分享：AZ31B镁合金板热成形温度优化及合理温度下 成形件的组织与性能

呼 啸,魏瑞刚,阳代军,徐宋娟,孙宏波 (首都航天机械有限公司,北京 100076) 

摘 要:研究了温度对 AZ31B镁合金板显微组织与拉伸性能的影响,分析了不同温度热成形件 的成形质量,确定了合理的热成形温度并研究了该温度下热成形件的显微组织与拉伸性能。结果 表明:200 ℃热处理后 AZ31B镁合金板能较好地保持细小等轴晶组织,随温度升高,晶粒明显粗 化;随温度升高,合金的强度下降而塑性提高,200 ℃时即可具有良好的塑性和成形性能;热成形温 度越高,成形件的成形质量越好,200 ℃时热成形件具有较高的表面质量和较小的回弹变形量; 200 ℃为 AZ31B镁合金板较为理想的热成形温度,该温度下成形件晶粒发生细化,屈服强度和断 后伸长率提高。

 关键词:AZ31B镁合金;热成形;力学性能;显微组织 中图分类号:TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)01-0079-06 

0 引 言 

航天工业技术的高速发展对飞行器提出了更高 的要求,不仅要求飞行器具有更高的安全可靠性及 更优的机动性,还要求具有更强的续航能力及更高 的经济性[1-2]。因此,轻量化已成为新一代航天飞行 器发展的重点。为此,国内外开展了大量轻量化结 构材料的研发及应用研究[3-4]。镁合金因具有密度 低、比强度和比刚度高、阻尼性能好、电磁屏蔽效果 佳、零件尺寸稳定等优异性能,已成为目前航天器轻 量化首选的材料之一,具有良好的应用前景[5]。但 镁合金具有密排六方结构,与其他合金材料相比,结 构对称性较低,在室温下很难进行塑性变形[6]。但 是,在一定的温度下,镁合金板具有良好的塑性变形 79 呼 啸,等:AZ31B镁合金板热成形温度优化及合理温度下成形件的组织与性能 能力,能冲压成形较复杂形状的产品。LEE 等[7]和 DOEGE等[8]研究表明,在高温下 AZ31和 AZ61镁 合金板的塑性显著提高,具有较好的成形性能。陈 振华等[9]和于彦东等[10]研究发现,AZ31镁合金板 的成形性能随成形温度升高而提高,高温下具有较 好的拉深成形性能。利用材料在一定温度下屈服软 化、断后伸长率增大的特性来实现难变形材料和复 杂形状零件的成形,是实现镁合金材料成形的有效 方法之一。邹瑞等[11]和王紫雯等[12]研究发现,压边 力、模具间隙、模具温度等热成形工艺参数均会影响 AZ31B镁合金板的成形质量。然而,目前对镁合金板 的合理热成形温度研究较少。因此,作者着重开展了 温度对 AZ31B镁合金板组织、性能及成形质量的影 响,确定了较优热成形温度,并研究了该热成形温度 下 AZ31B镁合金成形件的显微组织和力学性能。

 1 试样制备与试验方法

 试验材料为国内某公司生产的长1000mm,宽 500mm,厚2.0mm 的 AZ31B镁合金板,其化学成 分(质 量 分 数/%)为 3.6Al,0.9Zn,0.23Mn,0.002Cu, 0.01Si,0.001Zr,余 Mg,属于 Mg-Al-Zn-Mn系镁合 金[13]。AZ31B 镁 合 金 板 的 抗 拉 强 度 不 低 于 250MPa,屈服强度不低于150MPa,断后伸长率不 低于12%。 将 AZ31B镁合金板分别在200,300,400 ℃下 保温10min,空冷至室温后,采用线切割截取金相 试样,经打磨、抛光,用体积分数5%硝酸和乙二醇 混合溶液腐蚀后,采用ZeissObeserverZ1m 型光学 显微镜(OM)观察显微组织。按照 GB/T228.2- 2015,采用线切割在镁合金板上分别沿横向(垂直于 轧制方向)和纵向(平行于轧制方向)截取拉伸试样, 标距为35mm,采用 CMT5105型微机控制电子万 能试验机进行高温拉伸试验,拉伸速度为 3 mm· min -1,试验温度为室温和100,150,200,250,300, 350,400 ℃,拉伸前保温10min。 采 用 HF/SPE-ZC300 型 热 成 形 试 验 机 对 AZ31B镁合金板进行热成形得到盒形热成形件,热 成形工艺如图1所示,热成形温度分别为120,200, 300℃。热成形件底面尺寸为190mm×150mm, 高度为50mm,壁厚为2mm。 图1 AZ31B镁合金板热成形工艺过程示意 Fig 1 DiagramofhotformingprocessofAZ31Bmagnesiumalloysheet 在成形 件 中 部,沿 垂 直 于 镁 合 金 板 轧 制 方 向 的不同位置上截取金相试样,取样位置如图2(a) 所示,用体积分数5%硝酸和乙二醇混合溶液腐蚀 后,使用 OM 观察 显 微 组 织。采 用 线 切 割 法 垂 直 于轧制方向在200 ℃热成形件的不同区域(1~7) 截取拉伸试样,取样位置如图2(b)所示,尺寸如图 2(c)所示,采用 CMT5105型微机控制电子万能试 验机 进 行 室 温 拉 伸 试 验,拉 伸 速 度 为 3mm· min -1。 

