异步轧制AZ31镁合金板材室温冲压性能研究

1、异步轧制AZ31镁合金板材室温冲压性能研究第14卷第4期2007年8月塑性工程JOURNALOFPLASTICITYENGINEERING异步轧制AZ31镁合金板材室温冲压性能研究(湖南工学院机械工程系,衡阳421002)张文玉刘先兰(湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082)陈振华摘要:文章主要对异步轧制AZ31镁合金板材室温冲压性能进行了研究,以探讨提高镁合金板材冲压性能的途径.结果表明,异步轧制有利于板材的晶粒细化,其晶粒尺寸约为7.6m,明显小于普通轧制板材的12.5m;而由于异步轧制过程中剪切变形的作用,异步轧制使板材的(0002)基面晶粒取向减弱;与普通轧制相比,异步轧制板材的

2、应变硬化能力增加,屈服强度降低,制耳参数减小,但塑性应变比也降低,这可归因于异步轧制所导致的晶粒细化和晶粒取向的改变.关键词:异步轧制;Az31镁合金板材;冲压性能;变形行为中图分类号:TG146.2;TG339文献标识码:A文章编号:1007-2012(2007)04000605日lJ吾镁合金作为最轻的金属结构材料之一,以其众多的优点,得到了越来越广泛的应用,尤其是作为汽车,合金的性能,因此,为了扩大镁合金板材的应用,提高究表明1q,减弱基面织构,降低各向异性,可提高镁合金板材的冲压性能.但是,在常见的普通轧制(NormalRolling,NR)过程中,镁合金板材内通常形成强烈的(0002)

3、基面织构3州j.而少量的研究表明,采用异步轧制(DifferentialSpeedRolling,DSR)可减弱镁合金板材的基面织构,提高其性能l7川.目前对异步轧制镁合金冲压性能研究非常有限,过单向拉伸试验,对异步轧制AZ31镁合金板材室温冲压性能进行研究,通过与普通轧制板材的对比,分析了异步轧制对其冲压性能的影响,提出了提高镁合金板材冲压性能的途径.1试验试验所用AZ31合金名义化学成分为:Mg-3A10.89/6Zn-0.49/6Mn(wt.%),首先经铸造一挤压制得厚度为10mm的挤压板坯,然后挤压板坯在同辊径异速比为1.2的异步轧机进行轧制,制得厚度为2mm的板材.异步轧制过程中,轧

4、辊未加热,板材预热温度为400.C,道次间保温时间为15min3min,随轧制道次的增加递减,道次压下量恒定为2o,轧辊表面未润滑.轧制过程中,板材轧制方向和正法向均不变.为了比较,在同样辊径的普通轧机上进行普通轧制试验,其轧制工艺参数与异步轧制相同.AZ31镁合金板材轧制面金相组织观测的浸蚀剂配方如下:5g苦味酸+5g冰醋酸+10mL蒸馏水面的晶粒取向在Y-500型X射线衍射仪上进行金相分析.分别沿0.(轧向),45.和9O.(横向)取拉伸试样,在WDWE200微机万能试验机上进行室温拉伸试验,试样标距部分尺寸为15mm(长)×GB5028-85金属薄板拉伸应变硬化指数(值)试验方

5、法和GB502785金属薄板塑性应变比(r值)试验方法对AZ31镁合金板材的7z值和r值进行测定计算,其中r值测量在应变量为129/6时进行.2结果与讨论.P:h竺weny"m,1.9授,主普通轧制和异步轧制Az31镁合金要研究方向为有色金属材料,模具设计与制造等一收稿日期:20061o一22;修订日期:2007-04-2o板材金相组织.从图1中可以看出,两者晶粒均成第4期张文玉等:异步轧制AZ31镁合金板材室温冲压性能研究7等轴状分布,为典型的动态再结晶组织,普通轧制板材平均晶粒大小约为12.5m,异步轧制为7.6m.但是,与普通轧制板材相比,异步轧制板材的晶粒组织更加细小均匀,而

6、普通轧制和异步轧制过程中,板材的预热温度,道次问保温时间和压下量以及总压下量均相同.这表明,在其他变形条件相同的情况下,异步轧制更有利于动态再结晶的发生,从而促进晶粒细化和等轴化,这与异步轧制情况下,在板材纵截面即高度方向的普通轧制过程中,板材受到两向压应力状态,其应变为高向压缩轧向伸长;而异步轧制过程中,除两向压应力外,由于两轧辊的速度差在轧辊与板材之间摩擦力的作用,使板材还受到一对切应力的作用,其方向为在慢速辊一侧向后,快速辊一侧向前,从而在板材厚度方向产生剪切应变.所以,在道次压下量相同的情况下,一个道次异步轧制所产生的等效应变量要大于普通轧制等效应变量.对于镁合金,在其他条件相同的情况

