材料组织与性能

关于变形镁合金挤压后组织结构与性能的研究现状

摘要：挤压工艺在镁合金成形中已经得到了广泛的应用，这里综述了挤压工艺条件对变形镁合金组织结构和力学性能的影响，最后展望了进一步改善镁合金组织结构与性能的挤压技术的发展趋势。

关键字：挤压工艺,变形镁合金,挤压比,挤压温度,抗拉强度,塑性,等通道角度挤压

Research status on organizational structure and properties of

wrought magnesium alloy after extrusion

Abstract:The extrusion technology has been widely used in magnesium alloys forming，The effect of extrusion process conditions on the microstructure and mechanical properties of magnesium alloy was reviewed in this paper. The developing trends of extrusion technology that can improve the organization and performance of the magnesium alloy are discussed.

Key words:extrusion technology,magnesium alloy, extrusion ratio, extrusion temperature, tensile strength, plastic, equal channel angular ext rusion

前言

金属精密塑性成形是金属材料通过精密塑性加工的方法获得精化毛坯或最终产品零件的加工工艺。而挤压作为一种重要的金属塑性成形方法，是将金属毛坯放入挤压模具模腔内，在强大的压力和一定的速度条件下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件[1]。

金属镁及其合金是目前可应用的最轻的金属结构材料之一，其比强度、比刚度高，阻尼减震性、导热性、静电屏蔽性及机械加工性好，在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。因此被广泛应用于航空、航天、汽车、计算机、通讯、家电和国防工业中。

镁属于密排六方晶体结构，在室温下只有1个滑移面(0001)，也称基面、底面或密排面，滑移面上有3个密排方向[11-20]、[2-110]和[1-21-0]，即密排六方晶体在室温下只有3个滑移系，如图1所示，其塑性比面心和体心立方金属都低，塑性变形需要更多地依赖于滑移与孪生的协调动作，并最终受制于孪生；滑移与孪

生的协调动作是镁合金塑性变形的一个重要特征。室温下，镁合金的塑性较差，变形困难，且易出现变形缺陷，是镁合金自身性质决定的，也是制约变形镁合金加工成形的本质原因。而变形镁合金材料具有铸造材料所无法替代的优异的力学性能，镁合金对应变速率的敏感性很高，在高温及低应变速率下采用塑性加工方法是可行的，因此研究挤压加工工艺对变形镁合金组织结构与性能的影响具有重要意义。

图1 hcp晶体的滑移系示意图

1. 影响变形镁合金挤压制品组织结构与力学性能的因素

1.1 影响挤压制品组织结构的因素

在挤压过程中，影响镁合金挤压制品微观组织结构的因素众多，包括锭坯状态、制品形状、坯料预热温度、模具预热温度、挤压速度、润滑、挤压比以及均匀化处理等。

1.2 影响挤压制品力学性能的因素

合金成分是影响镁合金挤压制品力学性能的主要因素。除此之外，其影响因素还包括挤压温度、挤压速度、挤压比以及均匀化处理等[2]。就挤压温度而言，金属镁为密排六方结构，常温下只有基面{0001}产生滑移，这是镁合金在常温下易于脆裂的根本原因，因此，难于进行塑性成形加工。在473K以上，{1011}面也能产生滑移，塑性明显提高；而在500K以上，第三滑移系{1012}也可能产生滑移，塑性进一步提高。对于一般变形镁合金，宜在523K以上成型。

2.挤压工艺对变形镁合金微观组织结构的影响

孔祥峰等[3]通过对AZ31镁合金进行宽幅挤压成形，研究了宽幅挤压参数对

AZ31镁合金的微观组织结构及性能的影响，同时通过把各向异性及组织结构与性能相互联系分析，为进一步改善镁合金的组织结构与性能做了初步的探索。实验数据最终显示，热挤压可显著地细化镁合金晶粒，晶粒大小可由铸态的400μm 减小到4μm。随挤压比的增大，晶粒进一步得到细化。挤压比从10增加到41，平均晶粒尺寸从50μm 减小到15μm。随着挤压比的增加，晶粒得到明显细化。随着挤压变形量的增加，在变形过程中新晶粒所占体积分数增加，且再结晶比例随挤压比增大而提高，晶粒得到明显细化。

