AZ31镁合金连续变断面挤压变形行为及组织演变

袁战军，马幼平，杨 蕾，张宝林，李 伟

（西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055）

AZ31镁合金连续变断面挤压变形行为及组织演变

袁战军，马幼平，杨 蕾，张宝林，李 伟

（西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055）

采用大变形量的连续变断面循环挤压工艺对铸态AZ31镁合金进行不同道次的挤压变形，分析了其在变形到断裂过程中的受力情况和微观组织变化。研究表明：随着变形次数的增加，铸态AZ31镁合金晶粒不断被细化，10道次变形后，晶体内的不均匀变形被消除，粗大的晶粒全部变为细小的等轴晶，晶界上的第二相和杂质也均匀地分布在晶粒间;变形过程中发生了动态再结晶，原始粗大晶粒在形成细小等轴晶的同时仍能保持原有晶体位置的遗传性;变形过程中主要以孪晶为主，锥形裂纹末端为沿晶和穿晶结合型断裂，侧面为单一型穿晶断裂，并且裂纹两边显微组织存在较大差异性。

AZ31镁合金;连续变断面挤压;变形行为;遗传性;孪晶

1 前 言

随着钢铁、铝等资源的匮乏，资源丰富的镁及其合金［1］近年来得到了快速的发展，但目前镁合金产品以铸件居多，塑性加工产品极少［2］，使得镁合金的使用性能和应用范围受到很大限制，镁合金的锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等塑性加工技术与超塑成形技术的发展也相对缓慢。因此，变形镁合金的研究已成为世界镁工业发展中的重要方向［3］，且对镁合金塑性变形机理的研究一方面可以丰富和发展金属塑性变形的基础理论，另一方面对于优化塑性加工工艺及研发具有高成形性能的镁合金材料具有重要意义［4］。

小变形量和预变形能细化晶粒和改善材料塑性［5］，而大塑性变形（Severe plastic deformation，SPD）可以显著细化晶粒，从而获得超塑性和超细晶材料［6］。连续变断面循环挤压法（continuous variable cross-section recycled extrusion，CVCE）［7-8］作为一种新的大塑性变形方法，在变形过程中，通过反复循环挤压获得大的应变量，可以避免等通道转角挤压法（ECAP）在材料制备时存在的织构和各向异性［9-10］以及连续挤压扩展成形技术的不均匀变形问题［11］。

目前连续变断面挤压法对纯铝超细晶的制备已取得成功［12］，在镁合金的变形方面也进行了研究，结果表明，通过CVCE变形后晶粒被细化的同时力学性能也得到改善［13］，但对于在变形过程中铸态AZ31镁合金晶粒的细化方式和变形行为未进行相关探讨说明。故本实验采用连续变断面挤压法对AZ31镁合金进行多道次的循环挤压变形，研究其在变形过程中的受力情况、显微组织的变化以及断裂方式，为提高镁合金的变形能力和细晶材料制备工艺设计提供一定的理论基础。

2 试验方法及材料

2.1 实验材料

实验材料选用铸态AZ31镁合金，其化学成分如表1所示。

表1 铸态AZ31镁合金化学成分/wt.％Table 1 Chemical composition of AZ31 Magnesium alloy

购买AZ31镁合金铸锭作为原料，在井式电阻炉中重熔并浇铸成φ25mm×250mm的铸坯，再用数控电火花线切割机加工成φ20mm×25mm的圆柱体挤压试样，如图1（a）。

图1 AZ31镁合金连续变断面挤压形变过程 （a）原始样;（b）拉长;（c）压缩;（d）反向拉长;（e）反向压缩Fig.1 Deformation process of continuous variable cross-section recycled extrusion of AZ31 magnesium alloy（a）original sample;（b）elongation;（c）compression;（d）reverse elongation;（e）reverse compression

