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 翟梽錦  王忠堂

 （沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

摘要分析了壓痕-壓平復(fù)合變形工藝特點(diǎn)及應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)。研究了壓痕-壓平復(fù)合變形時(shí)應(yīng)變狀態(tài)對(duì)鎂合金材料孿晶組織的影響。結(jié)果表明，應(yīng)變狀態(tài)是鎂合金材料產(chǎn)生孿晶的主要因素。拉伸變形區(qū)的組織產(chǎn)生了少量的孿晶，晶粒細(xì)化不明顯；壓縮變形區(qū)的組織產(chǎn)生了很多細(xì)小的壓縮孿晶，晶粒細(xì)化明顯。壓痕壓平復(fù)合變形產(chǎn)生了壓縮變形→孿晶組織形成→發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶→孿晶消失→晶粒細(xì)化的組織演變過程，形成分布均勻的細(xì)小的晶粒組織，從而使鎂合金板料的組織性能得到有效改善。壓痕-壓平復(fù)合變形使鎂合金板材的形核率的增加速率大于晶粒長(zhǎng)大率的增加速率，發(fā)生了完全 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化。

關(guān)鍵詞A231鎂合金；復(fù)合變形；孿晶；微觀組織

中圖分類號(hào)  TG146. 22；TG113. 25  D01:10．i5980／j．tzzz. 2016. 05. 003

 通過強(qiáng)烈塑性變形來(lái)產(chǎn)生更多的孿晶組織、滑移系和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，有利于弱化織構(gòu)和細(xì)化晶粒，提高室溫下鎂合金的成形性能。楊平等研究發(fā)現(xiàn)，在低溫時(shí)，軋制板材在軋制方向和平面內(nèi)形成了很高強(qiáng)度的基面織構(gòu)，這些織構(gòu)在溫度較低時(shí)阻礙了基面滑移系的啟動(dòng)，影響了鎂合金板材的塑性成形性能。曹鳳紅等研究發(fā)現(xiàn)，A261鎂合金在擠鍛復(fù)合成形工藝過程中，材料組織經(jīng)過變形與再結(jié)晶，晶粒尺寸從鑄態(tài)的121μm減小為擠壓態(tài)的8～15 μm，鍛壓后進(jìn)一步減小到2～5 μm。經(jīng)歷了擠鍛復(fù)合成形后，材料的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別達(dá)到315、227 M Pa和20%，比鑄態(tài)時(shí)分別提高了42%、76%和71%。張雷等研究發(fā)現(xiàn)，采用低溫雙向反復(fù)彎曲方法并結(jié)合退火工藝可以有效細(xì)化A231鎂合金的晶粒，并且弱化了基面組織。HUANG G S等通過單向彎曲使鎂合金板材的基面織構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而弱化了基面織構(gòu)。YANGQ等通過波浪形模具壓制鎂合金板材，使其晶粒細(xì)化到1.4μm。劉勁松等研究發(fā)現(xiàn)，A231鎂合金板材經(jīng)過交叉軋制后，各向異性減輕，具有更好的沖壓成形性能。陳維平等研究發(fā)現(xiàn)，在同一變形量下，隨著軋制溫度的升高，板材的晶粒呈長(zhǎng)大趨勢(shì)，硬度逐步下降。在330℃軋制時(shí)，板材的綜合性能較好，隨著道次變形量的加大、軋制道次的增加，晶粒尺寸呈減小趨勢(shì)，硬度逐步上升。張文玉等研究發(fā)現(xiàn)異步軋制路徑對(duì)A231鎂合金性能的影響是比較復(fù)雜的，應(yīng)綜合考慮異步軋制工藝條件的影響，通過工藝優(yōu)化提高異步軋制A231鎂合金板材的沖壓成形能力。結(jié)果表明，復(fù)合形變可以有效改善A231鎂合金的微觀組織和力學(xué)性能。

  本課題以A231鎂合金板材為研究對(duì)象，分析了壓痕-壓平復(fù)合變形工藝特點(diǎn)及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，討論應(yīng)變狀態(tài)對(duì)鎂合金材料孿晶組織的影響，以及復(fù)合變形改善鎂合金材料性能的機(jī)理。

1  壓痕-壓平復(fù)合變形工藝特點(diǎn)

  壓痕-壓平復(fù)合變形工藝原理及變形參數(shù)定義見圖

2試驗(yàn)方案

  試驗(yàn)在1 000 k N的四柱萬(wàn)能液壓機(jī)上進(jìn)行，模具加熱方法采用電加熱棒加熱。材料尺寸為90 mm×200 mm×7 mm。齒間比為1:4，坯料加熱溫度為250℃，變形壓下率為29%。

 圖3為采用復(fù)合變形工藝加工的A231鎂合金試1。鎂合金板材經(jīng)過壓痕變形（稱為一次變形）可以產(chǎn)生較大的切向變形，能夠促進(jìn)鎂合金材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，產(chǎn)生更多的孿晶組織和滑移系，有利于細(xì)化晶粒和弱化基面織構(gòu)，顯著提高鎂合金板材的成形性能。經(jīng)過一次變形的鎂合金板材再經(jīng)過壓平變形（稱為二次變形），可以進(jìn)一步加劇鎂合金材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，進(jìn)一步細(xì)化晶粒和弱化基面織構(gòu)，顯著提高鎂合金板材的成形性能和力學(xué)性能。

