工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 吴宗河祁梓宸许朋朋赵云鹏肖宏 Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets WU Zong-he,QI Zi-chen,XU Peng-peng.ZHAO Yun-peng.XIAO Hong 引用本文： 吴宗河，祁梓宸，许朋朋，赵云鹏，肖宏.热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能.工程科学学报，2020,42(5)：620- 627.doi:10.13374/i.issn2095-9389.2019.05.25.002 WU Zong-he,QI Zi-chen,XU Peng-peng.ZHAO Yun-peng,XIAO Hong.Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(5):620-627.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.05.25.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 7075铝合金板材热冲压成形中的高温摩擦 High-temperature friction of 7075 aluminum alloy sheet in hot stamping 工程科学学报.优先发表htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.11.004 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报.2018.40(12：1525htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.011 高应变速率下钛-钢复合板界面组织特征及变形机制 Interfacial microstructure and deformation mechanism of Ti-steel clad plate under high strain rate 工程科学学报.2017,397)：1070 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.07.013 热轧过程中摩擦系数非对称性对轧机振动及稳定性的影响 Influence of friction coefficient asymmetry on vibration and stability of rolling mills during hot rolling 工程科学学报.2019,41(11)：1465htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.03.06.002 基于厚向组织性能考量的7B50铝合金中厚板回归再时效热处理 Retrogression and re-aging 7B50 Al alloy plates based on examining the through-thickness microstructures and mechanical properties 工程科学学报.2017,393：432 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.03.016 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 Microstructure and properties of CuAl-laminated composites fabricated via formation of a horizontal continuous casting composite 工程科学学报.2020,42(2：216htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.08.005
热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 吴宗河 祁梓宸 许朋朋 赵云鹏 肖宏 Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets WU Zong-he, QI Zi-chen, XU Peng-peng, ZHAO Yun-peng, XIAO Hong 引用本文: 吴宗河, 祁梓宸, 许朋朋, 赵云鹏, 肖宏. 热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能[J]. 工程科学学报, 2020, 42(5): 620- 627. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002 WU Zong-he, QI Zi-chen, XU Peng-peng, ZHAO Yun-peng, XIAO Hong. Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(5): 620-627. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 7075铝合金板材热冲压成形中的高温摩擦 High-temperature friction of 7075 aluminum alloy sheet in hot stamping 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.11.004 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报. 2018, 40(12): 1525 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.011 高应变速率下钛-钢复合板界面组织特征及变形机制 Interfacial microstructure and deformation mechanism of Ti-steel clad plate under high strain rate 工程科学学报. 2017, 39(7): 1070 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.013 热轧过程中摩擦系数非对称性对轧机振动及稳定性的影响 Influence of friction coefficient asymmetry on vibration and stability of rolling mills during hot rolling 工程科学学报. 2019, 41(11): 1465 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.06.002 基于厚向组织性能考量的7B50铝合金中厚板回归再时效热处理 Retrogression and re-aging 7B50 Al alloy plates based on examining the through-thickness microstructures and mechanical properties 工程科学学报. 2017, 39(3): 432 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.016 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 Microstructure and properties of CuAl-laminated composites fabricated via formation of a horizontal continuous casting composite 工程科学学报. 2020, 42(2): 216 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.005