2.2 实验方法及过程

连续变断面循环挤压是在压力作用下将试样挤压伸长和压缩回原来尺寸的过程，如图1。通过多道次的循环挤压，从而使金属获得大的变形量，挤压模具和型腔分别为锥形和圆柱形（后简称为锥形模具和柱形模具），如图2。通过压力试验机提供压力，使得试样在锥形模具中实现挤压伸长，在柱形模具中压缩恢复到原始长度，并实现多道次循环。挤压前需将试样和模具分别预热到350℃和320℃，然后放在1600KN液压机上以1mm/s的压制速度进行挤压，保压5s。挤压过程中用石墨和机油的混合物作为润滑剂。

采用数控电火花线切割机将挤压完的试样沿轴向剖开，依次打磨、抛光、腐蚀，制备金相试样，腐蚀液为：苦味酸0.82g+无水乙醇14ml+冰醋酸2ml+蒸馏水2ml。再运用OLYMPUS PM-G3型光学显微镜进行金相组织观察。

3 实验结果及分析

3.1 变形过程受力分析

图2为变形过程受力分析图。在向下挤压拉长时，试样在三向压应力作用下（图2（a）），金属沿着锥形模具往下流动，直径不断减小，发生大的塑性变形，长度增加到29mm，下表面的直径减小到φ15mm，且不易发生开裂行为。在进行压缩时，试样受力如图2（b），经过14道次变形后试样上表面沿剪切力方向开裂并形成一个直径约φ17mm的锥形。这主要是上表面在向下压缩时，相当于一个镦粗过程，试样处于一个封闭的圆柱形模腔内，根据镦粗时试样中不同区域金属的流动及受力分析（图2（b）），向下压缩变形时，难变形区Ⅰ金属往下运动，在摩擦力f1的作用下带动Ⅰ、Ⅱ区结合处金属斜向下流动。变形区Ⅱ金属在轴向压应力的作用下产生很大压应变，径向有较大扩展，对Ⅰ区产生斜向上的摩擦力f2。随着变形量的增大，此结合处产生应力集中，当剪切应力超出材料的强度极限时开裂，两条裂纹相交于一点，形成一个锥形的断裂形状。变形区Ⅲ金属在单向压应力作用下向四周横向流动以充满型腔，当试样的高径比H/D=0.8～2时，试样压缩后呈鼓形。由于模具的约束，金属流动至模具壁时受到横向压力FN，有效避免了变形时鼓形的出现和试样侧表面的周向拉应力所引起的裂纹。

图2 变形过程受力分析图 （a）向下伸长;（b）向下压缩Fig.2 Stress analysis of deformation process （a）elongation;（b）compression

3.2 微观组织分析

3.2.1 显微组织变化 图3为AZ31镁合金在不同道次挤压后沿轴向剖面的组织照片，其中（a）、（c）、（e）为试样内部，（b）、（d）、（f）为边部，靠近挤压杆，照片从右至左为试样变形过程的轴向方向。图3（a）、（b）为2道次变形后裂纹处不同放大倍数的金相组织照片，箭头①为试样长度方向，箭头②为试样锥形裂纹侧边方向。与试样心部晶粒相比，晶粒沿①、②方向均出现拉长现象。

图3（c）为试样经6道次变形后的金相组织，沿试样变形轴向，晶粒尺寸越靠近右侧挤压杆越细，且有一明显的过渡区，如箭头③所示。从图3（d）可看出，经6道次变形，试样组织由相对集中的粗大块状和树枝状晶粒组成，而在这些粗大晶粒的四周则分布着小尺寸的晶粒区域。

图3（e）为试样经10道次变形后的金相组织，从图中可看出，图3（c）中沿轴向分布的大小晶粒过渡区消失。由图3（f）可见，晶粒尺寸分布均匀，粗大的枝晶变为细小晶粒，第二相及杂质也均匀分布在晶界上。

图3 AZ31镁合金不同道次挤压和不同倍数显微组织的变化 （a）2道次;（b）2道次;（c）6道次;（d）6道次;（e）10道次;（f）10道次Fig.3 Microstructures of AZ31 magnesium alloy （a）2th;（b）2th;（c）6th;（d）6th;（e）10th;（f）10th

