退火处理对AZ31镁合金轧制板材组织与冲压性能的影响.pdf

第5 8 卷第l 期 20O6 年2 月 有色金属 N o n l e 玎o u sM e t a l s V o I5 8 ．N 0 1 Y e b r u a 『y20 06 退火处理对A Z 3 1 镁合金轧制板材 组织与冲压性能的影响 程永奇，陈振华，夏伟军，傅定发 湖南大学材料科学与工程学院，长沙4 1 0 0 8 2 摘要研究不同退火工艺下A Z 3 1 镬台盒轧制板材显擞组錾 以厦冲压性能。结果表明，单向轧制板材．经退火处理后，由 于发生了再结晶，孪晶消失，板材品拉形状由退火髓的扳条状演变为追业后的等轴状．随退火强度升高和遇火时问延长，部分晶粒 发生了长大，但仍有部分细晶存在。诅火处理后，板材屈强比降低．n 值和R 值升高．表明退火处理可有效改善板材的冲压性能。 经2 0 B ℃、1 h 退火赴理的板材，冲压性能改善最为明显。 关键词金属材料；A Z 3 1 镁合金；退火处理；轧制板材；显敖组织；冲压性能 中图分类号T G l 4 62 2 T G l l 55 2 T G l l 31 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 1 0 0 0 5 0 5 镁合金作为一种最轻的金属结构材料，以其独 特的优点得到了越来越广泛的应用，镁合金板材的 应用前景更加广阔。一般，在冲压工艺中，为了获得 优异的冲压性能，通常要求板材具有小的屈强比、大 的应变硬化指数、大的塑性应变比和小的制耳参数， 而通过制定合理的镁合金板材热处理工艺，可有效 地控制和改善上述性能参数，提高板材冲压性能。 目前，镁台金冲压工艺方面已有一定的研 究[ 1 。J ，但对如何改善、提高镁合金板材冲压性能 的研究却鲜见报道。在实际生产中，多采用单向轧 制的形式制备板材，会对其冲压性能产生不利的影 响。研究不同退火工艺对单向轧制A Z 3 1 镁合金板 材组织与冲压性能的影响具有特别重要的意义。 1 买验方法 试验所用单向轧制A Z 3 1 镁合金板材经铸造一 挤压一轧制的工艺制得，台金的名义成分为M g3 ％ A l08 ％Z n 。0 ．4 ％M n 。 试验中退火处理工艺如表1 所示。用X J L 一0 3 型金相机观测退火前后A Z 3 1 镁合金板材的组织。 浸蚀剂配方为5 9 苦味酸 5 9 冰醋酸 1 0 m 1 ．蒸馏 水 8 0 m L 无水乙醇。在W D W E 2 0 0 微机控制电 子万能试验机上，通过单向拉伸试验对板材冲压性 收穑日期2 0 0 4 1 0 2 8 基金项目瑚商省科技重大专项计划资勖项目 0 4 G K l 0 0 8 1 ；朔南 省科技厅重点资助项目 0 3 J K Y l 0 1 6 作者简介程永奇 1 9 8 0 一 ．男，河南南阳市 ．硕士生，主要从事 镁金塑性成形等方面的研究。 能进行测定。拉伸试样按照G B ／T 4 3 3 8 1 9 9 5 金属材 料高温拉伸实验方法规定在D K 7 7 1 6 0 D 型电火花线 切割机上制得，标距部分尺寸为2 5 n m l 长 8 m m 宽 。板材的应变硬化指数n 和塑性应变比R 根据 G B 5 0 2 8 培5 金属薄板拉伸应变硬化指数 ”值 试验 方法和G B 5 0 2 7 8 5 金属薄板塑性应变比 r 值 试 验方法进行测定、计算，并利用田浩彬等【4 ’提出的三 点法对所得”值和R 值进行验证。 表1A Z 3 1 镁合金板材退火处理工艺 T a b l el A n n e a l i n gt e c h n o l o g yo fA Z 3 1m a g n e s i u ma l l o ys h e e t 2 试验结果与分析 2 ．1 退火处理后板材的组织 试验中所用单向轧制A Z 3 1 镁台金板材退火前 后金相组织如图1 所示。从图1 可以看出，未作退 火处理的单向轧制板材 D R 试样 ，晶粒多呈不规 则的长条状，除了部分2 ～6 , u r n 的等轴细晶外，多数 为l O ～1 8 , u r n 不规则的较大晶粒，且部分晶粒内部 有大量的不同形态的挛晶存在。经过2 0 0 “ 2 、1 h 退 火处理 D H T 2 1 后，晶粒开始趋向于均匀化，其中 2 - - 5 ／* m 的等轴细晶约占一半左右，但存在一些8 ～ 1 2 “m 的比较粗大的长条状晶粒。