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近些年來，航空、航天、汽車、3C產(chǎn)品以及軍工等領(lǐng)域?qū)?b>鎂合金的需求不斷增長，對其力學(xué)性能的要求也不斷提高[1-2]，傳統(tǒng)鑄造鎂合金已經(jīng)漸漸無法滿足要求。這種情況下，采用擠壓、軋制、鍛造等塑性加工工藝生產(chǎn)的變形鎂合金產(chǎn)品，由于具有更好的力學(xué)性能、多樣化的結(jié)構(gòu)而越來越受到重視[3-4]。其中，軋制作為鎂合金塑性加工的重要手段得到了長足的發(fā)展，產(chǎn)生了多種軋制方法。這些軋制方法主要通過兩個途徑來提高板材性能：（1）細化晶粒提高塑性[5-6]。研究表明，晶粒尺寸小于10μm時，鎂合金將體現(xiàn)出良好的超塑性[7-8]；（2）降低織構(gòu)強度，減小各向異性程度[9-10]。鎂合金板材各向異性程度高，力學(xué)性能（如抗拉強度和延伸性能）不平均，通過控制織構(gòu)降低各向異性程度，可有效的提高板材性能。
1 常規(guī)軋制方法
1.1 熱軋
鎂合金熱軋板材的組織主要由孿晶、切變帶等變形組織及細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒組成。動態(tài)再結(jié)晶是其主要的細化機制。熱軋過程中，溫度、變形量、變形速率等因素將會影響組織形態(tài)與再結(jié)晶的發(fā)生。具體為：高溫促進位錯滑移，增加形核率，可提高再結(jié)晶組織的比例[11-12]；高應(yīng)變速率使位錯急劇堆積，應(yīng)力集中得不到釋放，抑制動態(tài)再結(jié)晶的形核[13]；大變形量增加位錯密度，促進再結(jié)晶形核。如大應(yīng)變軋制（large strain rolling）就采用了大變形量來獲得更多的細化組織[14]，其晶粒尺寸可達到2μm～3 μm[15]。熱軋板材中孿晶等變形組織經(jīng)過退火后將發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶或回復(fù)，轉(zhuǎn)化為更多的等軸晶。
研究表明[16]，熱軋過程中鎂合金將形成強（0002）基面織構(gòu)，基本特征為（0002）基面平行于軋面（圖la）。這種織構(gòu)由塑性變形過程中基面滑移、錐面滑移共同造成的，一般隨著軋制道次的增多和板材厚度的減薄，織構(gòu)將逐漸增強，當(dāng)板材軋制到薄板時，形成較強的基面織構(gòu)[17]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱軋時采用大應(yīng)變可以降低織構(gòu)強度[15]，見圖lb，退火也組織構(gòu)有一定的弱化作用。
1.2 冷軋
熱軋除變形量大，工藝簡單，利于工業(yè)化大生產(chǎn)的優(yōu)點外，也存在著一些不足，如溫度過高不利于控制板形和表面光潔度，力學(xué)性能較低等。而應(yīng)用冷軋工藝可以有效克服上述不足，通過控制變形量和退火，可得到尺寸精度高、力學(xué)性能好的薄板。
鎂合金冷軋板材組織中主要為粗大的晶粒，且晶粒內(nèi)部有大量孿晶。這是因為室溫下鎂合金可開動的滑移系少，要依靠孿生，主要是錐面孿生才能發(fā)生變形[21]。冷軋細織的細化主要通過退火靜態(tài)再結(jié)晶來完成。退火時，再結(jié)晶晶粒在原始晶粒邊界形核長大，取代粗大的原始晶粒，得到細小再結(jié)晶組織[19]。鎂合金冷軋后板材具有較高強度，但伸長率較低，通過適當(dāng)退火，也可提高冷軋板材的塑性[18]。
