757 厚板料沖小孔模具設(shè)計及有限元模擬【全套16張CAD圖+PROE模型+文獻(xiàn)翻譯+說明書】
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熱軋過程對Mg-3%Al-1%Zn合金薄板微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響L. Jina,b*, J. Donga,b, R. Wanga,b, L.M. Penga,b(a 國家輕合金形成工程研究中心,上海交通大學(xué) b 國家金屬基復(fù)合材料重點實驗室,上海交通大學(xué))摘要:本文對AZ31合金板材熱軋過程中微觀組織的演變和變形機(jī)制進(jìn)行了試驗研究。AZ31板材微觀結(jié)構(gòu)中原始晶粒平均大小為37um,此外,擴(kuò)散、拉伸、孿生導(dǎo)致位錯的滑移,滑移的方式由初始晶粒取向、晶粒尺寸和軋制溫度決定。AZ31板材在熱軋過程中晶粒細(xì)化的主要機(jī)制是連續(xù)動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶,011晶面的拉伸以及沿011-(102)滑移系孿生加速晶粒細(xì)化過程。在AZ31合金鋼熱軋過程中拉伸和孿生與晶粒細(xì)化和織構(gòu)隨機(jī)化成正比。在本研究中,400每道次下軋50%條件下鋼件比在300每道次下軋30%條件下有更好的韌性。因此,提高軋制高溫度和增加單道次下軋量有利于AZ31鋼板微結(jié)構(gòu)優(yōu)化和機(jī)械性能改善。1 引言鎂板材目前被應(yīng)用到各種各樣的測試之中。然而,在室溫下由于基體和近基體織構(gòu)沿軋向擴(kuò)展,因此軋制鎂合金通常呈現(xiàn)相對較低的延伸率和較差的塑性1。應(yīng)用鎂合金兩個重要的要求是細(xì)化晶粒和隨機(jī)紋理。在鎂合金中織構(gòu)的演變受到應(yīng)變方式和最初微觀結(jié)構(gòu)相互作用的影響2,鎂合金板材中基體織構(gòu)產(chǎn)生與基體滑移活性有關(guān)3。據(jù)了解,基體紋理來源于(102)擴(kuò)展孿生基礎(chǔ)上,這樣的擴(kuò)展孿生是基于孿生能調(diào)整與C軸平行的壓應(yīng)力,這些能夠在試驗4、5中得到證實。但是很難改變像AZ31和AZ61鎂板材的基體組織,如果建立塑性變形模型和軋制過程參數(shù)之間的相互關(guān)系,那么基體組織的強(qiáng)度可以減弱,通過控制軋制過程的參數(shù)也可使晶粒尺寸減小。鎂是通過滑移、孿生和邊界滑移發(fā)生塑性變形。邊界滑移適用于納米材料成型或者超塑性變形,也同樣適用于AZ31板材中的晶粒細(xì)化7-9。在基平面上的位錯滑移導(dǎo)致大形變的塑性變形,但是只有兩個單獨的基滑移系遠(yuǎn)少于普通變形需要的5個單獨滑移系統(tǒng)。在鎂和鎂合金中孿生產(chǎn)生附加變形即102(101)擴(kuò)展孿生和101(102)拉伸孿生。為了防止位錯滑移,菱方晶系100(110)和正交晶系101(110)應(yīng)用于AZ31合金中來增加在基體晶系(0001)(110)中的滑移。對于在持續(xù)升溫中軋制AZ31板材,除了基滑移和擴(kuò)展孿生,容易產(chǎn)生無基體的位錯滑移和孿生方式,在AZ31合金板材熱軋過程中變形方式取決于原始晶粒結(jié)構(gòu)和軋制工藝過程。另外,持續(xù)動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶是作為在鎂合金變形連續(xù)升溫變形過程中晶粒細(xì)化和長大的一種現(xiàn)象14-15,這一點是來源于低能位錯理論16。然而,軋制過程,變形機(jī)制和微結(jié)構(gòu)的演變之間的關(guān)系并不是很明確。圖1.AZ31合金板材原始微觀結(jié)構(gòu):(a)反極圖 (b)極圖 (c)滿足基滑移系的施密德因子而電子背散射衍射技術(shù)(EBSD) 有助于理解AZ31板材在熱軋過程中的孿生演化、取向偏差、織構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)以及變形機(jī)制對微結(jié)構(gòu)演化的影響。這樣開創(chuàng)了一種通過設(shè)計合理的微結(jié)構(gòu)軋制過程來控制機(jī)械反應(yīng)的可能性。