 在壓痕變形時(shí)，變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)變狀態(tài)不同，見圖2a。在P點(diǎn)受兩向壓應(yīng)力，在板材徑向方向上是拉伸應(yīng)變，而在W點(diǎn)也受兩向壓應(yīng)力，在板材徑向上是壓縮應(yīng)變。變形區(qū)內(nèi)同一點(diǎn)經(jīng)過壓平變形時(shí)，它們的應(yīng)變狀態(tài)恰好相反，見圖2b樣。復(fù)合變形工藝步驟如下：①用加熱棒把模具工作部分加熱到預(yù)定的溫度；②將試驗(yàn)板材在電阻爐中加熱至預(yù)定的變形溫度，并且保溫一定時(shí)間；③取出試驗(yàn)板材進(jìn)行壓痕變形（一次變形）；④將一次變形的板材再進(jìn)行壓平變形（二次變形）；⑤將二次變形后的板材制成試樣，并觀察金相組織。

  3  試驗(yàn)結(jié)果分析

  3.1  應(yīng)變狀態(tài)對(duì)A231鎂合金組織的影響

 復(fù)合變形對(duì)A231鎂合金微觀組織的影響見圖4。 可以看出，不同部位板料晶粒細(xì)化程度不一樣，主要與變形程度有關(guān)。拉伸變形區(qū)的晶粒大小與原始板料晶粒大小相差不大，產(chǎn)生了少量的孿晶。而壓縮變形區(qū)受到較大的壓應(yīng)力作用，板料產(chǎn)生較大的壓縮變形，導(dǎo)致微觀組織產(chǎn)生很大變化，壓縮變形區(qū)的晶粒尺寸與原始板料相比細(xì)化了很多，得到了許多細(xì)小的壓縮孿晶，但仍有少量粗大晶粒保留下來(lái)。處于過渡區(qū)的晶粒細(xì)化情況介于兩者之間，產(chǎn)生了較多細(xì)小的壓縮孿晶，但也有部分初晶保留下來(lái)。

 復(fù)合變形改善鎂合金材料的顯微組織，其機(jī)理是經(jīng)過1個(gè)道次的復(fù)合變形工序后，變形區(qū)內(nèi)每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都發(fā)生拉伸變形與壓縮變形（或者壓縮變形與拉伸變形）的一個(gè)周期交替變化，使材料發(fā)生壓縮變形→孿晶組織形成→發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶→孿晶消失→晶粒細(xì)化的組織演變過程，形成分布均勻的細(xì)小的晶粒組織。

3.2  復(fù)合變形對(duì)A231鎂合金組織的影響

 經(jīng)過復(fù)合變形（壓痕變形和壓平變形）后鎂合金材料顯微組織見圖5，可以看出，兩道次變形后，板料晶粒產(chǎn)生了明顯的細(xì)化，壓痕變形后的顯微組織以孿晶組織為主，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。再經(jīng)過壓平變形后，晶粒得到了進(jìn)一步的細(xì)化。由于鎂合金材料在復(fù)合變形過程中，產(chǎn)生拉伸變形和壓縮變形交替進(jìn)行，從而使鎂合金板材的儲(chǔ)存能增加較大，增加了再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致形核率與晶粒長(zhǎng)大率同時(shí)增加；但在交替變形過程中，產(chǎn)生的位錯(cuò)增多并且位錯(cuò)來(lái)不及抵消，使再結(jié)晶形核速度增加，同時(shí)遏制晶粒長(zhǎng)大速度，因此發(fā)生再結(jié)晶后，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，一次變形后產(chǎn)生孿晶組織，再經(jīng)過二次變形后，孿晶組織消失，產(chǎn)生均勻的等軸晶組織。

3.3板材不同位置A231鎂合金的顯微組織

 圖6為板材不同位置A231鎂合金的顯微組織。板料的表面與模具直接接觸，變形量比較大，晶粒細(xì)化比較明顯，使性能也有很大的改善。A231鎂合金板材在2500C下進(jìn)行壓痕-壓平復(fù)合變形時(shí)，中間層組織變化不明顯，但上、下表層晶粒顯著細(xì)化。表層細(xì)晶體積分?jǐn)?shù)和細(xì)晶層厚度隨著變形道次的增加而增加。通過壓痕-壓平后復(fù)合變形，最終制備出具有表層晶粒細(xì)小、中間晶粒粗大的梯度結(jié)構(gòu)組織。表層晶粒細(xì)化主要是通過孿晶分割和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制主要為孿生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。隨著變形道次的增加，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，孿晶界所占比例降低。

4  結(jié)  論

 (1)應(yīng)變狀態(tài)是鎂合金材料產(chǎn)生孿晶的主要因素，拉伸變形區(qū)的組織產(chǎn)生了少量的孿晶，晶粒細(xì)化不明顯；壓縮變形區(qū)的組織產(chǎn)生了許多細(xì)小的壓縮孿晶，晶粒細(xì)化明顯；處于過渡區(qū)的晶粒細(xì)化情況介于兩者之間，細(xì)小的壓縮孿晶和部分初始晶粒都存在。

 (2)經(jīng)過1個(gè)道次的復(fù)合變形后，變形區(qū)內(nèi)發(fā)生拉伸變形與壓縮變形的周期交替變化，使材料發(fā)生壓縮變形→孿晶組織形成→發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶→孿晶消失→晶粒細(xì)化的組織演變過程，形成分布均勻的細(xì)小的晶粒組織。

 (3) A231鎂合金板材在變形溫度為250℃下進(jìn)行壓痕-壓平變形后，由于板材的表面塑性變形量比較大，因此板材的表面晶粒細(xì)化程度好于內(nèi)部組織。

 (4)復(fù)合變形改善鎂合金材料性能的機(jī)理是在復(fù)合變形過程中，產(chǎn)生拉伸變形和壓縮變形交替進(jìn)行，從而使鎂合金板材的形核率的增加速率大于晶粒長(zhǎng)大率的增加速率，發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化。