冷軋AZ31鎂合金織構(gòu)形態(tài)與熱軋織構(gòu)有顯著的區(qū)別，其基面的織構(gòu)極密度分布呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，與熱軋的相比，強度上冷軋板材的基面織構(gòu)強度更高。過程為：室溫下基面滑移系難以開動，晶內(nèi)誘發(fā)了孿生，改變了孿生部分晶體基面的取向關(guān)系，使孿生體內(nèi)的基面滑移系得以開動，塑性變形繼續(xù)進行，并產(chǎn)生二次孿晶：這一系列復(fù)雜的變形最終使得基面的取向偏離板材的法向，形成基面織構(gòu)的雙峰特征。冷軋織構(gòu)退火后分布規(guī)律沒有太大變化，僅強度有所下降。
2 特別軋制方法
2.1 降溫軋制
鎂合金板材冷軋、熱軋時多采用恒定的溫度，楊平[22]等人利用道次間溫度的下降，結(jié)合退火，進行了降溫軋制。軋制過程中，首階段溫度較高，退火次數(shù)少且時間短，采用大壓下量降低板材厚度。隨著軋制的進行，板材溫度下降，采用較小的壓下量，延長退火時間，利用靜態(tài)再結(jié)晶和回復(fù)細化組織。經(jīng)試驗，通過該種軋制方法可以制成0.3 mm厚度的薄板，且平均晶粒尺寸可達到7μm[22]。
降溫軋制開始階段由于溫度較高，加之具有較大的變形量，因而組織中主要發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，生成了大量等軸小晶粒，尺寸約4μm，見圖3a。圖3c、c、g顯示，隨著軋制溫度的下降，動態(tài)再結(jié)晶組織成分開始減少，孿晶及切變帶開始增多，其中切變帶起到了細化組織的作用[23]：切變帶內(nèi)含有大量細小（亞）晶粒，其尺寸不到1μm。這些組織在退火后可長大為較均勻的細小再結(jié)晶組織，再進行軋制又能形成擴展的切變帶。反復(fù)軋制、退火可形成較大范圍的切變帶區(qū)，最終退火后形成大范圍細晶區(qū)。圖3b、d、f、h顯示，退火使組織發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶及晶粒回復(fù)，消除了缺陷和變形組織，使組織更加均勻。
降溫軋制由于一直處于熱軋、溫軋范圍內(nèi)（400℃～160℃），高于室溫，因此織構(gòu)并未出現(xiàn)冷軋時繞TD傾轉(zhuǎn)的雙峰基面織構(gòu)形狀[24-25]。如圖4所示，軋制后及退火后均為強基面織構(gòu)，與其他熱軋鎂合金強基面織構(gòu)相似。
2.2 交叉軋制
普通單向軋制生產(chǎn)的板材常具有較強的基面織構(gòu)，各向異性強。為使板材各方向性能均勻，Yasumasa Chino[26]、張青來[27]等研究了交叉軋制的軋制方法，大大降低了基面織構(gòu)，減輕了材料的各向異性，可很好的改善板材的沖壓性能。
交叉軋制在軋制過程中將改變軋制方向（改變90°）。軋制中可以每道次后都改變軋向[26]，也可以保持一個方向軋制多道次后再變向軋制[27]。通過研究發(fā)現(xiàn)，溫度較高時，交叉軋制后板材也發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，得到大量等軸晶，晶粒大小與普通單向熱軋結(jié)果沒有太大的差別，甚至略大，見圖5a、b。另一方面溫度較低些時，組織中存在著大量孿晶、亞結(jié)構(gòu)和位錯等微觀細小組織。這些組織使得軋制AZ31鎂合金在高應(yīng)變速率下獲得良好的塑性變形[27]，同時退火后將成為細化的等軸晶。與單向軋制相比，交叉軋制組織具有更好的均勻性和等軸性，即晶粒大小較均勻，多為等軸晶，見圖5c、d。這種組織能使深沖壓加工的應(yīng)力和應(yīng)變分布均勻，有利于提高板材的塑性變形和深沖性能。
如圖6所示，與單向軋制板材的織構(gòu)相比，交叉軋制得到的板材基面織構(gòu)強度大大降低。這主要得益于軋制方向的不斷變化，使得組織的取向性降低，各方向更加平均。織構(gòu)強度的降低，材料各向異性減輕或消除[28]，加上交叉軋制板材組織的均勻性，為深沖變形提供了良好的條件。通過鎂合金薄板溫拉深性能實驗驗證[27]，交叉軋制材料的伸長率顯著提高，其拉深比可達到2.15，明顯地提高了材料的沖壓成功率。
2.3不對稱軋制