工程科学学报.第42卷.第5期：620-627.2020年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.5:620-627,May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002;http://cje.ustb.edu.cn 热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 吴宗河，祁梓宸，许朋朋，赵云鹏，肖宏区 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心.秦皇岛066004 通信作者，E-mail:xhh@ysu.edu.cn 摘要为了研究热轧铝/镁复合板结合强度的变化规律，本文综合考虑压下率、轧制温度和轧制速度等多种轧制参数，单道 次热轧制备了7075A/AZ31BMg复合板.结果表明：在复合板轧制过程中由于热和强变形作用组织发生了动态再结晶，且增 大轧制速度有助于镁基体产生完全动态再结晶.在相同轧制温度下，铝镁复合板结合强度均随压下率增加先升高后降低：强 度升高是由于界面元素扩散宽度的增大和镁合金近界面晶粒组织的细化所致，强度降低是由于大变形导致镁基体近界面处 产生裂缝，以及塑性功产生热量过多使得镁基体温度升高导致的镁侧晶粒长大所致.对复合板进行拉剪实验，铝镁结合界面 剪切强度较低时，断裂发生在复合界面处且成脆性断裂特征，强度较高时断口形貌呈韧性断裂特征，断裂发生在镁基体侧 关键词7075铝合金；AZ31B镁合金：热轧：结合强度：微观组织 分类号TG142.71 Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets WU Zong-he,QI Zi-chen.XU Peng-peng,ZHAO Yun-peng,XIAO Hong National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China Corresponding author,E-mail:xhh @ysu.edu.cn ABSTRACT Magnesium/aluminum(Mg/Al)bimetallic laminated composites have attracted considerable attention because of their excellent properties.Mg alloys are lightweight structural metals with low density and excellent properties such as high stiffness-to- weight ratio,high strength-to-weight ratio,and good damping capacity.Thus,Mg alloys have considerable potential in automotive and aerospace fields.However,the application of Mg and its alloys is still restricted because of their low corrosion resistance.By contrast,as structural materials,Al alloys are widely used in mechanical and aerospace fields because of their excellent properties,such as light weight,high corrosion resistance,low cost,and good plastic formability.Therefore,Mg/Al laminated composites that combine the advantages of substrates to achieve appropriate coordination,have attracted worldwide attention.To analyze the variation of the bonding strength of hot-rolled Al/Mg clad sheets,various rolling parameters,such as reduction ratio,rolling temperature,and rolling speed,were comprehensively considered in this work.Moreover,7075 Al/AZ31B Mg composite plates were prepared by single-pass hot rolling. Results show that dynamic recrystallization occurs in the microstructure of the Mg matrix during the rolling process because of heat and strong deformation.Furthermore,the increase in the rolling speed contributed to the complete dynamic recrystallization.At the same rolling temperature,the bonding strength of the Al/Mg composite plates first increased and then decreased with the increase in the reduction ratio.The bonding strength increased because of the increase in the element diffusion width across the interface and the grain refinement near the Mg interface.The bonding strength decreased because cracks occurred near the interface of the Mg matrix due to the strong deformation and excess heat generated by the plastic work,resulting in the growth of the Mg side grains with the increase in the temperature of the Mg matrix.The shear test was conducted on the composite plates.When the shear strength of the Al/Mg composite plates was low,shear fracture occurred at the interface with brittle fracture feature.Although the fracture morphology presented a ductile 收稿日期：2019-05-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474190)
