任健斌, 王 昆, 梁 伟, 聂慧慧, 李线绒

(1. 太原理工大学 材料科学与工程学院, 山西 太原 030024;2. 太原理工大学 先进镁基材料山西重点实验室, 山西 太原 030024;3. 太原理工大学 机械与运载工程学院, 山西 太原 030024)

镁及镁合金作为21世纪新型绿色结构材料,是继钢铁、铝之后新兴的第三大金属材料。镁合金的广泛应用可以有效推进汽车行业和3C行业的转型发展。由于镁合金具有低密度、高比强度和比刚度、易成形加工等优异性能,使其具有巨大的开发潜力和商业价值[1]。镁为密排六方(Hexagonal close packed, HCP)晶体结构,对称性低,室温仅有2个独立的滑移系可开动,而根据Von Mises准则,均匀变形须有5个独立的滑移系[2],所以在室温下,镁合金的加工性能差。由于可动滑移系较少,孪生在镁合金变形过程中占据着重要的地位[3]。商用镁合金通常通过热轧或热挤压技术进行加工,板材在变形过程中由于存在择优取向,大部分镁合金晶粒发生偏转,在平行于轧向面形成了一层基面织构,板材表现出强烈的各向异性并导致其室温下的可成形性差。研究发现拉伸孪晶可使晶粒取向发生86.3°偏转,弱化基面织构,有效改善镁合金的塑性成形性能[4-6]。所以在大尺寸商用轧制镁板中可通过预置大体积分数的拉伸孪晶有效提高镁合金的成形性能。本文采用弯曲矫直工艺在厚度为1.5 mm的ZK60镁合金薄板中预置拉伸孪晶,研究不同预变形路径对板材组织以及力学性能的影响。

1 试验材料及方法

图1 弯曲矫直工艺示意图

根据ASTM-E8M《金属材料拉伸试验方法》,在原始热轧板上分别沿RD和TD方向切割拉伸试样,记为AR-RD和AR-TD试样,在沿RD方向弯曲矫直后的板材上分别沿RD和TD方向切割拉伸试样,记为RD-RD和RD-TD试样,在沿TD方向弯曲矫直后的板材上分别沿RD和TD方向切割拉伸试样,记为TD-RD和TD-TD试样,拉伸试样尺寸如图2所示。利用CMT5250万能试验机进行室温拉伸试验,用引伸计控制拉伸速度为0.5 mm/min,得到不同预变形方式下板材的拉伸曲线,并用TESCAN Mira 3场发射扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。另在原始热轧板和沿RD、TD方向弯曲矫直后的板材上切取6 mm×8 mm的金相试样,分别将RD-ND面和TD-ND面用1000、2000、3000、4000号砂纸打磨光亮,然后用苦味酸酒精溶液进行腐蚀,在Leica DM2500光学显微镜下观察微观组织。

图2 拉伸样尺寸示意图

2 试验结果及分析

2.1 微观组织

图3为不同弯曲矫直方向下ZK60板材的显微组织。由图3(a)可知,ZK60镁合金热轧板的原始组织晶粒大小分布不均匀,小晶粒围绕在大晶粒周围且无任何拉伸孪晶。由图3(b～e)可见,热轧板沿TD和RD方向弯曲矫直后均会使板材产生大量的透镜状拉伸孪晶,拉伸孪晶大部分产生在大晶粒中,而且相互平行,这是由于孪生的发生对晶粒尺寸比较敏感,大晶粒晶界较长,位错滑移行程大,在变形过程中位错难以绕过晶粒,这会导致在晶界上的应力集中处进行孪生[7-8]。沿RD方向弯曲矫直后产生的拉伸孪晶数量要多于沿TD方向弯曲矫直后产生的,沿TD方向弯曲矫直后,TD-ND面的拉伸孪晶最少(如图3(e)所示),沿RD方向弯曲矫直后,TD-ND面的拉伸孪晶最多(如图3(c)所示),拉伸孪晶基本贯穿整个母晶,但止于母晶界,这是由于孪晶形核后,释放了大部分应力,而后续传递的应力不足以支撑激发形核后的孪晶快速长大并穿过晶界。而且应力由一个晶粒传递到相邻晶粒时,跨越晶界遇到阻碍,会消耗部分能量,从而影响应力的进一步传递[9-10]。