因此,本文旨在研究AZ31合金在熱軋過程中微結(jié)構(gòu)演變應(yīng)用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD),以及微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的關(guān)系。2 材料和實驗本實驗中使用的是AZ31合金。熱軋前,合金為537K溫度下下橫截面積為110mm10mm的矩形棒材。圖1所示AZ31合金熱軋前的微結(jié)構(gòu),包括反極圖(IPF),極圖和施密得因子。結(jié)果表明最初的基體織構(gòu)有C軸垂直于板材平面的,極少有C軸平行于板平面的和原始擠壓方向。圖1(c)表明大部分區(qū)域的施密德因子值都小于0.3,表明晶粒取向不利于基體滑移?;w棒材分別在573K和673K下預(yù)熱0.5小時,然后在熱軋鋼廠分別以單軋30%和50%將棒材熱軋至厚度為3.5mm和2.5mm。使用內(nèi)部電子加熱器將軋輪溫度控制在473K左右。總的厚度減少量分別大約在65%和75%。卷板再次加熱來保證可加工性。軋制方向與所獲得的棒材方向平行。軋制樣本在每次軋制后都要馬上用水淬。水淬后的樣本用LEOTM 1450掃描電子顯微鏡,20KV和帶TSLTM EBSD相機(jī)照片來做電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)分析,由于是在電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)分析樣品中的變形結(jié)構(gòu),因此在區(qū)域里有極低的指數(shù)特性、較多的位錯反應(yīng)和細(xì)晶孿生,但是結(jié)果仍然表明了許多有用的信息。3 結(jié)果和討論圖2中顯示了在不同的每次下軋量和軋制溫度下晶粒尺寸分布。最初的擠出材料晶粒尺寸大小從10-160um不等,平均晶粒尺寸為37.29um。圖2(a)表明在300和每道次下軋30%時,在軋制前三次后晶粒結(jié)構(gòu)就開始發(fā)生演變。在單次滾軋后,晶粒的平均尺寸急劇減小,主要的晶粒尺寸范圍在10-30um變化,但是相當(dāng)大數(shù)量晶粒在40-85um變化。第二次軋制后,晶粒更加均勻細(xì)化,平均晶粒尺寸為8.8um。第三次軋制事實上導(dǎo)致了晶粒尺寸稍稍增加到13um。在400下軋制也獲得了相同的結(jié)果。圖2(b)概括了AZ31板材在不同道次下軋和軋制溫度下熱軋時的平均晶粒尺寸大小,結(jié)果表明在下軋量確定時,平均晶粒尺寸在400下要比300軋制要大一些;軋制溫度確定時,在相同的總厚度前提下,增加每道次下軋會使晶粒更加細(xì)化。圖2:(a)1-3次每道次下軋30%,300熱滾軋后AZ31合金板材晶粒尺寸分布 (b)在不同軋制過程中的平均晶粒尺寸大小,其中晶粒是根據(jù)位錯角大于15的晶粒邊界來劃分的。圖3給出了AZ31合金板材熱軋前和熱軋后的拉應(yīng)力。圖中應(yīng)力應(yīng)變曲線表明AZ31合金板材熱軋后應(yīng)變減小,屈服應(yīng)力增加,抗拉強(qiáng)度增加。軋制AZ31合金板材后有相同的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度,但是韌性發(fā)生了很大變化,韌性要比在更高溫度和較大道次下軋量時大得多。圖3.AZ31板材熱軋前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖4分別給出了AZ31合金板材在300每道次下軋30%和400每道次下軋30%和50%條件下的反極圖。此時晶界為15-90取向偏差的大角度晶界和2-15取向偏差的小角度晶界,在圖4中大角度偏差晶界是黑線,小角度偏差晶界為白線。圖2中計算出的晶粒尺寸大小用大角度偏差晶界來劃分。圖4(a)表明盡管在300每道次下軋30%條件下存在一些粗晶粒,微結(jié)構(gòu)還是逐步在細(xì)化。細(xì)化的晶粒形成典型的鏈狀結(jié)構(gòu),這是由于在細(xì)化的區(qū)域中軋制時晶粒的積聚導(dǎo)致產(chǎn)生了連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。在圖4(b)和(c)能夠觀察到400每道次下軋30%和50%條件下加工后粗晶粗大。圖4(c),在粗晶內(nèi)部有大量的小偏差晶界,這與位錯的滑移和相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果類似,這樣可能導(dǎo)致在連續(xù)動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶方式下大角度境界偏差和晶粒細(xì)化。