热轧 7075/AZ31B 复合板的显微组织及结合性能 吴宗河，祁梓宸，许朋朋，赵云鹏，肖 宏苣 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，秦皇岛 066004 苣通信作者，E-mail：xhh@ysu.edu.cn 摘 要 为了研究热轧铝/镁复合板结合强度的变化规律，本文综合考虑压下率、轧制温度和轧制速度等多种轧制参数，单道 次热轧制备了 7075 Al/AZ31B Mg 复合板. 结果表明：在复合板轧制过程中由于热和强变形作用组织发生了动态再结晶，且增 大轧制速度有助于镁基体产生完全动态再结晶. 在相同轧制温度下，铝镁复合板结合强度均随压下率增加先升高后降低；强 度升高是由于界面元素扩散宽度的增大和镁合金近界面晶粒组织的细化所致，强度降低是由于大变形导致镁基体近界面处 产生裂缝，以及塑性功产生热量过多使得镁基体温度升高导致的镁侧晶粒长大所致. 对复合板进行拉剪实验，铝镁结合界面 剪切强度较低时，断裂发生在复合界面处且成脆性断裂特征，强度较高时断口形貌呈韧性断裂特征，断裂发生在镁基体侧. 关键词 7075 铝合金；AZ31B 镁合金；热轧；结合强度；微观组织 分类号 TG142.71 Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets WU Zong-he，QI Zi-chen，XU Peng-peng，ZHAO Yun-peng，XIAO Hong苣 National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China 苣 Corresponding author, E-mail: xhh@ysu.edu.cn ABSTRACT Magnesium/aluminum (Mg/Al) bimetallic laminated composites have attracted considerable attention because of their excellent properties. Mg alloys are lightweight structural metals with low density and excellent properties such as high stiffness-toweight ratio, high strength-to-weight ratio, and good damping capacity. Thus, Mg alloys have considerable potential in automotive and aerospace fields. However, the application of Mg and its alloys is still restricted because of their low corrosion resistance. By contrast, as structural materials, Al alloys are widely used in mechanical and aerospace fields because of their excellent properties, such as light weight, high corrosion resistance, low cost, and good plastic formability. Therefore, Mg/Al laminated composites that combine the advantages of substrates to achieve appropriate coordination, have attracted worldwide attention. To analyze the variation of the bonding strength of hot-rolled Al/Mg clad sheets, various rolling parameters, such as reduction ratio, rolling temperature, and rolling speed, were comprehensively considered in this work. Moreover, 7075 Al/AZ31B Mg composite plates were prepared by single-pass hot rolling. Results show that dynamic recrystallization occurs in the microstructure of the Mg matrix during the rolling process because of heat and strong deformation. Furthermore, the increase in the rolling speed contributed to the complete dynamic recrystallization. At the same rolling temperature, the bonding strength of the Al/Mg composite plates first increased and then decreased with the increase in the reduction ratio. The bonding strength increased because of the increase in the element diffusion width across the interface and the grain refinement near the Mg interface. The bonding strength decreased because cracks occurred near the interface of the Mg matrix due to the strong deformation and excess heat generated by the plastic work, resulting in the growth of the Mg side grains with the increase in the temperature of the Mg matrix. The shear test was conducted on the composite plates. When the shear strength of the Al/Mg composite plates was low, shear fracture occurred at the interface with brittle fracture feature. Although the fracture morphology presented a ductile 收稿日期: 2019−05−25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (51474190) 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期：620−627，2020 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 5: 620−627, May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002; http://cje.ustb.edu.cn