东北大学刘莹等[4]认为，对镁合金管材挤压成形后，横向截面组织为等轴晶粒，挤压后的纵向截面组织变成细长晶粒，而且特别明显。

通过以上已有的相关研究可知，挤压工艺可以显著地细化晶粒，而且挤压后横向和纵向界面晶粒的形态并不相同。

3.挤压工艺对变形镁合金性能的影响

晶粒细化不仅可以提高材料的强度而且可以提高塑性，对于镁合金而言也是如此。在挤压过程中，镁合金挤压制品变形和组织结构上的不均匀性必然要反映在制品的力学性能上。一般是制品的内部和前端的抗拉强度低，伸长率高；外层和后端的抗拉强度高，伸长率低。此外，挤压制品力学性能的不均匀性还表现在制品的纵向和横向力学性能的差异上。

孔祥峰等[3]研究表明通过宽幅挤压后的AZ31镁合金挤压板的抗拉强度、屈服强度、伸长率都明显提高了。当挤压比为41时，抗拉强度和屈服强度比铸造态提高了约一倍。挤压态试样的硬度明显增大，至少提高了25%。

细化晶粒是提高金属力学性能的有效途径,近年来许多研究表明,剧烈塑性变形可以成功制备具有超细晶(微米级、亚微米级和纳米级) 微观组织的金属材料。等通道转角挤压可以实现大塑性变形,在挤压过程中保持工件截面尺寸基本不变, 通过多次挤压达到所要求的应变,从而使挤压件获得足够细化的晶粒尺寸。等通道转角挤压变形还可以改善铸态组织,使被挤压金属的微观组织明显细化,大大提高该金属材料的强度。

等通道转角挤压广泛应用于细化材料晶粒,是能够使材料承受很高的塑性应变，而同时又不改变样品横截面积的一种压力加工工艺。

大连理工大学胥广亮等[5]通过对AZ31镁合金进行等通道转角挤压，认为对于

AZ31镁合金,每一种ECAE路径细化晶粒的效果相同, 但形成不同的织构, 其中唯有路径A(每道次间试样不旋转)能够提高强度。挤压温度是影响微观组织和力学性能的重要因素，降低ECAE的挤压温度，AZ31镁合金屈服强度提高而室温塑性下降。AZ61镁合金表现出相似的特点。常规ECAE可以使晶粒明显细化，但是镁合金的强度与塑性难以同时提高。由此可见,常规ECAE变形,增加挤压道次,可以提高AZ31合金的伸长率，但同时其屈服强度和抗拉强度下降；采用两步ECAE变形可以实现同时提高合金的伸长率、屈服强度和抗拉强度,增加挤压道次,改善效果增大。

研究表明，等通道转角挤压可以改善两种镁合金的塑性,可以提高镁合金在较低试验温度下的屈服强度和抗拉强度。

4.结束语

经过塑性变形的镁合金产品，比铸造材料有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能和较少的内部缺陷，塑性变形镁合金产品具有铸造产品无法替代的优良性能，可以满足更多结构件的需求，是铸造产品无法取代的。因此，开展镁合金塑性变形新工艺研究以及对挤压制品微观组织结构与性能的研究是开发镁合金产品的一项长远目标，对镁合会产品获得更广泛的应用具有重要的意义。

在一般挤压方法广泛应用于镁合金成形的同时，ECAE作为一种能够获得超细晶的剧烈塑性变形方法而得到了进一步的发展与应用,并被视为块体金属超细晶材料的制备技术之一，是当今国际前沿令人瞩目的课题。

参考文献

[1] 赵震.冷温热挤压技术[M].电子工业出版社，2008

[2] 夏巨谌.金属材料精密塑性加工方法[M].国防工业出版社，2007

[3] 孔祥峰，权高峰，杨超凡.挤压比对镁合金宽幅挤压的影响[J].兵器材料科学与工程，2011，34（3）：50-53

[4] 刘莹，王炳德，王忠堂.挤压变形对镁合金组织与力学性能的影响[J].材料热处理学报，2011，32（5）：51-54

[5] 胥广亮，陈国清，周文龙.等径角挤压AZ31镁合金组织及力学性能的影响[J].材料工程，2011，2：69-73