這與圖2(b)所得數(shù)據(jù)吻合,即較大的平均晶粒尺寸在400每道次下軋50%條件下第一道次軋制后獲得,但是最細(xì)的晶粒尺寸在相同條件下第二道次軋制下獲得。圖4也給出了熱軋過程中發(fā)生孿生的位置,由于分辨率較低很難確定孿生的模式。圖4(c)中所標(biāo)定的微結(jié)構(gòu)區(qū)域所示為電子被反射衍射技術(shù)(EBSD)在0.5um尺寸下的分析,結(jié)果在圖5中給出。圖4.(a) 在300每道次下軋30%后AZ31合金板材的反極圖 (b) 在400每道次下軋30%后AZ31合金板材的反極圖 (c) 在400每道次下軋50%后AZ31合金板材的反極圖圖5(a)和(b)給出了點陣取向反極圖和確定的孿生邊界粒子形狀圖。圖中可以看到粒子1、2、3中孿生的晶粒,在晶粒1中孿生的形式為102(011)擴(kuò)展孿生,由孿生邊界定理可知,2、3晶粒孿生方式為011-102雙向?qū)\生。2、3晶粒由于雙向?qū)\生被分開,結(jié)果原始晶粒被細(xì)化成3-5個更細(xì)的粒子。結(jié)果表明,孿生過程中,尤其是拉伸和雙向?qū)\生,加速晶粒細(xì)化過程。孿生現(xiàn)象可解釋如下,孿生后有更多的孿生邊界產(chǎn)生,這些邊界在變形過程中是位錯滑移的障礙。孿生邊界位錯密度和取向偏差增加,在大的應(yīng)變下,大角度晶界取向偏差就會發(fā)生,從而使晶粒細(xì)化。正如漢弗萊斯所述,不用考慮粒子形核機(jī)制的影響,動態(tài)再結(jié)晶主要來源于大角度晶界。但是晶粒形核和長大是由于二次晶粒變形和大角度晶界偏差細(xì)化晶粒的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制作用下產(chǎn)生的。圖5.第一次在400每道次下軋50%條件加工后AZ31合金板材的微結(jié)構(gòu),(a)母相和孿生的反極圖和晶格取向(b)晶粒形狀,孿生邊界,擴(kuò)展孿生邊界(865)用紅線標(biāo)記,拉伸孿生邊界(565)用綠線標(biāo)記。雙向?qū)\生邊界(385)用藍(lán)線標(biāo)記(對于在圖例中顏色參考文獻(xiàn)的解釋,讀者可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版本) 圖6表明,AZ31合金板材在300每道次下軋30%條件下三次軋制和在400每道次下軋50%條件下兩次軋制后細(xì)化的孿生晶界晶粒形狀圖。圖6(b)中的晶粒尺寸要比圖6(a)和(c)中的都要大,表明晶粒在大下軋量和較低溫度下加工得到更加細(xì)化的晶粒。事實上,小尺寸晶粒之所以能夠在大的下軋量得到,其原因是塑性變形所儲存的能量比較高從而形核需要有更大的驅(qū)動力和更細(xì)小的晶粒。在低溫下,軟化速率變慢,從而產(chǎn)生加工硬化和更大的形核驅(qū)動力,但是這里晶粒長大也變慢。此外,在圖6的大晶粒中可以看到拉伸孿生,孿生和擴(kuò)展孿生,拉伸孿生和孿生比擴(kuò)展孿生要占更大的體積分?jǐn)?shù),尤其是在高溫軋制中擴(kuò)展孿生更少。圖6同樣表明,孿生的方式由晶粒尺寸大小決定。在母相晶粒中晶粒尺寸超過20um的孿生容易產(chǎn)生,然而,在圖6(c)在小晶粒尺寸中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)超過20um的孿生。正如在圖1所示,AZ31合金板材最初晶粒取向不利于基平面的位錯滑移;此外,大部分晶粒的C軸與壓應(yīng)力平行,這樣就不利于在晶粒中產(chǎn)生擴(kuò)展孿生。但是,基本滑移仍然是主要的塑性變形方式,這取決于于臨界最低切應(yīng)力。而且拉伸孿生很有可能是粒子的C軸壓縮而產(chǎn)生。在圖1(a)中,藍(lán)色和綠色粒子中的C軸平行于切平面,102方向擴(kuò)展孿生容易發(fā)生。一般擴(kuò)展孿生將會由最初的角度轉(zhuǎn)到86,而且母相粒子會被擴(kuò)展孿生所取代,這是由于孿生的長大的速度很快。由于新粒子的方向,在擴(kuò)展孿生后的新孿生中只有在基平面上和拉伸孿生發(fā)生位錯滑移。在011拉伸孿生中,孿生粒子與母粒子存在56的偏差定位,收縮要比擴(kuò)展孿生更細(xì)更長,因此,孿生很難長大。然而,新的粒子取向更有利于擴(kuò)展孿生和擴(kuò)展孿生后基本滑移系的位錯滑移。