鎂及鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比高度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力和減震能力強(qiáng)、機(jī)加工性能好以及易回收等一系列的性能,被認(rèn)為是“21世紀(jì)具有發(fā)展前途的綠色金屬材料。長期以來,鎂及鎂合金被廣泛地應(yīng)用于航空航天、電子、電器、汽車等領(lǐng)域,能夠有效地減輕結(jié)構(gòu)件的重量,節(jié)約能源和減輕環(huán)境污染。
鎂合金薄板是壓力軋制擠壓板,具有細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)、密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、延展性能好等優(yōu)點(diǎn);可以滿足室溫冷沖壓、鍛壓或其他冷加工所具備的抗拉強(qiáng)度和延伸率的要求。
近些年來,航空、航天、汽車、3C產(chǎn)品以及軍工等領(lǐng)域?qū)︽V合金的需求不斷增長,對其力學(xué)性能的要求也不斷提高[1-2],傳統(tǒng)鑄造鎂合金已經(jīng)漸漸無法滿足要求。這種情況下,采用擠壓、軋制、鍛造等塑性加工工藝生產(chǎn)的變形鎂合金產(chǎn)品,由于具有更好的力學(xué)性能、多樣化的結(jié)構(gòu)而越來越受到重視[3-4]。其中,軋制作為鎂合金塑性加工的重要手段得到了長足的發(fā)展,產(chǎn)生了多種軋制方法。這些軋制方法主要通過兩個途徑來提高板材性能:(1)細(xì)化晶粒提高塑性[5-6]。研究表明,晶粒尺寸小于10μm時,鎂合金將體現(xiàn)出良好的超塑性[7-8];(2)降低織構(gòu)強(qiáng)度,減小各向異性程度[9-10]。鎂合金板材各向異性程度高,力學(xué)性能(如抗拉強(qiáng)度和延伸性能)不平均,通過控制織構(gòu)降低各向異性程度,可有效的提高板材性能。
鎂合金熱軋板材的組織主要由孿晶、切變帶等變形組織及細(xì)小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒組成。動態(tài)再結(jié)晶是其主要的細(xì)化機(jī)制。熱軋過程中,溫度、變形量、變形速率等因素將會影響組織形態(tài)與再結(jié)晶的發(fā)生。具體為:高溫促進(jìn)位錯滑移,增加形核率,可提高再結(jié)晶組織的比例;高應(yīng)變速率使位錯急劇堆積,應(yīng)力集中得不到釋放,抑制動態(tài)再結(jié)晶的形核;大變形量增加位錯密度,促進(jìn)再結(jié)晶形核。如大應(yīng)變軋制(large strain rolling)就采用了大變形量來獲得更多的細(xì)化組織,其晶粒尺寸可達(dá)到2μm~3 μm。熱軋板材中孿晶等變形組織經(jīng)過退火后將發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶或回復(fù),轉(zhuǎn)化為更多的等軸晶。
研究表明,熱軋過程中鎂合金將形成強(qiáng)(0002)基面織構(gòu),基本特征為(0002)基面平行于軋面(圖la)。這種織構(gòu)由塑性變形過程中基面滑移、錐面滑移共同造成的,一般隨著軋制道次的增多和板材厚度的減薄,織構(gòu)將逐漸增強(qiáng),當(dāng)板材軋制到薄板時,形成較強(qiáng)的基面織構(gòu)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),熱軋時采用大應(yīng)變可以降低織構(gòu)強(qiáng)度,退火也組織構(gòu)有一定的弱化作用。
熱軋除變形量大,工藝簡單,利于工業(yè)化大生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)外,也存在著一些不足,如溫度過高不利于控制板形和表面光潔度,力學(xué)性能較低等。而應(yīng)用冷軋工藝可以有效克服上述不足,通過控制變形量和退火,可得到尺寸精度高、力學(xué)性能好的薄板。
鎂合金冷軋板材組織中主要為粗大的晶粒,且晶粒內(nèi)部有大量孿晶。這是因為室溫下鎂合金可開動的滑移系少,要依靠孿生,主要是錐面孿生才能發(fā)生變形。冷軋細(xì)織的細(xì)化主要通過退火靜態(tài)再結(jié)晶來完成。退火時,再結(jié)晶晶粒在原始晶粒邊界形核長大,取代粗大的原始晶粒,得到細(xì)小再結(jié)晶組織。鎂合金冷軋后板材具有較高強(qiáng)度,但伸長率較低,通過適當(dāng)退火,也可提高冷軋板材的塑性。
冷軋AZ31鎂合金織構(gòu)形態(tài)與熱軋織構(gòu)有顯著的區(qū)別,其基面的織構(gòu)極密度分布呈現(xiàn)雙峰形態(tài),與熱軋的相比,強(qiáng)度上冷軋板材的基面織構(gòu)強(qiáng)度更高。過程為:室溫下基面滑移系難以開動,晶內(nèi)誘發(fā)了孿生,改變了孿生部分晶體基面的取向關(guān)系,使孿生體內(nèi)的基面滑移系得以開動,塑性變形繼續(xù)進(jìn)行,并產(chǎn)生二次孿晶:這一系列復(fù)雜的變形終使得基面的取向偏離板材的法向,形成基面織構(gòu)的雙峰特征。冷軋織構(gòu)退火后分布規(guī)律沒有太大變化,僅強(qiáng)度有所下降。
鎂合金軋制是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)鎂合金材料的重要手段,長期以來,由于鎂合金板材變形性能不好,限制了鎂合金板材的應(yīng)用。通過對不同軋制方法的研究,有助于找到控制板材組織及織構(gòu)的有效方法,使其既能得到細(xì)化組織產(chǎn)生超塑性,又能降低織構(gòu)強(qiáng)度使各方向性能更加平均。從而大大的改善板材的變形性能,使鎂合金板材得到更加廣泛的應(yīng)用。
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