吴宗河等：热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 621 fracture feature with high shear strength,the fracture occurred on the Mg alloy side KEY WORDS 7075 aluminum alloy;AZ31B magnesium alloy;hot rolling;bond strength;microstructure 在当前经济可持续发展战略下，轻型结构的 轧制温度下采用30%、40%和50%三个压下率单 广泛应用对节能减排具有重要意义山镁是地球上 道次热轧制备了7075A1/Mg-12Gd-3Y-0.5Zr/7075 储量最多的轻金属元素之一，镁合金是目前实际 A!复合板，在相同温度下铝镁复合板的结合强度 工程应用中最轻的结构材料，具有比强度和比刚 随着压下率的增加而升高；另外，Zhang等m还在 度高、导热导电性良好和吸振能力强等优点四，被 400、450、465和475℃四个轧制温度下采用60%、 誉为21世纪超轻量绿色金属材料，在航空航天、汽 70%和80%三个压下率单道次热轧制备了7075 车工业、电子通讯等领域有着广阔的应用前景仰 AI/AZ31BMg7075A1复合板，在相同温度下随着 虽然镁合金具有很多优异的性能，但镁晶体 压下率的增加，铝镁复合板的结合强度反而降低 的密排六方结构(HCP)仅有3个滑移系，导致其成 压下率对铝镁复合板结合强度的影响存在差异， 形性能较低，并且镁合金性质活泼，表面会形成 对于其影响机理还缺乏统一的认识 疏松的MgO膜，使其耐腐蚀性较差阿，而耐腐蚀性 为了研究轧制参数对铝镁复合板结合强度的 差是制约镁合金在结构轻量化中被大规模使用的 影响变化规律，本文综合考虑压下率、轧制温度、 主要因素之一-！相比而言，铝及其合金具有耐 轧制速度等多种轧制参数，单道次热轧制备了 腐蚀性强、表面可修复性好、塑性加工性能优异 7075AVAZ31BMg复合板，并对铝/镁复合板的金 等一系列优点.在镁合金板材的单侧或者上下两 相组织、结合强度、界面和拉剪断口进行了研究， 侧覆盖一层铝合金金属板可有效改善镁合金板的 通过研究轧制工艺参数对复合板结合性能的影响 抗腐蚀性和成形性能，并可以充分利用镁合金与 规律，揭示结合强度变化规律的原因，为轧制制备 铝合金的各自优势 铝镁复合板确定较为合理的轧制工艺 铝/镁复合板的制备方法主要有爆炸焊接、轧 制复合和扩散焊接等方法，相比于爆炸焊接©-山 1实验方法 和扩散焊接法2-)，轧制复合法具有对环境污染 实验中使用的材料是AZ31B镁合金板和 小、复合后的各层材料厚度均匀、复合材料性能 T6态的7075铝合金板，其中AZ31B镁合金板厚 均匀一致性好、生产效率高成本低等优点.影响 度为2mm,7075铝合金板厚度为3mm,将原始材 A1Mg轧制复合板性能的因素有很多，如轧制温 料平行于原始轧制方向切割成100mm×30mm的 度、轧制速度以及压下率等，国内外许多学者对相 片，所用7075铝合金和AZ31B镁合金板材化学元 关课题进行了研究，Lu0等4采用二道次热轧法 素含量列于表1. 制备了5052AI/AZ31Mg5052A1复合板，第一道 在该实验中，通过配备有钢丝刷的角磨机除 次在350℃、40%压下率下进行轧制，第二道次在 去金属待复合表面上的油脂、污垢和氧化物，然后 400℃、50%压下率下进行轧制，该复合板拥有良 用丙酮和乙醇反复清洁表面，并立即用吹风机干 好的整体拉伸性能，但是没有对复合板的结合性 燥.为了轧制过程的稳定进行，采用一端铆接的固 能进行讨论.张建军在400℃轧制温度下单道 定方式将AZ31B板和7075板组坯.为防止加热时 次热轧制备了不同压下率的5052AI/AZ31BMg/5052 间过长导致板坯产生严重氧化，分别将加热炉的 A1复合板，结果表明随压下量逐步增加(30%~70%)， 温度设定为500,550和600℃三个较高炉温，将 AI/Mg轧制复合板界面结合由初始的机械结合逐 组后的板坯分别在加热炉中加热5min,经过K型 步转变为机械和治金的混合结合，界面结合强度 热电偶丝实测，此时板坯温度分别为350.370和 逐步提高.Zhang等在450、465和475℃三个 420℃，分别进行复合板总体压下率为30%，40%， 表1铝合金7075和镁合金AZ31B的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Al alloy 7075 sheet and Mg alloy AZ31B sheet % Materials Fe Cu Ti Cr Zn Si Mn Mg Al Ca Zn Be 7075-T6 0.5 1.6 0.2 0.23 5.6 0.4 0.3 2.5 Bal 一 AZ31B 0.03 0.335 Bal 3.1 0.05 0.82 0.1
fracture feature with high shear strength, the fracture occurred on the Mg alloy side. KEY WORDS 7075 aluminum alloy；AZ31B magnesium alloy；hot rolling；bond strength；microstructure 在当前经济可持续发展战略下，轻型结构的 广泛应用对节能减排具有重要意义[1] . 镁是地球上 储量最多的轻金属元素之一，镁合金是目前实际 工程应用中最轻的结构材料，具有比强度和比刚 度高、导热导电性良好和吸振能力强等优点[2] ，被 誉为 21 世纪超轻量绿色金属材料[3] ，在航空航天、汽 车工业、电子通讯等领域有着广阔的应用前景[4] . 虽然镁合金具有很多优异的性能，但镁晶体 的密排六方结构（HCP）仅有 3 个滑移系，导致其成 形性能较低[5] ，并且镁合金性质活泼，表面会形成 疏松的 MgO 膜，使其耐腐蚀性较差[6] ，而耐腐蚀性 差是制约镁合金在结构轻量化中被大规模使用的 主要因素之一[7−8] . 相比而言，铝及其合金具有耐 腐蚀性强、表面可修复性好、塑性加工性能优异 等一系列优点[9] . 在镁合金板材的单侧或者上下两 侧覆盖一层铝合金金属板可有效改善镁合金板的 抗腐蚀性和成形性能，并可以充分利用镁合金与 铝合金的各自优势. 铝/镁复合板的制备方法主要有爆炸焊接、轧 制复合和扩散焊接等方法，相比于爆炸焊接[10−11] 和扩散焊接法[12−13] ，轧制复合法具有对环境污染 小、复合后的各层材料厚度均匀、复合材料性能 均匀一致性好、生产效率高成本低等优点. 影响 Al/Mg 轧制复合板性能的因素有很多，如轧制温 度、轧制速度以及压下率等，国内外许多学者对相 关课题进行了研究, Luo 等[14] 采用二道次热轧法 制备了 5052 Al/ AZ31 Mg/5052 Al 复合板，第一道 次在 350 ℃、40% 压下率下进行轧制，第二道次在 400 ℃、50% 压下率下进行轧制，该复合板拥有良 好的整体拉伸性能，但是没有对复合板的结合性 能进行讨论. 张建军[15] 在 400 ℃ 轧制温度下单道 次热轧制备了不同压下率的 5052 Al/AZ31B Mg/5052 Al 复合板，结果表明随压下量逐步增加（30%～70%）， Al/Mg 轧制复合板界面结合由初始的机械结合逐 步转变为机械和冶金的混合结合，界面结合强度 逐步提高. Zhang 等[16] 在 450、465 和 475 ℃ 三个 轧制温度下采用 30%、40% 和 50% 三个压下率单 道次热轧制备 了 7075 Al/Mg-12Gd-3Y-0.5Zr/7075 Al 复合板，在相同温度下铝镁复合板的结合强度 随着压下率的增加而升高；另外，Zhang 等[17] 还在 400、450、465 和 475 ℃ 四个轧制温度下采用 60%、 70% 和 80% 三个压下率单道次热轧制备了 7075 Al/AZ31B Mg/7075 Al 复合板，在相同温度下随着 压下率的增加，铝镁复合板的结合强度反而降低. 压下率对铝镁复合板结合强度的影响存在差异， 对于其影响机理还缺乏统一的认识. 为了研究轧制参数对铝镁复合板结合强度的 影响变化规律，本文综合考虑压下率、轧制温度、 轧制速度等多种轧制参数 ，单道次热轧制备了 7075 Al/AZ31B Mg 复合板，并对铝/镁复合板的金 相组织、结合强度、界面和拉剪断口进行了研究， 通过研究轧制工艺参数对复合板结合性能的影响 规律，揭示结合强度变化规律的原因，为轧制制备 铝镁复合板确定较为合理的轧制工艺. 1 实验方法 实 验 中 使 用 的 材 料 是 AZ31B 镁 合 金 板 和 T6 态的 7075 铝合金板，其中 AZ31B 镁合金板厚 度为 2 mm，7075 铝合金板厚度为 3 mm，将原始材 料平行于原始轧制方向切割成 100 mm×30 mm 的 片，所用 7075 铝合金和 AZ31B 镁合金板材化学元 素含量列于表 1. 在该实验中，通过配备有钢丝刷的角磨机除 去金属待复合表面上的油脂、污垢和氧化物，然后 用丙酮和乙醇反复清洁表面，并立即用吹风机干 燥. 为了轧制过程的稳定进行，采用一端铆接的固 定方式将 AZ31B 板和 7075 板组坯. 为防止加热时 间过长导致板坯产生严重氧化，分别将加热炉的 温度设定为 500，550 和 600 ℃ 三个较高炉温，将 组后的板坯分别在加热炉中加热 5 min，经过 K 型 热电偶丝实测，此时板坯温度分别为 350，370 和 420 ℃，分别进行复合板总体压下率为 30%，40%， 表 1 铝合金 7075 和镁合金 AZ31B 的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Al alloy 7075 sheet and Mg alloy AZ31B sheet % Materials Fe Cu Ti Cr Zn Si Mn Mg Al Ca Zn Be 7075-T6 0.5 1.6 0.2 0.23 5.6 0.4 0.3 2.5 Bal. — — — AZ31B — — — — — 0.03 0.335 Bal. 3.1 0.05 0.82 0.1 吴宗河等： 热轧 7075/AZ31B 复合板的显微组织及结合性能 · 621 ·
