AZ系列镁合金热模拟挤压组织均匀性研究

李 权，杨 锦，蒋显全，程仁菊，刘文君，曾 斌

（重庆市科学技术研究院，重庆401123）

镁合金具有高比强度、比刚度以及低密度，用于结构材料具有很大的发展潜力。近年来，镁合金正逐渐得到重视[1－5］。镁－铝－锌系镁合金，如 AZ31，AZ61和AZ91，作为挤压变形镁合金在商业应用上很受欢迎，AZ10镁合金是专为高塑性和快速挤压而设计的一种镁合金。众所周知，挤压制品的截面微观结构一般具有不对称性，而微观结构均匀的合金具有良好的力学性能，尤其是具有高塑性。镁－铝－锌系列镁合金是常用的变形镁合金，而合金元素含量、均匀化预处理和挤压比是微观组织均匀性的主要影响因素，因此，研究AZ系列镁合金挤压制品的微观组织均匀性具有重大意义。本工作主要对AZ10，AZ31，AZ61和AZ91镁合金的挤压组织均匀性进行了系统研究。

1 实验材料与方法

从AZ10，AZ31，AZ61和AZ91镁合金半连续铸锭（φ124mm）的相同部位切取试样，其化学成分如表1所示。将切取的试样加工成φ9mm×10mm的圆筒形挤压试样，并将试样分为经过400℃／12h均匀化预处理和未均匀化预处理两种。利用自行设计的热模拟挤压实验装置（图1）在Gleeble1500D热模拟试验机上进行模拟挤压实验。实验装置包括挤压杆、挤压筒、挤压模、支持座等（图2），试样的温度由热电偶测试和计算机控制。热模拟挤压工艺：挤压温度为390℃，挤压速率为10mm／min，保温时间为5min。分别将AZ10，AZ31，AZ61和AZ91均匀化预处理与未均匀化的挤压试样进行热模拟挤压实验。

表1 AZ系列镁合金的化学成分（质量分数／%）Table 1 The chemical composition of AZ series alloys（mass fraction／%）

图1 模拟挤压装置实物图Fig.1 Simulation extrusion device

2 实验结果与分析

2.1 挤压比对AZ系列镁合金组织均匀性的影响

未均匀化预处理的AZ31镁合金在挤压比分别为6.25，13，20.25和25的条件下进行热模拟挤压实验，纵剖面的微观结构如图3所示。将四个不同挤压比的挤压制品纵剖面的边部区域（图2中①所示）和心部区域（图2中②所示）微观组织进行对比分析。结果表明，显微组织的边部区域与心部区域是不同的，微观结构的边部区域为相对较均匀的细小晶粒，心部区域在相应的挤压下，具有极少数的白色岛状组织，为未完全再结晶的区域，从边部到心部，白色岛状组织逐渐增多。尤其在挤压比为6.25和13时，边部区域到心部区域的白色岛状组织较明显，只有少数地区发生足够的变形和完整的结晶，微观结构很不均匀。当挤压比为20.25和25时，白色岛状组织所占的面积较少，心部的微观组织变得均匀，再结晶颗粒无处不在，微观组织趋于均匀。由此可知随着挤压比的增大，白色岛状组织所占的面积逐渐减小，组织逐渐均匀。未均匀化预处理的AZ系列镁合金在挤压比为20.25及以上时，组织的均匀性较好。

图2 模拟挤压装置及坯料装配图Fig.2 Simulation extrusion device and assembly blanks

图3 AZ31镁合金不同挤压比条件下的微观组织 （a）边部组织；（b）心部组织；（1）λ＝6.25；（2）λ＝13；（3）λ＝20.25；（4）λ＝25Fig.3 The micro structure of AZ31magnesium alloy under different extrusion ratio（a）micro structure of the edge；（b）micro structure of the center；（1）λ＝6.25；（2）λ＝13；（3）λ＝20.25；（4）λ＝25

2.2 Al含量及均匀化预处理对AZ系列镁合金组织均匀性的影响

将不同Al含量的AZ10，AZ31，AZ61和AZ91均匀化预处理与未均匀化试样分别在挤压比为20.25、挤压温度为390℃、挤压速率为10mm／min下进行热模拟挤压实验。挤压制品纵剖面边部区域与心部区域的微观组织如图4所示。