7、下,应变量的增加有利于其动态再结晶的发生,所获得的组织也将更加细小均匀.b图IAZ31镁合金板材金相组织a)普通轧制;b)异步轧制图2为普通轧制和异步轧制AZ31镁合金板材分别垂直于板法向(ND)和轧向(RD)截面的晶粒取向分布X射线衍射图谱.从图2中可以看出,对于普通轧制板材,在轧制面(0002)基面衍射峰的强度很高,而在横截面则较低(见图2a,b);而对于异步轧制板材,在轧制面(1011)衍射峰与(0002)衍射峰的峰强比则有所提高,在横截面(10lO)衍射峰强度降低,(0002)和(10l1)衍射峰强度增加(见图2C,d).这表明,与普通轧制板材所形成的强烈的(0002)基面晶粒取向相比

8、,异步轧制板材的晶粒取向发生了改变,(0002)基面晶粒状态以及镁合金的塑性变形机理有关.如前所述,与普通轧制相比,异步轧制引入了剪切变形,而在镁合金发生塑性变形时最易发生的是(0002)基面滑移和1012锥面孪生,当温度高于200.C时,1010棱柱面滑移系和10l1)锥面滑移系均可启动,而根据最易变形原则9,虽然试验中板材预热温度为400C,但仍首先发生基面滑移.因此,根据Schmid定律,在应变轧制过程中,(0002)基面在剪切力的作用发生转动,从而使(0002)基面金的研究结果相符_7q.图2AZ31镁合金板材X射线衍射图谱a)普通轧制,ND;b)普通轧制,RDc)异步轧制,ND;d)

9、异步轧制,RD向拉伸普通轧制和异步轧制AZ31镁合金板材名义应力一应变曲线.从图3中可看出,对于普通轧制板材,在发生屈服变形后,拉伸应力很快达到峰值,沿90.方向的峰值应力明显高于0.方向;与普通轧制板材相比,异步轧制板材的屈服强度明显降低而8塑性工程第14卷步轧制导致AZ1镁合金板材晶粒细化和取向改变有关.根据Hall-Petch公式,晶粒细化有助于材料强度的提高,还有助于增强晶粒间协调变形能力,提高材料的塑性.而另一方面,根据镁合金塑性变形机理和Schmid定律,由单向拉伸过程中材料的应力应变状态可知,异步轧制使板材的(OOO2)基面晶粒取向减弱后,有利于(0002)基面滑移和1012)锥

10、面孪生的发生,形成织构软化1.u,从而导外,孪生的发生还可调整材料的晶粒取向,促进滑见,普通轧制AZ31镁合金板材和异步轧制板材流变行为之间的差异是晶粒细化和织构软化综合作用的结果.萤-图3沿不同方向拉伸AZ31镁合金板材名义应力应变瞳线Mgalloysheetsinvariousdirections图4给出了普通轧制和异步轧制AZ31镁合金可以看出,与普通轧制板材相比,异步轧制板材的屈强比明显降低,且3个方向屈强比的变化也有所减小,较小的屈强比对板材在冲压成形中的抗破裂板材屈强比的降低,则可归因于晶粒细化所引起抗拉强度的增加及晶粒取向改变导致屈服强度的降低.图5给出了普通轧制和异步轧制AZ3

11、1镁合金化系数.从图5中可以看出,与普通轧制板材相比,为通过异步轧制,板材的晶粒取向发生改变,在拉伸变形过程中,发生滑移和孪生的塑性变形能力增联噻图4AZ31镁合金板材屈强比与拉伸方向的关系orientationofAZ31Mgalloysheets强,材料内位错密度增加,位错之间的相互作用加冲压成形中,值大不仅能提高板材的局部应变能力,即增大失稳极限应变,而且能使应变分布趋于均匀化,提高板材成形时的总体成形极限.这表明,通过异步轧制可明显提高AZ31镁合金板材的值,改善板材的冲压性能.拉伸方向,.越籁1谣鹱图5AZat镁合金板材值和是值与拉伸方向的关系orientationofAZ31Mga

12、lloysheets看出,普通轧制板材的r值很高且呈现出明显的各向异性;而异步轧制板材的r值则大大降低,各向异性减弱.根据公式:r一(ro.+2r45a+r90口)/4和r一(to.一2r4.+rg.)/2计算可得板材的塑性应变比和制耳参数.由图6结果可得,普通轧制AZ31镁合金板材的r和r值分别为2.043和0.365,异步轧制则分别为1.148和一0.135.在冲压成形过程中,r值大,板材平面方向比板厚方向容易变形,毛坯的径向收缩时不容易起皱,并且变形力也小,传力区5可知,异步轧制后板材的r值降低,将对其冲压成们枷伽枷伽伽蝴l罨第4期张文玉等:异步轧制AZJ1镁合金板材室温冲压性能研究9形