D H T 2 4 试样 2 0 0 ℃、4 h 退火 与D - H T 2 1 试样相比晶粒趋向于 万方数据 有色金属第5 8 卷 等轴化并且部分开始长大。在经过3 0 0 5 C 、】h 退火 处理 DH T 3 1 后，晶粒基本呈等轴状，约一半的晶 粒得到细化但亦有部分晶粒长大。而D H T 3 4 试样 则可看到晶粒明显长大。 a ，一单向轧删未退火世理惫． b 一单州轧删．2 0 0 ℃、l h 堪必 态． c 一单向轧制，2 0 0 ℃、4 h 通火态 d 一单向轧制，3 0 0 K 。‘、1h 退火悫， e 单向轧制，3 0 0 ℃、4 h 退火惫 图1 不同条件下A Z 3 1 镁合金板材金相维织 F i gI M i c r 峭l r u c t u r eo fA Z 3 1m a g n e s i u ma tv a r i o u ss t a t e 这表明，对于单向轧制A Z 3 1 镁台金板材，由于 轧制过程中，板材沿厚度方向和轧制方向的变形量 太子宽度方向的变形量，所以品粒被拉长，多呈长条 状。试验所制备的板材，在轧制过程中应变速率较 大 约4 ～5 s 。1 ，且轧棍表面为冷态，会在轧制板材 “1 2 l D R 1 0 1 1 r I 而1 I． 2 0 “。1 表面产生激冷状态，所以导致了大量孪晶的产生。 经退火处理后，晶粒趋向于等轴化，并部分发生长 大，且在3 0 0 ℃较2 0 0 ℃明显，4 h 较1 h 明显，随着退 火温度的升高和退火时间的延长，虽然部分晶粒存 在长大现象，但仍有许多细小的晶粒形成，这说明在 退火过程中发生了再结晶。因为，在轧制过程中，板 材的最后一个道次的下量约为2 0 ％，远大于金属一 般发生再结晶的临界变形程度 2 ％～8 ％ 。由于变 形程度很大，镁合金板材的储存能增加较大．从而使 再结晶驱动力增加，导致生核率与长大率同时增加， 但在变形量较大时，由于生核率的增加速率大于长 大率的增加速率，故发生再结晶后，晶粒得到细化， 但也有部分晶粒长大．而晶粒的长大则是因为发生 了二次再结晶的原因。 同时亦可看到，经退火处理后，样品孛的孪晶基 本消失。这是因为挛晶作为异质形核的核心，在退 火过程中，由于再结晶的发生，形成了新的晶粒。而 孪晶的消失，对板材性能的影响是多方面的。 J ．K o i k e 等_ 5 1 亦认为，孪晶在镁合金的塑性变形过 程中的作用是双重的，一方面李晶可提供附加的独 立的滑移系，形成同复区，有利于材料塑性的提高， 另一方面，孪晶使晶粒细化并阻碍位错运动，从而导 致加工硬化，孪晶还产生应力集中区和失效区，则使 材料的韧性降低。 采用Xr a y 衍射对A Z 3 l 镁合金板材进行晶体 学取向分析表明，退火前后，除各衍射峰强度有所变 化外，平行于轧制面的晶体学取向并未发生明显的 变化， 0 0 0 2 晶面取向占主导地位，图2 给出了D R 试样和D H T 2 1 试撵的xr a y 衍射峰图谱，其他三 种退火处理的试样衍射图谱除各衍射峰强度有所降 低外，均与D I I T 2 1 的类似。这表明，在试验中的退 火处理工艺下，对平行于轧制面的晶体学取向影响 不大。 l m I I aH H l ㈣“ 三w H m 篓 I [ X I I “Hx 1 2 f H H l L{H2DH I2 1 一 竺’ t 唧。 图2 平行- T - { L 制面的x - r a y 衍射图谱 F i g ．2X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r a 5o fp a r a l l e lr o l l i n gp 6 n e 万方数据 第1 期程永奇等退止处理对A Z 3 1 镁台金轧制板材组织与冲压性能的影响 2 ．2 退火处理后单向轧制A Z 3 1 镁合金板材的室 温冲压性能 评价板材冲压性能的方法有直接实验法和间接 实验法，通过单向拉伸试验 间接实验法 ，研究退火 处理对单向轧制A Z 3 1 镁合金板材室温冲压性能的 影响。 2 ．2 ．1 退火处理后板材的强度。退火前后，各试样 分别沿与轧制方向成0 。，4 5 。，9 0 。方向的抗拉强度和 屈服强度如图3 所示。从图3 可以看出，退火前 D R 试样抗拉强度和屈服强度均较高，抗拉强度最 高达3 2 5 M P a 0 。