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镁应用

“镁”智库 | 考虑不对称性的AZ31镁合金宽板在中低温的卷取可行性

发布时间：2023-01-19 作者：综合管理部


镁合金被广泛认为是目前最轻的商业化金属结构材料，具有高比强度和良好的电磁屏蔽性和生物相容性。因此，镁合金板材被广泛应用于航空航天、汽车、电子产品及生物材料领域。此外，镁合金板材是汽车轻量化的关键材料之一，通过替代钢板可减轻60%以上的重量，替代铝合金板可减轻30%。然而，镁合金受密排六方晶体结构的影响，在室温变形时滑移系开动受限而表现为成形性较差，使其在变形过程中容易开裂。另外，镁合金具有明显的拉压不对称性，板材二次成形过程的强度差异会导致板材出现裂纹甚至断裂。

最近，东北大学乐启炽教授课题组在研究铸锭-轧制法生产镁合金板带/卷的过程中发现，镁合金铸锭粗轧为中厚板后，由于表面积增大而加快了散热，会增加精轧和加热过程的难度，而温度补偿对镁合金板带/卷轧制工艺有重要影响。因此，粗轧后卷取中厚板可有效减少暴露面积和散热，从而提高精轧后板带/卷的成材率。本研究旨在揭示镁板带在中低温不同温度下粗轧与精轧之间的卷取可行性。

本文系统研究了AZ31镁合金中厚板卷取过程微观结构特性与力学性能，结果如图1所示。由于镁合金受到剧烈塑性变形，材料内部会产生更多热量，表层由于热量散失温度较低，导致镁合金中厚板表层与中心层之间的组织存在较大差异。板材在100 ℃弯曲时，压缩侧可观察到大量孪晶，而拉伸侧仅有少量孪晶；在150 ℃弯曲时，内外侧的孪晶数量均减少，中间层几乎没有孪晶；弯曲温度达到200 ℃或更高时，拉伸和压缩区产生再结晶，并在原始晶界和孪晶界处产生细小再结晶晶粒。温度以50 ℃间隔从100 ℃升高到250 ℃，挠度变化分别达到15.9%、25.8%和8.7%，断裂应力变化分别达到15.7%、59.8%和46.3%。可以看出，在200 ℃下弯曲时，挠曲和断裂应力受影响最大。

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图1 AZ31板材轧制示意图(a), 轧制板的表面和中心极图(b,e), 晶粒尺寸分布(c, f) 和微观组织图(d, g)

重点分析了卷取过程微观机制，其中Schmid因子如图2所示。结果表明，拉伸部分的取向差角集中在小角度晶界，较多孪晶在粗晶中形核并长大，使得压缩部分分布大量大角度晶界。压缩区的再结晶晶粒约占10%，远大于拉伸区。镁板在100 ℃弯曲时，压缩区产生大量孪晶协调变形，而拉伸区只产生少量孪晶。孪晶数量多的区域再结晶和亚结构晶粒的数量同样多。压缩区晶粒取向偏向与RD方向，而拉伸区晶粒取向主要集中于ND方向。在塑性变形过程中，织构的演化主要取决于滑移系和孪晶的运动。力作用于ND方向，柱面<a>滑移系的SF分布于两端，基面<a>滑移系和锥面<a>滑移系的SF多分布在大于0.35的区间。然而，柱面<a>和锥面<a>滑移系的SF分布在大于0.4的区间，表明压缩区的变形主要由柱面<a>和锥面<a>滑移系完成且织构强度偏向于RD方向。通过EBSD分析可知，由于卷取或弯曲过程中板材内外受力不同，因此晶粒的取向、类型、SF和织构强度不同，这进一步影响了板卷性能和卷取可行性。

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图2 ND和RD载荷加载的三个<a>滑移系SF: (a), (b) 压缩区; (c), (d) 拉伸区

本研究还对卷取过程进行了模拟，如图3所示。板带卷取时第一层的应力状态较为复杂，其后各层相对平顺，因此把第一层作为研究对象。结果表明，卷取板外侧的拉伸应力随着温度的升高而逐渐减小。100~250 ℃的最大拉伸应力与弯曲模拟结果相符，并且超出了弹性应力。卷取板内侧的应力在100~200 ℃范围内分布较均匀，但温度继续升高，由于板内侧与卷筒之间的摩擦因素使板内侧部分应力变为拉应力。结合卷筒半径和板材弯曲实验中的跨度，可获得板材在弯曲过程的挠度，然后在卷取过程相同曲率下，可得到中性层的偏移。中性层在卷取过程中的偏移量仅为弯曲断裂时的三分之一到四分之一，在随后开卷过程中，偏移量将移回，并且随板材在往复轧制过程中变薄，偏移量逐渐变小。

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图3 不同温度下卷取的应力场: (a) 100℃, (b) 150℃, (c) 200℃, (d) 250℃

综上所述，本文通过弯曲实验和有限元分析，研究了不同温度镁合金板材粗轧与精轧之间的卷取可行性。讨论了板材卷取时弯曲变形区的微观结构特征和力学性能，分析了卷取过程变形区微观机制，得出了不同温度下板材卷取时中性层偏移量，可为镁合金中厚板的卷取应用奠定基础。

转载：镁途



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