这主要是CVCE变形中金属不同区域流动及各部分受力情况不同，使得试样在变形过程中内部金属沿轴向方向发生不均匀变形，随着变形道次的增多，这种不均匀变形逐渐消失。与上述的变形理论相符合。

图4为AZ31镁合金在2道次和14道次挤压后内部的显微组织图。图4（a）为2道次变形后，晶粒有细微的拉长趋势，大部分的晶界还保持连续环形分布在晶粒四周，少量被破坏断裂。

图4（b）为变形14道次后，原来粗大的晶粒被细化为细小的等轴晶，并且紧密聚集在一起，形成相互独立的小型聚集区，这些细晶聚集区之间仍保持着原有的晶体位置，晶界上的第二相和夹杂物则仍断续地分布在原有晶界的位置上。

图4 AZ31镁合金在2道次和14道次挤压后内部显微组织的变化 （a）2道次;（b）14道次Fig.4 Microstructures of extrusion deformation 2th and 14th of AZ31 magnesium alloy （a）2th;（b）14th

这种在多道次挤压变形后仍保持原有晶体结构的遗传效应主要是由变形过程中的动态再结晶造成。虽镁合金中易启动滑移系少，层错能低，但在热变形过程中也可通过连续动态再结晶形核［14］。在剪切力的作用下各原始晶粒晶界附近首先变成凹凸状并产生晶界滑移向晶粒内部推移，从晶界到晶内形成一个不均匀的变形梯度，随着晶内位错的不断塞积产生大量孪晶组织促使滑移的进行，在位错的交互作用下形成胞状亚结构晶粒。随着变形的进行，亚结构晶粒不断增多并细化，而原始晶粒之间的这种变形过程保持相互独立。

3.2.2 断口金相分析 图5（a）为锥形裂纹末端交汇处断口的金相组织。从图中可看出，断口表面为凹凸不平状，晶界和晶粒内部均有裂纹经过，属于沿晶断裂和穿晶断裂的结合型断裂。在变形过程中，此位置处于难变形区Ⅰ与大变形区Ⅱ的点面结合部位，应力集中最为严重，除了受剪切力外还有来自四周和底部的压应力，受力情况比较复杂，容易形成混合型断裂。

图5（b）为锥形侧面裂纹处的金相组织。从图可看出，裂纹为平直状且都属于穿晶断裂，裂纹上下两部分的金相组织有所不同。右上方为细小的等轴晶区，孪晶组织相对较少，而左下方裂纹四周出现大量的孪晶组织和形变织构。这主要是变形过程中在剪切力的作用下，晶体内部基面上大量滑移而导致的切变断裂。右上方难变形区Ⅰ由于动态再结晶形成细小等轴晶，左下方大变形区Ⅱ金属在下压过程中向四周横向流动，主要以孪晶变形为主，生成大量孪晶组织。而孪晶和裂纹之间存在交互作用，快速扩展的裂纹前端由于应力集中诱导孪生，而孪晶内由于晶体取向的变化，使滑移面不再与受力方向平行，滑移继续向前进行促进裂纹的扩展，最终导致断裂。滑移、孪晶与断裂都是释放应力集中且相互竞争的过程。因此可知，在不均匀变形过程中容易产生孪晶，孪晶促进了裂纹的产生，所以为了提高镁合金的塑性和韧性，在细化晶粒的同时还要尽量避免不均匀变形。

图5 AZ31镁合金连续变断面挤压后不同位置断口的金相组织 （a）裂纹末端;（b）裂纹两侧Fig.5 Fractography of different positions of AZ31 magnesium alloy （a）crack tip;（b）crack side