方向 ，屈服强度最高达2 6 1 M P a 0 9 方向 。退火后，无论是抗拉强度还是屈服强度，各 试样沿不同方向均有很大程度的降低，与D R 试样 相比，D H T 2 1 试样沿0 。方向抗拉强度降低7 0 M P a ， 屈服强度降低6 8 ．3 M P a 。其他条件下的退火样，强 度降低也较大，但均与D H T 2 1 试样的相差不大。 从图3 还可看出，对于抗拉强度，各试样沿0 。，4 5 。， 9 0 。方向差别较大，D R 试样最大相差1 5 M P a 0 ’与 4 5 。方向 ，在退火之后，抗拉强度的各向异性改善不 大。无论是否经过退火处理，屈服强度各向异性表 现均不明显。 已 善 晷 曼 鼋 ■ { 善 图3 各试样沿不同方向的抗拉强度和屈服强度 F i g3U l t i m a t et e n s i l ea n dy i e l ds t r e n g t h so f s p e c i m e n sa fd i f f e r e n td i r e c t i o n s 经遐火处理后，各试样抗拉强度均有很大降低， 这是因为经退火处理后，孪晶消失，减小了位错运动 的阻碍，使其强度降低。导致单向轧制板材抗拉强 度降低较大的另一个原因是单向轧制板材的晶粒多 呈长条状 图1 a ，而经退火处理后由于发生丁再结 晶，品粒等轴化，根据M ．M a b u c h i 等_ 6 1 对A Z 9 1 镁 台金的研究表明，长条状晶粒有助于抑制晶界滑移， 而晶界滑移得到抑制会使台金的强度得到提高。所 以，在退火处理后，尽管由于发生了再结晶使部分晶 粒得到细化，但由于晶粒等轴化，所以强度降低幅度 仍然较大。 由图3 可知，退火温度为3 0 0 ℃的样品比2 0 0 ℃ 下退火的样品抗拉强度低，经4 h 退火处理的样品抗 拉强度比1 h 退火处理的要低。这表明，在2 0 0 ℃和 3 0 0 ℃下，分别进行1 h 和4 h 的退火处理，对抗拉强 度影响差异并不明显。这是因为镁合金的再结晶温 度为2 0 5 ℃【“，在试验采用的退火工艺条件下，A Z 3 1 镁合金板材均已完成了再结晶，而在试验条件下，随 退火温度升高和退火时间延长。晶粒长大有限。所 以，不同退火工艺下板材的强度差异不大。林英 男“ J 对A Z 3 1 镁合金的研究亦表明，在2 0 0 ℃的温度 下，经3 0 r a i n 退火处理，热轧A Z 3 1 镁合金板材即可 完成再结晶过程，且随退火温度升高，再结晶时间还 会缩短。 虿 甚 薯 罾 曼 爱 ＆l l ，d e 图4 各试样沿不同方向的屈强比 F 暗4Y i e l d ／t e n s i l es t r e n g t hr a t i oo fs p e c i m e n s 乱d i f f e r e n td i r e c r i o n s 22 ．2 退火处理后板材的屈强比。由单向拉伸试 验测得的板材的抗拉强度和屈服强度，计算出的屈 强比如图4 所示。从图4 可以看出，经退火处理后， 板材屈强比大大降低，尤其是DH T 2 1 试样。除D H T 2 1 试样外，D H T 2 4 、DH T 3 1 和D I { ’F 3 4 的屈强 比递减，且各向异性不明显。这表明，经退火处理 后，可有效降低材料的屈强比。 2 ．2 ．3 退火处理后板材的应变硬化指数。图5 给 出了退火处理前后，单向轧制的A Z 3 1 镁台金板材 沿各方向的应变硬化指数n 。从图5 可知，经不同退 火工艺处理，应变硬化指数n 均明显增加，且不同退 火工艺之问的n 值相差较小照} 退火处理后，单向轧 制的A Z 3 1 镁合金板材的”值得到提高，原因是退火 处理后，发生了再结晶，晶粒得到了细化和等轴化， 晶界之间的面积增大，板材的应变硬化能力增强，从 而使”值增加。此外，由于孪晶是晶界滑移变形的障 碍，所以，应该是孪晶产生的密度越高，n 值越大，对 纯钛板的研究证明亦是如此1 8 J 。而根据图1 可知，经 退火处理后，孪晶消失，但”值仍增大，这可能是因 万方数据 有色金属第5 8 卷 为由晶粒细化和等轴化对”值增加的影响超过了李 晶消失对n 值减小的影响。 