因此,在鎂合金中102擴(kuò)展孿生總是緊隨011拉伸孿生之后產(chǎn)生,即,011-102孿生。母相粒子相比孿生中存在接近38的偏差。結(jié)果,正如圖6所示,AZ31板材熱軋后相比拉伸孿生有更多的雙向?qū)\生。圖6.熱軋后產(chǎn)生孿生邊界的AZ31合金板材晶粒形狀圖(a)三道次在300下軋制后(b)三道次在400每道次下軋30%條件下軋制后(c)兩道次在400每道次下軋50%條件下軋制后。圖6和圖5的孿生邊界相同圖7.熱軋后AZ31板材拉伸和雙向?qū)\生的體積分?jǐn)?shù) 如圖7所示,孿生方式也取決于軋制溫度。圖7(c)所示熱軋后AZ31合金板材雙向?qū)\生和拉伸孿生的體積分?jǐn)?shù),發(fā)現(xiàn)在400每道次下軋30%的三次加工下雙向?qū)\生和拉伸孿生的體積分?jǐn)?shù)最大,然而在300相同每道次下軋三次加工的體積分?jǐn)?shù)最小。結(jié)果表明拉伸孿生和雙向?qū)\生在高溫軋制下更容易產(chǎn)生,這一點是由于與基本位錯滑移相比高溫下的拉伸孿生和雙向?qū)\生臨界最低切應(yīng)力與無基本位錯滑移的臨界最低切應(yīng)力相同。另一方面,101拉伸和101-102雙向?qū)\生由基本位置重新定位到56和38,因此,AZ31板材中拉伸孿生和孿生的產(chǎn)生導(dǎo)致基本織構(gòu)的弱化。圖8是AZ31熱軋后(0001)極圖,與300相比400有更寬的極點分布,基體織構(gòu)相對弱化。然而,由于孿生材料體積比例有限,整個織構(gòu)變化就不是很顯著。圖8.AZ31板材熱軋后(0001)極圖 (a)三道次在300下軋制 (b)三道次在400每道次下軋30%條件下軋制 (c)兩道次在400每道次下軋50%條件下軋制正如前面所提到的,對于改善機(jī)械性能和鎂合金板材的應(yīng)用,細(xì)晶和隨機(jī)紋理是兩個重要的條件。在本次研究中,粒子結(jié)構(gòu)在低溫軋制中能夠得到有效的細(xì)化,但是這樣的條件下能夠觀察到在基本滑移系上更多的擴(kuò)展孿生和位錯,導(dǎo)致高密度的基本織構(gòu)。在高溫軋制下,能夠產(chǎn)生更多的拉伸和孿生,無基本滑移也能夠應(yīng)用于大的塑性變形中18,軟化基體組織,這樣高溫軋制有利于織構(gòu)的隨機(jī)化,但是, 導(dǎo)致在給定道次下軋和軋制溫度下晶粒的粗化。因此,高溫大道次的下軋適用于AZ31合金板材得到更優(yōu)的機(jī)械性能。圖3中就可以觀察到較高韌性,這是在此基礎(chǔ)上提供的很好的例子。4 結(jié)論 總而言之,由于基本組織中最初的微結(jié)構(gòu),在基平面上的位錯滑移仍然是AZ31板材熱軋過程中主要的塑性變形模式。102擴(kuò)展孿生發(fā)生在C軸平行于切平面的晶粒中,而且擴(kuò)展孿生中的粒子角度由最初狀態(tài)變?yōu)?6。101拉伸孿生以及101-102收縮率很大,因為大多數(shù)粒子的C軸在軋制過程中都受到壓應(yīng)力。孿生也取決于最初的粒子尺寸和軋制溫度,孿生在大的母相粒子觀察到,更多的拉伸和孿生能夠在高溫軋制下觀察到。連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶是AZ31板材熱軋過程中晶粒細(xì)化的主要機(jī)制,但是在這個過程中孿生,尤其是拉伸和孿生,加速了粒子的細(xì)化過程?;净坪蛿U(kuò)展孿生可以導(dǎo)致基本織構(gòu)的變形,但是拉伸和孿生對AZ31合金熱軋過程中粒子細(xì)化和織構(gòu)隨機(jī)化有促進(jìn)作用。 在本次研究中,在給定的下軋量,AZ31板材平均粒子大小在400軋制要比300下要大;在相同軋制溫度下,400每道次下軋50%條件下要比300每道次下軋30%條件下晶粒結(jié)構(gòu)和織構(gòu)更加均勻,從而導(dǎo)電率更高。因此高溫大道次下軋可以用來優(yōu)化和改善AZ31板材的微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。5 證明 得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會和中國基礎(chǔ)研究項目財政支持。感激羅伯特技術(shù)上的幫助 文獻(xiàn)引用6 參考文獻(xiàn)1 S.R. 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