻造后产生向两个方向伸长和表面破裂的现象。当温度高于473K时，供应态试样就能锻造成中心对称件。但其试样的边缘还是能观察到一些破裂现象。当温度高于573K时，供应态试样不会破裂。另一方面，对挤压态试样来说，即使在温度低至423K下锻造，其表面质量仍然非常好。因此，可以说当PLA材料的生命循环如图1所示锻造温度在低于573K的情况下进行试验，为了能达到极好的锻造试样表面质量，试样预锻件需要晶粒细化和组织均匀化。

在473K的锻造温度下，供应态试样和挤压态试样的晶粒度都能小到3 m。近来，在Mohri 等人的调查中发现，Mg—Al—Zn合金的显微组织为细晶粒，原因是由于热变形过程中产生动态再结晶。因此，用锻造的方法细化晶粒的原理是在锻造时的动态再结晶。在挤压态试样的整个表面都能看到细晶粒。另一方面，对供应态试样，能观察到局部不能被再结晶的粗晶粒，并且粗晶粒的比率随锻造温度的降低而增大。

表1列举带动起1股单车出行热潮了供应态试样和挤压态试样的晶粒大小。表中，没有测量未再结晶的晶粒。应该注意到，晶粒在很低的锻造温度下能晶粒细化，晶粒的大小随着锻造温度的升高而增大。当锻造温度相同时，供应态下的试样晶粒大小几乎与挤压态下的试样晶粒大小相同。表2总结了在各种试验条件下，锻造镁合金的拉伸特性，屈服应力 和最大抗拉强度都随着锻造温度的增大而减小。也就是说，镁合金的晶粒大小也随之相应增大，延伸率也随晶粒大小的增大而增大。这种趋势符合Mabuchi 等人分析的结果。除非在473K的温度下不发生晶粒细化，否则供应态试样与挤压态试样在最大抗拉强度上几乎相同。另一方面，若用屈服应力 来比较，挤压态试样比供受油缸磨擦力的影响应态试样的其故障缘由以下：屈服应力 更大。镁合金屈服应力 大大地依赖晶粒大小，当细化晶粒时，晶粒的大小显著增大。因此，如果两种试样上都发生细化晶粒时，抗拉强度和屈服应力 随锻造温度的降低而增大的原因很可能是这些晶粒大小随着锻造温度的降低而减小。

以下的等式表示了在多晶体中屈服强度和晶粒大小之间的Hall-Petch关系

式中σ表示多晶体金属的屈服强度，σ0表示单金属的屈服强度，K是常数，d是晶粒直径。图2表示了屈服应力σ02随晶粒大小的负二分之一次方变化的变化关系。图2中显示了供应态与挤压态的试样的不同情况。两种试样的结果都成直线关系。供应态试样与挤压态试样各自的σ0值分别为119MPa和134MPa。另一方面，挤压态试样的K值

要比供应态试样的K值大得多。两种K值

的不同归因于供应态试样中存在未再结晶晶粒。

3 结论

本文研究了AZ31镁该项目将有益于进1步整合产业链合金显微组织对力学性能的影响，得出以下结论：

（1）在锻造温度高于423K时，两种圆柱形试样的厚度均能从18mm锻到2.5mm，尤其是通过晶粒细化的预锻造试样，在温度423K以下锻造表面不会发生破裂。

（2）锻造后的AZ31镁合金晶粒大小随锻造温度的降低而降低，在很低的温度下，AZ31镁合金锻件有更高的抗拉强度是因为晶粒中有晶粒细化作用。

（3）随着锻造温度的升高和延伸率的增加，供应态试样的延伸率比挤压态试样的延伸率小。

（4）与供应态的试样比较，挤压态的试样的抗拉强度更高，这是因为供应态的试样中存在未重结晶的晶粒。

本文译自第7届国际塑性加工会议（2002年，日本横滨）论文集

重庆工学院 材料科学与工程学院 王熠昕 王伟 段磊 黄文超译 胡亚民校(end)