圈5 各试样沿不同方向的应变硬化指数 F i g5W o r k h a r d e n i n ge x p o n e a to fs p e c i m e r m a td i f f e r e n td i r e c t i o n s 2 ．2 ．4 退火处理后板材的塑性应变比。退火前后 单向轧制A Z 3 1 镁台金板材的塑性应变比R 如图6 所示。从图6 可知，退火后试样与退火前相比，R 值均得到较大提高，尤其是DH T 2 1 试样．R 值不 仅比未退火试样 D R 试样 有很大提高，而且比在 其他三个工艺条件下退火的试样亦高出许多 1 3 - H T 2 1 试样的R7 比D - H T 2 4 试样的尺’高1 ．5 7 ，但 是D ，H T 2 1 试样的A R 值与D R 试样以及其他三个 退火试样的A R 相比亦较大。这说明，在2 0 0 6 C 、l h 退火处理的工艺条件对单向轧制板材R 值的提高 最大，而其他退火工艺则稍低。 图6 各试样沿不同方向的塑性应变比 F i g ，6 P l a s t l es t r a i nr a t i oo fs p e c i m e r Ba td i f f e r e n td i r o - x i o n s 2 ．3 退火处理对单向轧制A Z 3 1 镁合金板材冲压 性能的影响 在板材冲压工艺中，影响板材冲压性能的因素 很多，主要包括板材晶粒的大小、形状和织构，夹杂 物和偏析，屈服强度，屈强比，应变硬化指数，塑性应 变比，制耳参数等。 研究表明口J ，金属的晶粒大小和形状对板材的 冲压性能有相当重要的影响。当晶粒尺寸增大时， 屈服强度减小，材料容易屈服，成形后回弹量小，贴 模性和定形性较好。此外，随着晶粒尺寸的增大，屈 强比之值也随着减小，而屈强比小，板材由屈服到破 裂的塑性变形阶段长，有利于冲压成形。一般来讲， 较小的屈强比对板材在各种成形工艺中的抗破裂性 都有利。由图1 和图4 可知，随退火温度升高和退 火时间延长，A Z 3 1 镁合金板材晶粒开始长大，与之 对应的届强比则呈下降趋势。而屈强比减小，则板 材的冲压性能提高。可见，增大板材的晶粒尺寸，可 使A Z 3 1 镁合金板材的冲压性能提高。因此，退火 处理后，可在一定程度上改善A Z 3 1 镁合金的冲压 性能。从另一个方面来看，对其他金属材料的研究 表明，晶粒粗大会引起冲压制品的表面出现桔皮状， 而且，晶粒过粗．杂质会因晶粒间界的相对减少而集 中，也会使金属的变脆倾向性增大。这将都不利于 冲压性能的改善与提高。而根据H a i l P e t c h 公式亦 可知，随台金晶粒尺寸增大，将导致A Z 3 1 镁合金板 材强度降低，则有可能导致冲压件强度不足。 一般来讲，应变硬化指数n 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。根据图5 ，经退火处理后，A Z 3 1 镁合金板材的 ”值增加，均匀变形阶段延长，均匀变形能力增加， 冲压性能得到改善。 在板材的制备过程中，由于再结晶和轧制原因， 板材的塑性会因方向不同而有差异，即塑性各向异 性，通常以各方向的加权平均值R7 表示。因此，塑 性应变比R7 值反映了板厚方向和板材平面方向之 间的塑性差异，即板材的塑性厚向异性。R ’值对拉 伸成形性能影响很大，R7 值大，板材平面方向比板 厚方向容易变形，拉伸毛坯的径向收缩时不容易起 皱，并且拉伸力也小，传力区不容易拉破，故有利于 板材的拉伸成形性能。由图6 可知，退火处理后． A Z 3 1 镁合金板材的R7 值得到提高，尤其是2 0 0 ℃、 l h 退火的单向轧制板材，由此可见，退火处理使 A Z 3 1 镁合金板材的R 值提高，冲压性能得到改善。 板材不仅呈现塑性厚向异性，在板材平面内各 个方向也呈塑性各向异性，即板材的塑性各向异性， 其程度可用差值A R 表示。板材的塑性平面各向异 性常会使拉伸件口部出现制耳，而制耳的大小和位 置与A R 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A R 过大．高R7 值对板材拉伸性能 ≈；∞∞{自‘go≥ 万方数据 第1 期程永奇等．退火处理对A Z 3 1 镁合金轧制板材组织与冲压性能的影响 9 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，影响生产 效率与产品质量。