622 工程科学学报，第42卷，第5期 45%,55%,62%和71%的单道次轧制实验.实验中 是复合板界面结合程度（面积结合率、元素扩散 二辊轧机的参数如下：轧辊尺寸为200mm×200mm, 等)，二是轧后复合板中力学性能相对较低的板材 轧制速度为50,100和150mms. 基体强度，金属基材的晶粒为等轴晶粒可以使得 在每个板中间位置平行于轧制方向切割四个 板材力学性能更加稳定，有利于提高复合板的结 样品进行拉剪实验，算取平均值以获得平均剪切 合性能.应变速率是影响晶粒状态的重要因素，因 强度.使用INSPEKT Table 100kN拉伸试验机进 此本文实验的第一项工作为确定合理的轧制速 行拉伸剪切试验.测试速度为0.2 mm min.图1 度.7075铝合金的力学性能远高于AZ31B镁合金 显示了拉伸剪切试验样品的几何形状，图中h0表 的力学性能，因此镁基体性能决定7075/AZ31B复 示轧后复合板的厚度与拉剪试样的宽度均为o, 合板的结合性能，综上，本文实验着重研究镁侧的 h1表示AZ31B层的厚度，(1.5~2)×h1表示待测结 组织变化规律. 合区的宽度为1.5到2倍的h1 根据前人的研究，350~420℃是热轧制备铝/ 镁复合板合理的轧制温度范围，另外，当压下率为 7075 mm 45%时复合板可以实现较好的冶金结合8-9，因 此，采用350℃、压下率45%的轧制参数，进行轧 AZ31B 制速度为50、100和150mms的轧制实验.图2 为7075/AZ31B复合板在350℃、45%压下率下，不 同轧制速度时镁合金基体的金相组织，在50mms1 (1.5-2)×h1 轧制速度下，金相组织呈现为杂乱的轧制态，存在 50mm 较为明显的剪切带；轧制速度为100mms时，产 图1拉伸剪切试验样品示意图 生了部分动态再结晶，细化等轴品粒开始出现，在 Fig.1 Schematic of the tensile shear test sample 剪切带处存在明显的细小等轴品粒层；150mms 轧制速度时，发生了完全动态再结晶，所有品粒处 沿轧制方向提取用于微观组织观察的试样 于等轴状态，这说明提高应变速率可促进镁合金 将试样表面用金刚砂纸研磨至5000#，并用粒径为 动态再结晶进程，此实验结果与文献[20]的研究 0.5um的Al2O3悬浊液抛光，抛光后用腐蚀剂（配 结果一致.另外，随着轧制速度的增加，镁合金与 比为：1g草酸，1mL浓硝酸，1mL冰乙酸，150mL 轧辊的接触时间变短，与轧辊热交换而损失的热 水)对AZ31B基体侧进行腐蚀.使用光学显微镜 量越少，使得轧后板坯的温度随着轧制速度的增 (OM,ZEISS Scope Al)和扫描电子显微镜(SEM, 加而变高，说明温度在变形期间对激活镁合金动 JSMT500)观察金相组织和拉剪断口形貌，通过 态再结晶过程起重要作用，与文献[21]的研究结 配备有能量色散谱仪(EDS)的扫描电镜检测界面 果相同.综上所述，当轧制速度为150mms时， 上的元素分布 镁合金基体发生完全动态再结晶，所有晶粒均为 2实验结果与讨论 等轴品粒，此时板材力学性能更加稳定，有利于提 高7075/AZ31B轧制复合板的结合性能.因此，本 2.1轧制速度的确定 文在接下来不同温度和压下率下制备铝镁复合板 复合板的结合强度主要受两个因素影响，一 的实验中轧制速度选取为150mms (a) b (c) 20m 20四 20 jm 图2不同轧制速度下复合板镁基体金相组织(350℃.压下率45%).(a)50mms:(b)100mms:(c)150mms1 Fig.2 Metallographic structure of the Mg composite matrix under different rolling speeds(350 C,45%reduction rate):(a)50 mm's;(b)100 mm's; (c)150 mm.s-
45%，55%，62% 和 71% 的单道次轧制实验. 实验中 二辊轧机的参数如下：轧辊尺寸为 ϕ200 mm×200 mm， 轧制速度为 50，100 和 150 mm·s−1 . 在每个板中间位置平行于轧制方向切割四个 样品进行拉剪实验，算取平均值以获得平均剪切 强度. 使用 INSPEKT Table 100 kN 拉伸试验机进 行拉伸剪切试验. 测试速度为 0.2 mm·min−1 . 图 1 显示了拉伸剪切试验样品的几何形状，图中 h0 表 示轧后复合板的厚度与拉剪试样的宽度均为 h0， h1 表示 AZ31B 层的厚度，（1.5～2）×h1 表示待测结 合区的宽度为 1.5 到 2 倍的 h1 . 沿轧制方向提取用于微观组织观察的试样. 将试样表面用金刚砂纸研磨至 5000#，并用粒径为 0.5 μm 的 Al2O3 悬浊液抛光，抛光后用腐蚀剂（配 比为：1 g 草酸，1 mL 浓硝酸，1 mL 冰乙酸，150 mL 水）对 AZ31B 基体侧进行腐蚀. 使用光学显微镜 （OM，ZEISS Scope A1）和扫描电子显微镜（SEM， JSM-IT500）观察金相组织和拉剪断口形貌，通过 配备有能量色散谱仪（EDS）的扫描电镜检测界面 上的元素分布. 2 实验结果与讨论 2.1 轧制速度的确定 复合板的结合强度主要受两个因素影响，一 是复合板界面结合程度（面积结合率、元素扩散 等），二是轧后复合板中力学性能相对较低的板材 基体强度，金属基材的晶粒为等轴晶粒可以使得 板材力学性能更加稳定，有利于提高复合板的结 合性能. 应变速率是影响晶粒状态的重要因素，因 此本文实验的第一项工作为确定合理的轧制速 度. 7075 铝合金的力学性能远高于 AZ31B 镁合金 的力学性能，因此镁基体性能决定 7075/AZ31B 复 合板的结合性能，综上，本文实验着重研究镁侧的 组织变化规律. 根据前人的研究，350～420 ℃ 是热轧制备铝/ 镁复合板合理的轧制温度范围，另外，当压下率为 45% 时复合板可以实现较好的冶金结合[18−19] ，因 此，采用 350 ℃、压下率 45% 的轧制参数，进行轧 制速度为 50、100 和 150 mm·s−1 的轧制实验. 图 2 为 7075/AZ31B 复合板在 350 ℃、45% 压下率下，不 同轧制速度时镁合金基体的金相组织，在 50 mm·s−1 轧制速度下，金相组织呈现为杂乱的轧制态，存在 较为明显的剪切带；轧制速度为 100 mm·s−1 时，产 生了部分动态再结晶，细化等轴晶粒开始出现，在 剪切带处存在明显的细小等轴晶粒层；150 mm·s−1 轧制速度时，发生了完全动态再结晶，所有晶粒处 于等轴状态，这说明提高应变速率可促进镁合金 动态再结晶进程，此实验结果与文献 [20] 的研究 结果一致. 另外，随着轧制速度的增加，镁合金与 轧辊的接触时间变短，与轧辊热交换而损失的热 量越少，使得轧后板坯的温度随着轧制速度的增 加而变高，说明温度在变形期间对激活镁合金动 态再结晶过程起重要作用，与文献 [21] 的研究结 果相同. 综上所述，当轧制速度为 150 mm·s−1 时， 镁合金基体发生完全动态再结晶，所有晶粒均为 等轴晶粒，此时板材力学性能更加稳定，有利于提 高 7075/AZ31B 轧制复合板的结合性能. 因此，本 文在接下来不同温度和压下率下制备铝镁复合板 的实验中轧制速度选取为 150 mm·s−1 . h0 h0 h1 7075 1 mm 50 mm 1 mm AZ31B (1.5~2)×h1 图 1 拉伸剪切试验样品示意图 Fig.1 Schematic of the tensile shear test sample 20 μm (b) (c) 20 μm 20 μm (a)图 2 不同轧制速度下复合板镁基体金相组织（350 ℃，压下率 45%）. （a） 50 mm·s−1；（b） 100 mm·s−1；（c） 150 mm·s−1 Fig.2 Metallographic structure of the Mg composite matrix under different rolling speeds (350 ℃, 45% reduction rate): (a) 50 mm·s−1; (b) 100 mm·s−1; (c) 150 mm·s−1 · 622 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期