由图4可知，AZ10均匀化与未均匀化的挤压制品晶粒尺寸分别为20μm和15μm，边部区域与心部区域的微观组织非常相似，均为再结晶的细晶粒，边缘区和中心区均未发现白色条纹，但有一些颗粒具有较大的尺寸。

图4 AZ系列镁合金均匀化与未均匀化的微观组织（a）AZ10；（b）AZ31；（c）AZ61；（d）AZ91；（1）均匀化边部；（2）均匀化心部；（3）未均匀化边部；（4）未均匀化心部Fig.4 Microstructure of homogenized and nonhomogenized AZ series Mg alloys（a）AZ10；（b）AZ31；（c）AZ61；（d）AZ91；（1）edge area of homogenized；（2）central area of homogenized；（3）edge area of nonhomogenized；（4）central area of nonhomogenized

AZ31，AZ61，AZ91镁合金均匀化预处理与未均匀化的挤压制品边缘区域与中心区域的微观组织存在较大差异，其中均匀化的AZ31，AZ61，AZ91镁合金挤压组织比较均匀，均为再结晶的晶粒，其中也包含一些异常长大的晶粒，平均晶粒尺寸分别为12，8，9μm，均比AZ10均匀化挤压制品的晶粒要细；而挤压前未经均匀化的AZ31，AZ61，AZ91镁合金挤压制品的微观组织具有狭隘的条纹，并被再结晶颗粒包围，从边缘到心部，挤压条纹逐渐增多，且随着Al含量的增加，挤压条纹逐渐变窄且细，即AZ91的挤压条纹比AZ61的细，AZ61的挤压条纹比AZ31的细。总之，AZ31，AZ61，AZ91未均匀化的挤压制品微观组织不均匀，但晶粒非常细小，晶粒尺寸分别为11，5，4μm。

从图4可以看出，挤压前均匀化预处理和合金含量对AZ系列镁合金的组织均匀性影响明显。挤压前经均匀化预处理的热挤压变形组织更均匀，但平均晶粒尺寸更大；未经均匀化的热挤压合金组织存在挤压条纹，组织均匀性差，但平均晶粒度更小。AZ系列镁合金经热挤压后的再结晶晶粒平均尺寸与合金含量的关系如图5所示，挤压前经均匀化预处理的AZ系列合金组织均匀性较好，但平均晶粒尺寸较大，其中Al含量为6%（质量分数，下同）时合金的平均晶粒尺寸最小。未经均匀化预处理的AZ系列合金挤压后，再结晶的晶粒平均尺寸更细小，随着Al含量的增加，晶粒尺寸逐渐减小，且未再结晶的变形条带数量减少，宽度变小，分布更均匀，其中Al含量为6%时的AZ61合金组织均匀性最好。

2.3 合金的变形条带及混晶组织分析

图5 Al含量和均匀化预处理对晶粒尺寸的影响Fig.5 Effects of Al content and homogenization on the grain size of extruded AZ series alloys

热挤压态合金中的未再结晶变形条带破坏基体均匀性，对力学性能具有不利影响，本工作对其结构和成因进行了分析。图6（a）为AZ61未经过均匀化处理而挤压的变形组织SEM形貌，显示该变形条带被周围的再结晶细晶粒所包围，呈吞噬态势，以此趋势发展，变形条带将被周围的再结晶细晶粒逐渐吞灭，直到转变成若干等轴的大晶粒，只是因挤压变形温度较低、变形后温度降低过快或变形能不足的原因而未发生再结晶，致使变形后的组织停滞在未变形的条带状态，如图6（b）所示。变形条带的长度方向与挤压方向基本一致，条带中存在一些平行条纹，平行条纹与挤压方向约成45°的倾角，见图6（c）。长条状晶粒内部的平行条纹是由变形产生的晶内亚结构，因变形储藏能不足而未完成再结晶，残留了变形组织特征。沿该变形条带宽度方向进行能谱线扫描，分析其化学成分分布，结果如图6（d）～（f）所示：变形条带相对于邻近的完全再结晶等轴晶粒区域，所含合金元素的质量分数更低。说明在热挤压变形中，AZ系列合金α固溶体中合金元素含量不均匀时，元素含量较高的区域更易于在热挤压变形过程中发生再结晶。