图6 表明，经退火处理后，A Z 3 1 镁 合金板材的A R 值均增大，从而对其冲压性能产生 不利影响．尤其是D ．H T 2 I 试样，虽然其R 值增加很 大，但是其A R 值亦较大。所以，在考虑退火处理对 A Z 3 1 镁合金板材R 值的影响时，应从R7 和△R 综 合来衡量。 参考文献 3 结论 经退火处理后，由于发生了再结晶，孪晶消失， 板材晶粒形状由退火前的板条状演变为退火后的等 轴状，随退火温度升高和退火时间延长，部分晶粒发 生了长大，但仍有部分细晶存在。退火处理后，板材 屈强比降低，n 值和R 值升高，表明退火处理可有 效改善板材的冲压性能。经2 0 0 ℃、1 h 退火处理的 板材，冲压性能改善最为明显。 [ 1 ] F u h ．K u oC h e n ，T y n g ．B i nH u a n g ，C h i h ．K u nC h a n g ．D e e pd r a w i n go fe q u a r ec u p sw i t hm a g a e s i t t ma l l o yA Z 3 1s h e e t s [ j ] I n t e r r t a t i o n a lJ o u r n a lo f M a c h i n e T o o l s ＆M a n u f a c t u r e ，2 0 0 3 ．4 3 1 5 5 3 1 5 5 9 【2 ] D e e g e E ，D ；挺l e r K ．S h e e t m e t a l f o r m i n go ￡m a g n e s i u m w r o u g h ta l l o y s - f o r m a b i l i t ya n dp m c e ．s s t e c l m △／o g y [ J ] ，l o u m a i o f M a z e r i a l s P r o c e s a i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 } 1 1 5 1 4 1 9 ． [ 3 ] Y c b h i h a r aS ，Y a m a m o t oH ，M a n a h eK ．F o r m a b i l i t ye n h a n c e m e n ti nm a g n e s i u ma l l o yd e e pd r a w i n gb yl o c a lh e a t i n ga n dc o o l i n g t e c h n i q u e [ J ] J o u r n a lo f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ， 1 4 3 ／1 4 4 6 1 2 6 1 5 [ 4 ] 田浩彬，康达昌．板料n 值测量方法的研究【J ] 塑性工程学报，2 0 0 3 ，1 1 0 1 1 3 6 3 9 [ 5 ] K o i k eJ ，o h y a m a R ，K o b a y a s h iT ，e ta lG r a i n - b o u n E a r ys l i d i n g i n A Z 3 1 m a g n e s i u ma l l o y sa tr o o m t e m p e r a t u r e t o5 2 3 K t JJ M a t e r l a t sT r a t v s a c t i o n s ．2 0 0 3 ，4 4 4 4 4 5 4 5 1 [ 6 ] M a m o ㈣Mb u c h i ，M a s a a k iK o b a t a ．Y a s u m a s aC h i n o ，c fa 1 ．T e r u s i l ep m p e r t i e so fd i r e c t i o n a [ 1 ys 。