4 结 论

通过对AZ31镁合金在连续变断面挤压变形（CVCE）过程中的受力情况和微观组织进行分析，得出以下结论：

1.随着变形次数的增加，晶粒不断被细化，晶体内存在的不均匀变形被消除，粗大的晶粒全部变为细小的等轴晶，晶界上的第二相和杂质也均匀地分布在晶粒间。

2.变形过程中发生了动态再结晶，原始粗大晶粒在形成细小等轴晶的同时仍能保持原有晶体位置的遗传性，并以原始结构为单元相互独立。

3.铸态AZ31镁合金CVCE变形过程中主要以孪晶为主，锥形裂纹末端为沿晶和穿晶结合型断裂，侧面为单一型穿晶断裂，并且裂纹两边显微组织存在较大差异性。

［1］刘正，张奎，曾小勤.镁基轻质合金理论基础及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］张津，章宗和，曾苏民，等.镁合金及应用［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［3］陈振华.变形镁合金［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［4］刘庆.镁合金塑性变形机理研究进展［J］.金属学报，2010，46（11）：1458～1472.

［5］张诗昌，杨广，康龙武，等.预变形及退火处理提高AZ31镁合金的塑性［J］.材料科学与工程学报，2015，33（3）：324～328.

［6］Valiev R Z，Korznikov A V，Mulyukov R R.Structure and properties of ultrafine-grained materials produced by severe plastic deformation［J］.Mater Sci Eng A，1993，168（2）：141.

［7］陈明，刘长瑞，杜忠泽，王庆娟.连续变断面体挤压过程金属的变形特征［J］.热加工工艺，2007，32（17）：43～45.

［8］Wang Q J，Zhang P P，Liu C R.Principle of the continuous variable cross-section recycled extrusion（CVCE）process［J］. Adv Mater Res，2012，41（8）：1400.

［9］Bowen J R，Gbolinia A，Roberts S M et al.［J］.Materials Science and Engineering，2000，A287：87.

［10］Kim W J，Kim J K，Choo W Y et al.［J］.Materials Letters，2001，51：177.

［11］杨俊英，高飞，万萌萌.AZ31镁合金连续挤压扩展成形流动速度分布规律［J］.中国有色金属学报，2014，24（11）：2711～2717.

［12］张娟，刘长瑞，王庆娟，等.纯铝1A85连续变，断面循环挤压过程的组织演变［J］.材料科学与工程学报，2010，28（6）：930～933.

［13］丁茹，刘长瑞，王成，任红霞.连续变断面循环挤压AZ31镁合金的微观组织与力学性能［J］.材料科学与工程学报，2009，27（4）：617～619.

［14］Ion S E，Humphreys F J，White S H.Dynamic Recrystallization and the Development of Microstructure during the High Temperature Deformation of Magnesium［J］.Acta Materialia，1982，30（10）：1909.

Deformation Behavior and Microstructure Evolution of AZ31 Magnesium Alloy by Extrusion with Continuous Variation in Crosssection

YUAN Zhan-jun，MA You-ping，YANG Lei，ZHANG Bao-lin，LI Wei
（School of Metallurgy Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

Extrusion deformation was carried out for AZ31 magnesium alloy for different times with continuous varying cross-section extrusion technology.The force condition and microstructure were analyzed during the deformation up to breakage.The results show that the crystal grains of the materials are constantly refined with deformation times.After being pressed for 10 times，inhomogeneous deformation is eliminated and the coarse grains are all turned into fine equiaxed grains.Impurities and second phases are also distributed in the grain boundaries;Dynamic recrystallization occur during deformation and the original coarse grains can keep the heredity of the original crystal position while forming fine equiaxed grains insidw;Deformation process is mainly based on twin，the end of the conical crack is the combine of intergranular fracture and transgranular fracture.Side of crack is single transgranular fracture and there is a big difference between the two sides of the crack.

AZ31 magnesium alloy;continuous variable cross-section recycled extrusion;deformation behavior;heredity;twin

TG146.2

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.022

1673-2812（2016）03-0445-05

2015-06-09;

2015-08-05

陕西省工业攻关资助项目（2014K08-16）;陕西省教育厅专项科研计划资助项目（14JK1411）;陕西省社发重点合作单位资助项目（2012KTJD02-01）

袁战军（1990-），男，硕士研究生，主要从事变形镁合金方面的研究。E-mail：zhanjunyuan0609@163.com。

马幼平（1961-），男，博士，教授，E-mail：youpingma615@163.com。