 2.1 温度对显微组织的影响 

由图3可以看出:未热处理 AZ31B镁合金板 的显微组织 主 要 由 大 小 不 均 匀 的 等 轴 晶 粒 组 成, 晶 粒 尺 寸 为 10~40 μm,形 成 的 β 析 出 相 (Mg17Al12 相)较 少[14] ;200 ℃ 热 处 理 后 的 显 微 组 织变化不大,等轴晶粒尺寸仍为 10~40μm,析出 相的 分 布 也 没 有 明 显 变 化;当 热 处 理 温 度 达 到 300,400 ℃时,镁 合 金 板 的 显 微 组 织 发 生 了 明 显 的变化,主要表现为大尺寸晶粒的数量明显增多, 晶粒的最大尺寸达到了50μm,且析出相的分布更 加弥散。对比 可 知,200 ℃ 为 AZ31B 镁 合 金 板 较 为理想的加 热 温 度,该 温 度 下 能 够 较 好 地 保 持 细 小的显微组织。 

2.2 温度对拉伸性能的影响 

由图4 可以看出:随着试验温度升高,AZ31B 镁合金的抗拉强度和屈服强度降低,且抗拉强度和 屈服强度之间的差值逐渐减小,在400 ℃拉伸时的 抗拉强度与屈服强度趋于一致;断后伸长率随试验 温 度升高而急剧增大,温度升至200℃其横向和纵 80 呼 啸,等:AZ31B镁合金板热成形温度优化及合理温度下成形件的组织与性能 图2 成形件上金相试样和拉伸试样取样位置示意及拉伸试样尺寸 Fig 2 Diagramofsamplinglocationsofmetallographicspecimens a andtensilespecimens b anddimensionoftensile specimen c 向断后伸长率即分别增至98.8%和95.8%,这说明 高温下 AZ31B镁合金具有良好的塑性和成形性能。 镁合金属于密排六方晶体结构,室温下滑移系少,塑 性变形时只有基面和角锥面发生孪生;当温度达到 200℃及以上时,棱柱滑移系{101 -0}<112 -0>被激活, 塑性提高[15]。当温度升高时,镁合金中的金属原子 热振动振幅增大,原子之间的结合力降低,因此强度 降低,变形抗力降低[16] ;另外,金属在高温下将发生 回复和再结晶,消除材料因塑性变形而产生的加工 硬化,降低变形抗力,因此镁合金的抗拉强度和屈服 强度降低,而断后伸长率提高。 