[ i d i f i e dA Z 9 1M ga l l o y [ J ] M a t e r i a l sT r a n s a c t i o n s ，2 0 0 3 ，4 4 4 4 3 64 3 9 ． [ 7 ] 林英男A Z 3 1 镁舍金晶粒细化及成形性研究【D ] 中国台湾国立中央大学，2 0 0 2 4 4 [ 8 ] 张小明工业纯钛冲压成形性与孪晶变形的关系[ J ] 钛工业进展，1 9 9 8 ， 4 4 i 一4 0 [ 9 ] 王占学塑性加工金属学【M ] 北京冶金工业出版社，1 9 9 1 2 6 5 ． I n f l u e n c eo fA n n e a l i n gH e a lT r e a t m e n to nM i c r o s l r n c t u r ea n dD r a w i n g P r o p e r t i e so fA Z 3 1M a g n e s i u mA l l o yR o l l i n gS h e e t C H E N GY o n gq i ．C H E NZ h e n h u n ，X i AW e i - j u n ，F UD i n g - k C o l l e g eo f M a e e r i a l sS c i e n c ea n dE n g l n 口r i n g ．H u m a nU n l v e r s l t y ，C h u n g s h a4 1 0 0 8 2 ，C h i n a A b s t r a e t T h em i c r o s t r u c t u r ea n dd r a w i n gp r o p e r t i e so ft h eA Z 3 1m a g n e s i m na l l o ys h e e tw i t ha n n e a l i n gh e a tt r e a t m e n tu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r a i n si nt h es i n g l ed i r e c t i o nr o l l i n g s h e e ti sc h a n g e df r o ms t r i pt oe q u a la x i ss h a p eb e c a u s eo ft h er e c r y s t a l l i z a t i o na n dt w i nc r y s t a l sd i s a p p e a r a n c e d u r i n ga n n e a l i n gh e a tt r e a t m e n t ，a n dt h e r ea r es o m ef i n eg r a i n sa l t h o u g hp a r tg r a i n sa r eg r o w n ．T h ed r a w i n g p r o p e r t yo ft h es h e e ti ．si m p r o v e dh ya n n e a l i n gh e a tt r e a t m e n t ，i ti si n d i c a t e db yt h ed e c r e a s eo fy i e l d ／t e n s i l e s t r e n g t hr a t i oa n di n c r e a s eo ft h ev a l u e so fna n dRp a r a m e t e r sa f t e ra n n e a l i n gh e a tt r e a t m e n t ，a n dt h e1 l O S t r e m a r k a h l ei r n p r o v e n l e n ti sf o rt h es a m p l ea n n e a l i n gh e a tt r e a t e du n d e r2 0 0 ℃l h K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A Z 3 1m a g n e s i u ma I l o y ；a n n e a l i n gh e a tt r e a t m e n t ；r o l l i n gs h e e t ；m i c r o s t r u c t u r e ；d r a w i n gp r o p e r t i e s 万方数据