az31镁合金微观组织演变规律研究

az31镁合金微观组织演变规律研究

目前，镁合金板生产工艺主要包括铸造和研磨、加热和研磨。用挤压开坯主要有利于克服镁合金塑性差、降温快而易产生边裂和裂纹的缺点。镁合金挤压在挤压筒中进行,温降小,而且其应力状态和轧制应力状态相比较,虽然都是三向压应力状态,但挤压应力状态更接近静水压力,因此,材料发生破坏的概率比轧制低。所以说,大部分镁合金型材都用挤压方法来生产。但是板材,特别是宽板挤压开坯后仍用轧制法来展宽,所以说挤压开坯轧制是较为先进的镁合金板材生产工艺。镁合金板材的综合力学性能主要取决于板材的微观组织和晶粒的择优取向(织构)。因为镁合金中一旦形成织构,室温时将呈现明显的织构倾向和各项异性,对材料的塑性变形行为、加工性能以及力学性能都产生很大的影响。目前,国内外加大了对镁合金织构的研究力度,对塑性变形及退火过程中镁合金织构的演变规律及织构对镁合金力学性能的影响等作了大量研究。但就挤压开坯板在轧制过程中微观织构的形成及其演变规律尚没有完整的研究报道,所以很有必要研究和分析挤压开坯轧制过程中微观组织的变化和织构的演变。本文通过EBSD技术对此工艺过程进行微观表征及分析,以掌握挤压开坯轧制镁合金板材微观组织和织构的演变规律及其形成机理,从而实现在实际生产中控制板材织构、优化板材力学性能的目的。1金相微机械研磨mat-1.3微观组织观察实验所选用的材料为AZ31镁合金铸锭。铸锭经过退火,在1250t挤压机上挤压成3mm厚,180mm宽的板坯,挤压时铸锭温度390℃,挤压比为35:1。挤压坯在ue788360mm×800mm双棍轧机上沿着挤压方向(ED)进行轧制,轧制工艺如图1所示。将挤压态、轧制态、退火态试样制成金相试样,经机械研磨和抛光后,用苦味酸(5.0g)、冰乙酸(5mL)、乙醇(90mL)和蒸馏水(10mL)的混合液腐蚀后在Axiovert40MAT光学显微镜下进行显微组织观察。利用EBSD系统和牛津仪器公司的OxfordInstruments-HKLChannel5软件包对样品表面进行分析。EBSD试验前对样品进行电解抛光,电解抛光液为AC2抛光液,抛光电压为20V,电流约为0.3A,时间为50~60s,温度为20℃。2结果与分析2.1纵轧板晶粒的显微组织图2(a)所示为挤压板坯显微组织。从图2中可以看出,挤压板坯的组织基本为等轴状晶粒,晶粒大小分布较均匀。挤压板坯经过纵轧后显微组织主要由变形组织、孪晶及少量细小的动态再结晶晶粒组成,如图2(b)所示。从图中还可以观察到大部分的晶粒内部存在很多孪晶。孪晶类型可以通过EBSD判定,如图3所示。图3(a)线条表示{1011}压缩孪晶,(b)线条表示{1012}拉伸孪晶,图3(c)线条代表{1011}-{1012}二次孪生,其中压缩孪晶较少,拉伸孪晶和二次孪生较多。纵轧板经过退火后,孪晶等变形组织发生静态再结晶,转化为新的等轴再结晶晶粒,如图2(c)所示。退火后的纵轧板横轧至1.42mm厚,其显微组织如图2(d)所示。从图中可以发现轧板组织中几乎看不到完整的晶粒,整个区域都被拉长的孪晶和剪切带所覆盖。对其退火后,孪晶消失,晶粒变得很细小,呈现出很均匀的等轴晶,如图2(e)所示。2.1.1原代挤压棒材纤维织构挤压板坯AZ31镁合金的{0002}极图如图4(a)所示。由图4可见,在挤压变形过程中,AZ31镁合金形成了{0002}纤维织构,{0002}基面平行于挤压方向(ED)。但其纤维织构与挤压棒材形成的纤维织构有所区别,大量研究表明,挤压制品的断面形状不同所形成的纤维织构也不同。这是因为挤压棒材时应力和应变为轴对称状态,基面平行于挤压方向,这种织构特征晶粒的取向自由度大,晶粒可以围绕挤压方向发生360°转动;而挤压板材时由于应力和应变不对称,基面平行于挤压板表面,使晶粒的取向自由度减小,加之挤压板材时板面和侧面受力不一样,则形成了特殊的纤维织构。2.1.2横向动态压制对织构分布特征的影响图4(b)为2.55mm纵轧板{0002}极图。从图中可以看出纤维织构逐渐向基面织构转化。产生这种现象是由于挤压时镁合金内形成了强烈的{0002}基面织构,轧制过程中基面滑移变得非常困难,而非基面滑移的临界分切应力CRSS(CriticalResolvedShearStress)又较高,不易启动,此时为了协调变形,孪生被激活,孪生可以使晶粒偏转一定的角度,不同类型的孪晶偏转角度也不相同。因此{1011}孪生、{1012}孪生和{1011}-{1012}二次孪生的发生,改变了晶粒取向,引起了晶粒转动,使不利于滑移和孪生方向的晶粒重排。所以,挤压板坯经过一道次的纵向轧制后,纤维织构逐渐向基面织构转化(图4b)。退火后,织构的分布特征几乎没有变化,这说明在420℃退火对{0002}基面织构分布特征影响不大,如图4(c)所示。2.55mm纵轧板在横向轧制至1.42mm厚的过程中,变形量较大。由于变形程度的增大,不均匀变形引起的应力集中程度增大,于是产生了大量的{1011}孪生和{1012}孪生。在孪生变形过程中,{1012}孪生使晶粒转动86.3°,使转动后的晶粒处于{1011}孪生的有利取向,于是在{1012}孪生的晶粒内又发生{1011}孪生。当孪晶达到一定比例时,初生孪晶内部的二次滑移和孪晶可以产生较大的应变,使得滑移—孪生和孪生—孪生的交互作用从能量上变得可行。因此,在随后的横向轧制过程中,由于大量孪晶的作用,纤维织构转化为轧制板材常见的基面织构,大部分晶粒的C轴平行于ND方向,使板材形成了典型的{0002}基面织构。退火处理对织构的分布特征几乎没有影响,仅仅使织构的基面极密度降低,如图4(d)所示。从图中可以看到{0002}基面平行于轧面,极密度的峰值方向与板面法向一致,形成了比较强的基面板织构。3变形方式对织构的影响1)AZ31镁合金挤压板热挤压后的组织基本为等轴晶,晶粒大小分布较均匀,平均晶粒尺寸为19.5μm。轧制后的组织中出现了大量的孪晶;退火后,孪晶等变形组织消失,转化为细小的等轴晶,平均晶粒尺寸为9.5μm;2)在挤压变形过程中,AZ31镁合金形成特殊的纤维织构,{0002}基面平行于挤压方向;3)挤压板经过纵轧后,