2.2 力学性能

不同变形路径下ZK60板材的工程应力-应变曲线和力学性能如图4和表1所示。由图4(a)可以看出,沿RD方向进行拉伸试验时,热轧板沿TD方向进行弯曲矫直后表现出更高的屈服强度和抗拉强度,且应力-应变曲线与原始热轧板相似,而沿RD方向进行弯曲矫直后表现出低屈服强度和高抗拉强度,这是由于沿TD方向弯曲矫直产生的拉伸孪晶很少(如图3(e)所示),取而代之的是产生了晶粒尺寸更小的动态再结晶,而沿RD方向弯曲矫直产生的拉伸孪晶较多(如图3(c)所示),而拉伸孪晶的出现改变了材料中晶粒取向,弱化了基面织构且拉伸前期以退孪生为主,发生退孪生所需要的临界分切应力(CRSS)较小所以屈服强度大大降低[11]。由图4(b)可以看出,沿TD方向进行拉伸时热轧板沿RD和TD方向进行弯曲矫直后的屈服强度和抗拉强度均有所提高。需要指出的是,由于图3(c, e)示出的TD-ND面对应拉伸试样的侧面,因此图4(a)中TD-RD和RD-RD试样的应力-应变曲线与图3(c, e)所示TD-ND面相对应,相应地,图4(b)中TD-TD和RD-TD试样的应力-应变曲线与图3(b, d)所示RD-ND面相对应。

图4 不同变形方式下ZK60镁合金的应力-应变曲线

表1 不同变形方式下ZK60镁合金板材的力学性能

由表1可以看出,ZK60镁合金板材在沿RD和TD方向进行弯曲矫直试验时的力学性能差异较大。在沿RD方向进行拉伸试验时,沿RD方向弯曲矫直获得的试样屈服强度降低,抗拉强度升高,而沿TD方向弯曲矫直获得的试样屈服强度大幅度升高,抗拉强度同样升高;在沿TD方向进行拉伸试验时,不论是沿RD或TD方向进行弯曲矫直,其抗拉强度和屈服强度均得到提高。另外,热轧板经过弯曲矫直后表现出较高的应变硬化指数(n值)和较低的塑性应变比(r值),低的屈强比有利于镁合金板的冲压变形[12],使板材的均匀变形能力和室温下的塑性成形能力得到提高。

2.3 断口形貌

图5为不同弯曲矫直方向下ZK60板材的拉伸断口形貌。可以看出,热轧板经弯曲矫直后的拉伸断口均存在少量的解理平台和大量韧窝,断裂形式以塑性断裂为主。沿TD方向拉伸时断口中的韧窝数量明显比沿RD方向拉伸时的多,且韧窝尺寸较小,解理平台也较少,这与图4所示应力-应变曲线中表现为更高的应变量相对应。另外,在RD-RD试样的断口中有较大面积分数的解理面且韧窝分布不均匀,而在RD-TD试样的断口中韧窝分布均匀且没有大块面积的解理平台,这与图4中RD-TD试样的应力-应变曲线表现出更好的塑性和抗拉强度相对应。

图5 不同变形方式下ZK60镁合金板材的拉伸断口形貌

3 结论

1) 通过弯曲矫直在ZK60镁合金板材中成功预置大体积分数拉伸孪晶,弯曲矫直方向不同会对原始热轧板中预置拉伸孪晶的体积分数造成影响,其中沿RD方向弯曲矫直后产生的拉伸孪晶体积分数高于沿TD方向弯曲矫直。

2) ZK60镁合金板材在沿RD方向进行拉伸试验时,沿RD方向弯曲矫直获得的试样屈服强度降低,抗拉强度升高,而沿TD方向弯曲矫直获得的试样 屈服强度大幅度升高,抗拉强度同样升高;在沿TD方向进行拉伸试验时,不论是沿RD或TD方向进行弯曲矫直,其抗拉强度和屈服强度均得到提高。

3) ZK60镁合金板材弯曲矫直后的拉伸断裂形式以塑性断裂为主。RD-TD试样的断口中韧窝分布均匀且没有大块面积的解理平台,塑性最好。

4) 通过弯曲矫直,ZK60镁合金板材表现出较高的应变硬化指数(n值)和较低的塑性应变比(r值),改善了板材均匀变形的能力和提高了室温下的塑性成形能力。