SHLee[29]，KHKim[30]等曾針對鐵、鋁等材料進行過不對稱軋制研究，獲得了較好的結(jié)果。SHKim[31-32]將其原理應(yīng)用于鎂合金板材的軋制，通過分析發(fā)現(xiàn)不對稱軋制可以有效地細化晶粒，得到較弱的基面織構(gòu)，且其基面織構(gòu)具有強度沿板材厚度逐級下降的特點。
不對稱軋制采用上下軋輥直徑不同的軋機，軋制時軋輥角速度相同而線速度不同，板材不同厚度部位受到不同切應(yīng)力切應(yīng)變。這些切應(yīng)變改變了織構(gòu)的分布，也改變了晶粒尺寸[29-30]。圖7顯示，不對稱軋制后板材上下表面及中心存在著大量的孿晶、切變帶等變形組織，而沒有動態(tài)再結(jié)晶晶粒，與一般大變形熱軋組織有較大的區(qū)別S H Kim[31-32]認(rèn)為這是由不對稱軋制時的變形量和速率決定的。不對稱軋制過程中變形速率很快，抑制了位錯滑移，因而材料發(fā)生了流變應(yīng)力集中，動態(tài)再結(jié)晶來不及發(fā)生[31]。軋制板材退火后，將以靜態(tài)再結(jié)晶方式得到對應(yīng)的等軸晶。
不對稱軋制所得織構(gòu)與普通軋制織構(gòu)差別也很大。普通熱軋板材中心{0002}基面織構(gòu)強度弱于表面的。而不對軋制板材{0002}織構(gòu)輕度從上表面到中心再到下表面逐級下降，下表面{0002}基面織構(gòu)強度最低。經(jīng)退火后整體基面織構(gòu)強度顯著降低，降低幅度超過原強度的一半，見圖8。K H Kim[30]推斷剪切反轉(zhuǎn)量（shear reversal）可以弱化{0002}基面織構(gòu)，不對稱軋制過程中，下表面剪切反轉(zhuǎn)量大于上表面的。因此產(chǎn)生了該種織構(gòu)。對鐵、鋁進行不對稱軋制也得到了相同特點的織構(gòu)[29-30]。
2.4 累積疊軋
1998年～1999年Y Saito，N Tsuji[33-35]等人利用累積疊軋的方法針對鋁、鐵等合金進行了研究。M T Pérez—Prado[36-37]隨后于2005年將其應(yīng)用于鎂合金AZ31、AZ91、AZ61，并且研究了材料的力學(xué)性能[38]。累積疊軋作為大應(yīng)變軋制(1arge strain rolling)中的一種，在細化晶粒的同時，還可以有效調(diào)節(jié)板材的厚度，使板材厚度增厚、減薄或保持不變。
累積疊軋過程如圖9所示，分為切割、表面處理、疊垛、預(yù)熱、軋制幾個步驟，可視情況重復(fù)進行。軋制過程中改變壓下量，可調(diào)整軋后板材厚度。
累積疊軋屬于大應(yīng)變軋制，因此組織發(fā)生顯著細化，出現(xiàn)大量的動態(tài)再結(jié)晶晶粒，見圖10。第一道次后平均晶粒尺寸就達到了4.2μm，隨后的軋制中，晶粒尺寸一直保持在3μm，組織變得更加勻。研究表明，累積疊軋中一旦獲得臨界最小晶粒尺寸，則后續(xù)道次將沒有顯著的細化效果。經(jīng)過累積疊軋后晶粒尺寸與其他大塑性變形SPD技術(shù)(如ECAE)[39-40]得到的晶粒尺寸相近。圖11顯示，累積疊軋加工過程中板材的{0002}基面織構(gòu)很穩(wěn)定，為比較典型的鎂合金熱軋織構(gòu)。
除AZ31鎂合金外，累積疊軋應(yīng)用于AZ61、AZ9l輕含金加工技術(shù)鎂合金時，情形也較為相似，不同之處在于，鋁含量的增加在軋制過程中將導(dǎo)致析出第二相，抑制晶界運動，有利于獲得更小尺寸的晶粒[41]，但是將造成組織的不均勻，因此要增加軋制道次數(shù)來提高組織的均勻性。
3 結(jié)束語
鎂合金軋制是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)鎂合金材料的重要手段，長期以來，由于鎂合金板材變形性能不好，限制了鎂合金板材的應(yīng)用。通過對不同軋制方法的研究，有助于找到控制板材組織及織構(gòu)的有效方法，使其既能得到細化組織產(chǎn)生超塑性，又能降低織構(gòu)強度使各方向性能更加平均。從而大大的改善板材的變形性能，使鎂合金板材得到更加廣泛的應(yīng)用。
(關(guān)鍵字：鎂合金 軋制 軋制方法)