吴宗河等：热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 623 2.2复合板的结合强度 100 ·-350℃ 根据上一节实验结果，采用150mms的轧制 80 ◆-370℃ 。一420℃ 速度，进行不同温度和压下率的轧制实验，图3为 60 7075/AZ31B复合板在150mms轧制速度、350~ 420℃轧制温度、30%~72%压下率下的结合强 40 度.从实验结果可以看出，在相同轧制温度下， 0 7075/AZ31B复合板的结合强度均随着压下率的增 加先升高后降低.在350℃轧制温度下，复合板的 30 4050 60 70 结合强度先由压下率40%时的17MPa升高到压 Reduction ratio/% 下率62%时的80MPa再降低到压下率70%时的 图3不同工艺下7075/AZ31B复合板的结合强度 63MPa;当轧制温度为370℃时，复合板的结合强 Fig.3 Bonding strength of the 7075/AZ31B clad sheet under different processes 度先由压下率40%时的28MPa升高到压下率63% 时的76MPa再降低到压下率72%时的68MPa: 降低，为了分析上述现象产生的原因，首先对镁合 420℃时，复合板的结合强度在压下率39%时为 金的金相组织变化进行了分析.图4为不同轧制 10MPa,其峰值提前到压下率44%处，强度为 温度和压下率下铝镁复合板中镁基体的金相组 86MPa,压下率61%时再降低到65MPa.压下率 织，实验过程中镁侧发生了动态再结晶，组织呈现 小于40%时，不同温度下7075/AZ31B复合板的结 为等轴晶粒.由图4(a)和(b)可见，在350℃轧制 合强度均较低，温度对结合强度的影响很小；在压 温度下，压下率由40%增加到62%时，镁基体晶 下率44%~55%.温度由350℃提高到420℃时， 粒尺寸随着压下率的增加而产生细化，370℃时 复合板的结合强度会有明显的提升：压下率如果 的晶粒尺寸变化规律与此一致，如图4(d)和4(e) 超过60%，则温度对复合板结合强度的影响变小. 所示；由图4(b)和(c)知，当压下率由62%增加到 在420℃，44%压下率时铝/镁复合板即可达到最 70%时，镁基体品粒尺寸随着压下率的增加而增 大结合强度，相比于350℃和370℃轧制时得到 大；根据图4(a)和(d),在40%相同轧制压下率下，轧 最大结合强度的压下率要明显降低 制温度由350℃升高到370℃时，镁侧晶粒有明 2.3复合板显微组织和微观形貌 显长大；如图4(b)、(e)和(f)所示，在压下率相近， 如图3所示，在相同轧制温度下，7075/AZ31B 轧制温度由350℃升高到420℃时，镁基体晶粒 复合板的结合强度均随着压下率的增加先升高后 尺寸随着轧制温度的升高而增大.晶粒尺寸随变形 (a) (b) (c) 10m 10m 10m (d) e) 10m 10m 10m 图4不同工艺下复合板的镁侧金相组织.(a)350℃+40%压下率：(b)350℃+62%压下率：(c)350℃+70%压下率：(d)370℃+40%压下率： (e)370℃+63%压下率：(f)420℃+61%压下率 Fig.4 Metallographic structure of the Mg alloy side of the composite board under different processes:(a)350 C+40%reduction rate;(b)350 C+62% reduction rate;(c)350 C+70%reduction rate;(d)370 C+40%reduction rate;(e)370 C+63%reduction rate;(f)420 C+61%reduction rate
2.2 复合板的结合强度 根据上一节实验结果，采用 150 mm·s−1 的轧制 速度，进行不同温度和压下率的轧制实验，图 3 为 7075/AZ31B 复合板在 150 mm·s−1 轧制速度、350～ 420 ℃ 轧制温度、30%～72% 压下率下的结合强 度. 从实验结果可以看出，在相同轧制温度下， 7075/AZ31B 复合板的结合强度均随着压下率的增 加先升高后降低. 在 350 ℃ 轧制温度下，复合板的 结合强度先由压下率 40% 时的 17 MPa 升高到压 下率 62% 时的 80 MPa 再降低到压下率 70% 时的 63 MPa；当轧制温度为 370 ℃ 时，复合板的结合强 度先由压下率 40% 时的 28 MPa 升高到压下率 63% 时的 76 MPa 再降低到压下率 72% 时的 68 MPa； 420 ℃ 时，复合板的结合强度在压下率 39% 时为 10 MPa，其峰值提前到压下 率 44% 处 ，强度为 86 MPa，压下率 61% 时再降低到 65 MPa. 压下率 小于 40% 时，不同温度下 7075/AZ31B 复合板的结 合强度均较低，温度对结合强度的影响很小；在压 下率 44%～55%，温度由 350 ℃ 提高到 420 ℃ 时 ， 复合板的结合强度会有明显的提升；压下率如果 超过 60%，则温度对复合板结合强度的影响变小. 在 420 ℃，44% 压下率时铝/镁复合板即可达到最 大结合强度，相比于 350 ℃ 和 370 ℃ 轧制时得到 最大结合强度的压下率要明显降低. 2.3 复合板显微组织和微观形貌 如图 3 所示，在相同轧制温度下，7075/AZ31B 复合板的结合强度均随着压下率的增加先升高后 降低，为了分析上述现象产生的原因，首先对镁合 金的金相组织变化进行了分析. 图 4 为不同轧制 温度和压下率下铝/镁复合板中镁基体的金相组 织，实验过程中镁侧发生了动态再结晶，组织呈现 为等轴晶粒. 由图 4（a）和（b）可见，在 350 ℃ 轧制 温度下，压下率由 40% 增加到 62% 时，镁基体晶 粒尺寸随着压下率的增加而产生细化，370 ℃ 时 的晶粒尺寸变化规律与此一致，如图 4（d）和 4（e） 所示；由图 4（b）和（c）知，当压下率由 62% 增加到 70% 时，镁基体晶粒尺寸随着压下率的增加而增 大；根据图 4（a）和（d），在 40% 相同轧制压下率下，轧 制温度由 350 ℃ 升高到 370 ℃ 时，镁侧晶粒有明 显长大；如图 4（b）、（e）和（f）所示，在压下率相近， 轧制温度由 350 ℃ 升高到 420 ℃ 时，镁基体晶粒 尺寸随着轧制温度的升高而增大. 晶粒尺寸随变形 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 Bonding strength/MPa Reduction ratio/% 350 ℃ 370 ℃ 420 ℃ 图 3 不同工艺下 7075/AZ31B 复合板的结合强度 Fig.3 Bonding strength of the 7075/AZ31B clad sheet under different processes 10 μm (a) (b) (c) 10 μm 10 μm 10 μm (d) (e) (f) 10 μm 10 μm 图 4 不同工艺下复合板的镁侧金相组织. （a） 350 ℃+40% 压下率；（b） 350 ℃ +62% 压下率；（c） 350 ℃ + 70% 压下率；（d） 370 ℃ +40% 压下率； （e） 370 ℃ +63% 压下率；（f） 420 ℃ +61% 压下率 Fig.4 Metallographic structure of the Mg alloy side of the composite board under different processes: (a) 350 ℃ + 40% reduction rate; (b) 350 ℃ + 62% reduction rate; (c) 350 ℃ + 70% reduction rate; (d) 370 ℃ + 40% reduction rate; (e) 370 ℃ + 63% reduction rate; (f) 420 ℃ + 61% reduction rate 吴宗河等： 热轧 7075/AZ31B 复合板的显微组织及结合性能 · 623 ·