2.3 温度对成形质量的影响 

由图5 可以看出:在 120 ℃ 热成形时,AZ31B 镁合金板料的抗变形能力较弱,成形件圆角外侧(箭 头所指位置)受拉应力的作用产生裂纹;在200℃和 300 ℃热成形时,镁合金板料的塑性提高,热成形能 力增强,成形质量得到提升,热成形件上均未观察到 裂纹。AZ31B镁合金板在200 ℃热成形就能获得 较为理想的表面质量。 在120,200,300 ℃下热成形件的回弹角分别 图3 不同温度热处理前后 AZ31B镁合金的显微组织 Fig 3 MicrostructureofAZ31Bmagnesiumalloybefore a andafter b—d heat-treatmentatdifferenttemperature 图4 不同温度下 AZ31B镁合金在不同方向上的拉伸性能 Fig 4 TensilepropertiesofAZ31Bmagnesiumalloyindifferentdirectionsatdifferenttemperatures a horizontaldirectionand b verticaldirection 为7.6°,1.9°,1.0°。随着成形温度升高,成形件的回 弹变形量逐渐减小,侧面与底面的垂直度越好,如 图6所示。回弹是板材弯曲成形中无法避免的现 象[17]。低温成形时,镁合金板的屈服强度较大,成 形后仍然存在较大的弹性变形,弹性变形恢复致使 成形件产生较大的回弹量。高温下屈服强度降低, 81 呼 啸,等:AZ31B镁合金板热成形温度优化及合理温度下成形件的组织与性能 图5 不同温度热成形后成形件的外观 Fig 5 Appearanceofpartshotformedatdifferenttemperatures 图6 不同温度热成形后成形件的侧视图 Fig 6 Lateralviewofpartshotformedatdifferenttemperatures 弹性变形量减小,因此回弹量降低[18]。综上可知, AZ31B镁合金板在200 ℃下热成形能获得较为理 想的成形尺寸精度。 

 由 图7可以看出:200 ℃热成形件不同位置处 的显微组织均为细小的等轴晶,大部分晶粒尺寸在 5~10μm,个别晶粒尺寸为20μm,与原始 AZ31B 镁合金板相比,晶粒明显得到细化,这是由于热成形 过程中材料发生了动态再结晶[19-20] ;热成形件侧面 (金相试样3)因成形时发生拉伸变形,变形程度比 图7 200 ℃热成形件在不同位置处的显微组织 Fig 7 Microstructureatdifferentpositionsofpartshotformedat200 ℃ a metallographicsample1 b metallographicsample2 c metallographicsample3 d metallographicsample4and e metallographicsample5 82 呼 啸,等:AZ31B镁合金板热成形温度优化及合理温度下成形件的组织与性能 其他部位大,再结晶更加充分,因此显微组织更加均 匀、细小。 图8中虚线部分表示原始 AZ31B 镁合金板的 拉伸性能测试值范围,抗拉强度在287~289MPa, 平均值为288MPa,屈服强度在180~206MPa,平 均值为193MPa,断后伸长率在15.8%~21.3%,平 均值为18.4%。由图8可以看出,200 ℃热成形件 的抗拉强度接近原始镁合金板抗拉强度范围的下 限,平均抗拉强度降低约2.1%,但屈服强度接近镁 合金板屈服强度范围的上限,平均屈服强度提高约 7.3%,且热成形件侧面(位置2,6)的抗拉强度和屈 服强度较其他区域更高;热成形件的断后伸长率大 多在原始镁合金板断后伸长率的范围内,平均断后 伸长率提高了两个百分点,热成形件侧面的断后伸 长率接近原始镁合金板断后伸长率范围的上限。在 热成形过程中,AZ31B 镁合金的晶粒得到细化,屈 服强度得到了一定的提升。此外,热成形件侧面的 显微组织与其他位置相比更加细小均匀,因此表现 出更好的拉伸性能。 图8 200 ℃热成形件在不同位置处的拉伸性能 Fig 8 Tensilepropertiesatdifferentpositionsofpartshot formedat200 ℃ 

3 结 论

 (1)未热处理 AZ31B 镁合金板的显微组织由 晶粒尺寸为10~40μm 的等轴晶粒和弥散分布的 Mg17Al12 析出相组成,200 ℃热处理后的显微组织 变化不大,热处理温度高于300℃时晶粒明显粗化; 随着温度升高,AZ31B镁合金板的抗拉强度和屈服 强度 降 低,塑 性 显 著 提 高,温 度 升 至 200 ℃ 时, AZ31B镁合金板即具有良好的塑性和成形性能;热 成形温度越高,盒形成形件的成形质量越好,200 ℃ 热成形件的表面无裂纹,回弹变形量较小,成形尺寸 精度较高。因此,AZ31B镁合金板较为理想的成形 温度为200 ℃。 (2)200 ℃热成形时,AZ31B 镁合金发生动态 再结晶,成形件的晶粒得到明显细化,且尺寸更加均 匀,绝大部分晶粒尺寸在5~10μm,个别晶粒尺寸 为20μm;成形件的抗拉强度与原始镁合金板相比 降低了2.1%,但屈服强度提高了7.3%,断后伸长 率提高了2个百分点。 

来源：材料与测试网