13、产生不利影响.但是,另一方面,异步轧制板材的,值也大大降低,而,值反应了板材在平面内性常会使冲压件口部出现制耳现象,而制耳的大小和位置与Ar有关,它随角度的变化与r值的变化是一致的.在低r值的角度方向,板材变厚,筒壁高度较低.在具有高r值的方向,板材厚度变化不大,故筒壁高度较高.若Ar过大,高r值对板材拉伸性能的有利影响便消失了.冲压后制品如产生制耳,必须切除.这样不仅增加了金属的损耗和切边工序,而且还会因各向异性使冲压件产生壁厚不均,影响板材的r值降低,对其冲压性能产生不利影响,但是其,值也降低,所以,在考虑异步轧制AZ31镁合金板材r值对其冲压性能的影响时,应从r和Ar综合来衡量.丑图6A

14、Z31镁合金板材r值与拉伸方向的关系orientationofAZ31Mgalloysheets上述分析表明,与普通轧制相比,异步轧制对AZ31镁合金板材冲压性能的影响复杂,通过异步轧制可降低其屈强比,提高应变硬化指数,降低制耳参数,但同时也使其塑性应变比降低.因此,在通过异步轧制提高AZ31镁合金板材冲压性能时,应综合考虑异步轧制对这些冲压性能参数的影响,并通过工艺优化来提高异步轧制镁合金板材的冲压成形能力,其中的关键是异步轧制所引入的剪切变形对镁合金板材晶粒细化和取向改变的作用.3结论本文通过单向拉伸试验,对普通轧制和异步轧制AZJ1镁合金板材室温冲压性能进行了研究,主要结论如下:1)在相

15、同的工艺条件下,异步轧制有利于板材7.6Fm.2)由于异步轧制过程中剪切变形的作用,异步轧制使板材的(0002)基面晶粒取向减弱.3)与普通轧制相比,异步轧制板材的应变硬化能力增加,屈服强度降低,制耳参数减小,但塑性应变比也降低.参考文献offormabilityfromroomtemperaturetowarmtemperatureinAZ-31magnesiumalloyJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004.(155156):13131316rolledAZ31MgalloysheetwithcontrolledtextureJ.Mat

16、erialsLetters,2006.60,173176anddeformationtexturesinlowstackingfaultenergymaterialsJ.InternationalJournalofPlasticity,2001.17.83786O4RPoss.SheetmetalproductionofmagnesiumJ.MaterialsScienceForum,2003.(419422):327336crostructuralEvolutionduringLargeStrainHotRo11一insofanAM60MgAlloyJ.ScriptaMaterialia.2

17、004.5O,661665duringlarge-strainhotrollingoftheAZ61MgalloyJ.MaterialsScienceandEngineering,2003.(A355):6878structurechangesinasymmetricallyhotrolledAZ31magnesiumalloysheetsJ.MaterialsLetters,2005.59.3876388OrollingofanAZ31magnesiumalloyandtheresultingmechanicalpropertiesJ.JournalofMaterialsScience,20

18、04.39,14771480MgAlloysJ.MaterialsScienceForum,2003.(419422):189194mentanditseffectonmechanicalpropertiesofanAZ61Mgalloyfabricatedbyequalchannelangularpressing10塑性工程第14卷J.ActaMaterialia,2003.51,32933307structuralFactorsonTensilePropertiesofanECAE-ProcessedAZ31MagnesiumAlloyEJ.MaterTrans.2003.44(4):46

19、8475SlidinginAZ31MagnesiumAlloysatRoomTemperatureto523Kl,J.MaterialsTransactions,2003.44(4):445451non-basalslipinmagnesiumalloyAZ31Bl,J.Intema-tionalJournalofPlasticity,2005.21,11611193mechanismsinamagnesiumalloybyneutrondiffractionandmodelingl,J.ScriptaMaterialia,2003.48,1003,10081,15王占学.塑性加工金属学M.北

20、京:冶金工业出版社,1,16肖景容,姜奎华主编.冲压工艺学M.北京:机械工业ResearchondrawabilityofAZ31magnesiumalloysheetprocessedbydifferentialspeedrollingatroomtemperatureZHANGWenyuLIUXianlan(DepartmentofMechanicalEngineering,HunanInstituteofTechnology,Hengyang421002China)CHENZhenhuaSchoolofMaterialScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082China)Abstract:Theobjectiveofthisstudyistoinvestigatethemethodofimprovedd