624 工程科学学报，第42卷，第5期 温度的升高而增大，随应变量的增加而减小2-2)， 加的高压而具有低的跃迁能量，因此，塑性变形引 轧制压下率越大，应变量越大，塑性功产生热量越 起的空位会导致合金元素在界面上的扩散增加2)， 多，使得镁基体温度越高，镁基体晶粒尺寸与压下 此外，塑性变形增大，金属基体内部产生的热量也 率之间的关系取决于由压下率的变化引起的应变 会增加，所以综合起来导致了Al和Mg元素扩散 量和温度升高的变化，如果温度上升的影响大于 宽度随着压下率增加而增大.扩散层宽度的增加 应变量增加的影响，则最终晶粒尺寸将随着压下 说明铝/镁复合板的冶金结合随着压下率的增加而 率而增加，反之亦然.因此，同一轧制温度下，在压 增强，因此，复合板的结合强度应当随着压下率的 下率增加初始阶段塑性功产生热量不足，此时应 增加而升高.但是，由图3可知当压下率>62%时 变量的增加对镁基体晶粒组织变化起主要作用， 铝/镁复合板的结合强度反而出现了降低，为了探 使得晶粒组织发生细化：当压下率继续增加，塑 明该现象产生的原因，需要对复合板界面处进行 性功产生热量超过临界值，使得镁基体温度升高 显微观察 量足够大，此时温度的升高对镁基体晶粒组织变 500 化起主要作用，使得晶粒尺寸在更大压下率时 (>62%)变大 400 如图4所示，在同一轧制温度下，铝/镁复合板 300 界面附近镁基体的晶粒尺寸随着压下率的增加而 色200 先变小后变大，与宏观上复合板结合强度随着压下 率增加先升高后降低的变化规律相一致.由图4(b)、 100 (e)和(f)可见，在62%（±1%）压下率时，铝/镁复合 板界面附近镁合金的品粒尺寸随着轧制温度的升 0 5 10 15 20 高而变大，与宏观上压下率为62%（±1%）时复合板 Width/μm 结合强度随着轧制温度升高而降低的变化规律相 图5在350℃、62%压下率下复合板界面的元素线扫描曲线图 一致.综上所述，晶粒细化能够改善金属基体的力 Fig.5 Elemental line scanning curve of the composite plate interface at 350 C with 62%reduction rate 学性能，金属基体性能增强有助于提高复合板的 结合性能，因此，板材基体近界面处较小的晶粒组 6.2 6.0 =6.0 织有助于提高复合板的结合强度 扩散层是影响铝/镁复合板结合强度的重要因 5.6 素，因此对复合板界面处进行了元素线扫描实验， 5.4 并且研究了压下率对扩散层宽度的影响规律.图5 昌2 5.0 5.0 为350℃、62%压下率下铝/镁复合板界面的元素 4.8 线扫描曲线，元素A1的浓度从7075铝合金侧向 4.6 4.4 45 AZ3IB镁合金侧减小，而元素Mg的浓度分布恰 40 50556065 7075 好相反，复合板界面中存在明显的元素扩散层，说 Reduction ratio/% 明复合板达到了冶金结合状态.图6为铝/镁复合 图6350℃复合板在不同压下率下的扩散层宽度 板在不同压下率下的扩散层宽度，单道次热轧制 Fig.6 Diffusion layer width of the composite plate at 350 C with the 备的铝/镁复合板在40%、62%和70%压下率下元 different reduction rates 素扩散宽度分别为4.5、5和6um,随着压下率的 图7为7075/AZ31B复合板在350℃不同压下 增加，A!和Mg元素的相互扩散层宽度也随之增大 率下的界面微观结构，未发现界面处存在明显的 分析知A1和Mg之间由变形促进的扩散是通过三 化合物层，图7(a)中RD表示轧向，ND表示法向 种基本的机制形成24-2：机械诱发的原子位移，沿 当压下率从62%提高到70%时，由于两种材料轧 位错管道扩散和塑性变形引起的空缺.然而，严重 制过程中变形不协调，使得近复合板界面处的镁 塑性变形所产生的位错大多位于晶界处陶，由于 合金基体处产生了裂纹，这导致了镁合金基体力 轧制过程中的高应变率，它们在移动时很难拖动 学性能的降低，从而降低了铝/镁复合板的结合强 原子.塑性变形诱导的空位在高应变率下连续产 度.虽然更大的压下率使得复合板形成更强的冶 生，并且消除了晶体缺陷7这些空位由于试样施 金结合，但是镁基体近界面处产生的裂纹使得压
温度的升高而增大，随应变量的增加而减小[22−23] ， 轧制压下率越大，应变量越大，塑性功产生热量越 多，使得镁基体温度越高，镁基体晶粒尺寸与压下 率之间的关系取决于由压下率的变化引起的应变 量和温度升高的变化，如果温度上升的影响大于 应变量增加的影响，则最终晶粒尺寸将随着压下 率而增加，反之亦然. 因此，同一轧制温度下，在压 下率增加初始阶段塑性功产生热量不足，此时应 变量的增加对镁基体晶粒组织变化起主要作用， 使得晶粒组织发生细化；当压下率继续增加，塑 性功产生热量超过临界值，使得镁基体温度升高 量足够大，此时温度的升高对镁基体晶粒组织变 化起主要作用，使得晶粒尺寸在更大压下率时 （>62%）变大. 如图 4 所示，在同一轧制温度下，铝/镁复合板 界面附近镁基体的晶粒尺寸随着压下率的增加而 先变小后变大，与宏观上复合板结合强度随着压下 率增加先升高后降低的变化规律相一致. 由图 4（b）、 （e）和（f）可见，在 62%（±1%）压下率时，铝/镁复合 板界面附近镁合金的晶粒尺寸随着轧制温度的升 高而变大，与宏观上压下率为 62%（±1%）时复合板 结合强度随着轧制温度升高而降低的变化规律相 一致. 综上所述，晶粒细化能够改善金属基体的力 学性能，金属基体性能增强有助于提高复合板的 结合性能，因此，板材基体近界面处较小的晶粒组 织有助于提高复合板的结合强度. 扩散层是影响铝/镁复合板结合强度的重要因 素，因此对复合板界面处进行了元素线扫描实验， 并且研究了压下率对扩散层宽度的影响规律. 图 5 为 350 ℃、62% 压下率下铝/镁复合板界面的元素 线扫描曲线，元素 Al 的浓度从 7075 铝合金侧向 AZ31B 镁合金侧减小，而元素 Mg 的浓度分布恰 好相反，复合板界面中存在明显的元素扩散层，说 明复合板达到了冶金结合状态. 图 6 为铝/镁复合 板在不同压下率下的扩散层宽度，单道次热轧制 备的铝/镁复合板在 40%、62% 和 70% 压下率下元 素扩散宽度分别为 4.5、5 和 6 μm，随着压下率的 增加，Al 和 Mg 元素的相互扩散层宽度也随之增大. 分析知 Al 和 Mg 之间由变形促进的扩散是通过三 种基本的机制形成[24−25] ：机械诱发的原子位移，沿 位错管道扩散和塑性变形引起的空缺. 然而，严重 塑性变形所产生的位错大多位于晶界处[26] ，由于 轧制过程中的高应变率，它们在移动时很难拖动 原子. 塑性变形诱导的空位在高应变率下连续产 生，并且消除了晶体缺陷[27] . 这些空位由于试样施 加的高压而具有低的跃迁能量，因此，塑性变形引 起的空位会导致合金元素在界面上的扩散增加[28] ， 此外，塑性变形增大，金属基体内部产生的热量也 会增加，所以综合起来导致了 Al 和 Mg 元素扩散 宽度随着压下率增加而增大. 