图6 AZ61未均匀化挤压合金的SEM 形貌（a），（b），（c）及能谱线扫描分析（d），（e），（f）Fig.6 SEM morphology（a），（b），（c）and line scanning analysis（d），（e），（f）of extruded AZ61alloy without homogenization

镁属于密排六方晶体结构，室温下α－Mg相的塑性变形只有（0001）1个滑移面和该面上的，和密排方向组成的3个滑移系，在200℃以上镁及其合金第一类角锥面｛1011｝上的滑移系可以开动，225℃以上第二类角锥面｛1012｝上的滑移系也可以开动[6－8］。在实验所用的390℃挤压可以激活棱柱面｛1011｝〈1120〉滑移系，开动第二类角锥面滑移系，提供协调任意方式形变所需的5个独立滑移系；合金可通过滑移实现持续塑性形变及热变形过程中的再结晶，但α－Mg相的合金含量及未溶共晶化合物的存在，会造成合金各局部区域塑性变形方式的改变和变形程度的差异以及再结晶发生先后及程度的差异，最终导致变形组织局部不均匀[9－11］。

AZ系列镁合金在热挤压变形中经受极大程度的变形，首先形成纤维状变形组织，在挤压应力和热能作用下，纤维状条带内部由位错滑移形成如图6（c）所示的亚晶结构，进而通过亚晶合并机制形成较大尺寸的大角度亚晶，随后通过晶界迁移，亚晶进一步合并和转动，发生动态再结晶，最终形成大角度晶粒，如图4（b）所示。在热挤压过程中，合金元素含量高的区域，因温降和形变诱导等原因，更容易形成Mg17Al12等第二相粒子，第二相粒子阻碍位错的滑移而形成位错缠结，利于积蓄较大的变形储藏能，促进再结晶的形核[12，13］。因此，当合金的成分均匀化不充分时，合金含量高的区域在热变形中将优先发生再结晶，并消耗大量的变形储藏能，使得相邻的合金含量低的区域因驱动能不足而迟滞再结晶的进行，残留下变形条带。另一方面，低合金含量的区域随着时间的延续完成了再结晶，但是由于高合金浓度的区域再结晶优先发生，并因软化而使变形抗力降低，在后续的变形中易于优先获得足够的变形量而发生再结晶，获得极细小的再结晶组织，而使得合金产生如图4所示的混晶组织。

由上述分析可知，AZ系列镁合金经过均匀化退火处理，尤其经过充分的成分均匀化形成单一的α－Mg固溶体，有利于避免变形合金中残留未再结晶条带组织，从而避免形成再结晶混晶组织，可获得均匀的热变形再结晶组织。

3 结论

（1）AZ系列镁合金挤压制品的微观组织边部区域与心部区域存在差异，边部组织较均匀，均为再结晶的细晶粒，而心部组织不均匀，存在部分白色岛状组织。随着挤压比的增大，白色岛状组织所占的面积比逐渐减小，组织逐渐均匀，当挤压比为20.25及以上时，AZ系列镁合金的不均匀微观结构基本被消除，组织的均匀性较好。

（2）AZ系列镁合金在390℃挤压比为20.25时，挤压前经均匀化预处理的挤压组织均匀性较好，但平均晶粒尺寸更大，其中Al含量为6%时的合金平均晶粒尺寸最小。未经均匀化的挤压变形组织存在残留变形条纹，组织均匀性差，但再结晶的晶粒平均尺寸更细小，随着Al含量的增加，挤压前未经均匀化预处理的合金晶粒度变化更显著，AZ系列镁合金挤压组织未再结晶的变形条带数量减少，宽度变小，分布更均匀，其中Al含量为6%时的AZ61合金组织均匀性最好。

（3）AZ系列镁合金在成分均匀化不充分时，合金含量低区域易产生未再结晶的变形条带；高合金含量区域再结晶易优先发生，形成极细晶粒条带，产生混晶组织。

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