扩散层宽度的增加 说明铝/镁复合板的冶金结合随着压下率的增加而 增强，因此，复合板的结合强度应当随着压下率的 增加而升高. 但是，由图 3 可知当压下率>62% 时 铝/镁复合板的结合强度反而出现了降低，为了探 明该现象产生的原因，需要对复合板界面处进行 显微观察. 图 7 为 7075/AZ31B 复合板在 350 ℃ 不同压下 率下的界面微观结构，未发现界面处存在明显的 化合物层，图 7（a）中 RD 表示轧向，ND 表示法向. 当压下率从 62% 提高到 70% 时，由于两种材料轧 制过程中变形不协调，使得近复合板界面处的镁 合金基体处产生了裂纹，这导致了镁合金基体力 学性能的降低，从而降低了铝/镁复合板的结合强 度. 虽然更大的压下率使得复合板形成更强的冶 金结合，但是镁基体近界面处产生的裂纹使得压 0 5 10 15 20 0 100 200 300 400 500 Cps Width/μm Mg Al 图 5 在 350 ℃、62% 压下率下复合板界面的元素线扫描曲线图 Fig.5 Elemental line scanning curve of the composite plate interface at 350 ℃ with 62% reduction rate 40 45 50 55 60 65 70 75 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 4.5 5.0 6.0 Diffusion layer width/μm Reduction ratio/% 图 6 350 ℃ 复合板在不同压下率下的扩散层宽度 Fig.6 Diffusion layer width of the composite plate at 350 ℃ with the different reduction rates · 624 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期
吴宗河等：热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 625 (a) (b) Mg Crack Mg Al RD 10m 3山m 图7复合板在350℃不同压下率下的结合界面.(a)62%:(b)70% Fig.7 Bonding interface of the composite plate at 350 C under different reduction rates:(a)62%;(b)70% 下率过大时(>62%)铝/镁轧制复合板的结合强度 状态，但AZ31B侧存在极少量脆性断裂特征； 出现降低 70%压下率时，相较于62%压下率工艺，断口处韧 对拉剪断口进行电镜观察，图8所示为 窝数量明显减少，脆性断裂形貌比重增多，在 7075/AZ31B复合板剪切断口形貌图.当压下率为AZ31B侧表现尤为明显.在350℃时，铝/镁复合 40%时，断口整体呈现脆性断裂形貌：压下率为 板的结合强度在62%压下率时达到最大(80MPa), 62%时，断口存在大量韧窝，整体呈现为韧性断裂 当压下率为70%时反而有所下降(63MPa),因此， (a) (b) (c) 图8350℃不同压下率下断口的扫描电镜图像.(a)40%/7075侧：(b)40%/AZ31B侧：(c)62%7075侧：(d)62%/AZ31B侧：(e)70%/7075侧： (f)70%/AZ31B侧 Fig.8 SEM image of the fracture at 350 C under different reduction rates:(a)40%/7075 side;(b)40%/AZ31B side;(c)62%/7075 side:(d)62%/AZ31B side:(e)70%/7075 side;(f)70%/AZ31B side
下率过大时（>62%）铝/镁轧制复合板的结合强度 出现降低. 对 拉 剪 断 口 进 行 电 镜 观 察 ， 图 8 所 示 为 7075/AZ31B 复合板剪切断口形貌图. 当压下率为 40% 时，断口整体呈现脆性断裂形貌；压下率为 62% 时，断口存在大量韧窝，整体呈现为韧性断裂 状态 ， 但 AZ31B 侧存在极少量脆性断裂特征 ； 70% 压下率时，相较于 62% 压下率工艺，断口处韧 窝数量明显减少 ，脆性断裂形貌比重增多 ， 在 AZ31B 侧表现尤为明显. 在 350 ℃ 时，铝/镁复合 板的结合强度在 62% 压下率时达到最大（80 MPa）， 当压下率为 70% 时反而有所下降（63 MPa），因此， (a) ND RD Mg Al Mg Al (b) Crack 10 μm 5 μm 图 7 复合板在 350 ℃ 不同压下率下的结合界面. （a） 62%；（b） 70% Fig.7 Bonding interface of the composite plate at 350 ℃ under different reduction rates: (a) 62%; (b) 70% (a) (b) (c) (d) (e) (f) Point1 Point2 Point3 Point6 Point5 Point4 10 μm 10 μm 10 μm 10 μm 10 μm 10 μm 图 8 350 ℃ 不同压下率下断口的扫描电镜图像. （a） 40%/7075 侧；（b） 40%/AZ31B 侧；（c） 62%/7075 侧；（d） 62%/AZ31B 侧；（e） 70%/7075 侧； （f） 70%/AZ31B 侧 Fig.8 SEM image of the fracture at 350 ℃ under different reduction rates: (a) 40%/7075 side; (b) 40%/AZ31B side; (c) 62%/7075 side; (d) 62%/AZ31B side; (e) 70%/7075 side; (f) 70%/AZ31B side 吴宗河等： 热轧 7075/AZ31B 复合板的显微组织及结合性能 · 625 ·
626 工程科学学报，第42卷，第5期 宏观的复合板结合强度变化规律与微观的断口形 最低：压下率为62%时，复合板拉剪实验在镁基 貌差异是完全对应的，在断口7075侧进行元素点 体侧产生断裂，说明冶金结合使得复合板界面处 扫描，结果如表2所示.当压下率为40%时，点扫 的剪切强度超过了镁基体的剪切强度，此时复合 结果铝元素占绝大多数，存在少量镁元素：压下率 板的结合强度最高：70%压下率时，复合板拉剪实 为62%时，发现镁元素占绝大多数，存在极少量铝 验局部在镁基体侧产生断裂，此时镁基体已经产 元素；70%压下率时，铝镁元素各占一部分.对拉 生了裂缝，力学性能明显降低，因此铝镁复合板 剪断口7075侧进行元素面扫描，图9所示为350℃ 在62%压下率时的结合强度反而高于70%时的 轧制温度下不同压下率7075侧断口的面扫图像 强度 当压下率为40%时，7075侧粘有少量AZ31B;压 下率为62%时，面扫结果全部呈现Mg元素，说明 表2元素点扫描测定A1和Mg的元素含量（质量分数） 该试样的拉剪实验在AZ31B基体侧产生断裂； Table 2 Contents of Al and Mg determined by elemental point scanning % 70%压下率时，A1、Mg元素各占一部分，呈片状分 Element Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Point 5 Point 6 布，说明该试样的拉剪实验局部在AZ31B基体 Al 91.2 78.2 2.3 4.7 66.5 39.9 侧产生断裂.当压下率较小时，铝镁复合板拉剪 Mg 8.8 21.8 97.7 95.3 33.5 60.1 实验在界面处产生断裂，此时复合板的结合强度 (a) (b) (c) 50m 50 um 50m 图9复合板350℃不同压下率下7075侧断口的面扫描图.(a)40%:(b)62%:(c)70% Fig.9 EDS mapping images of the 7075 side for composite plates at 350 C under different reduction rates:(a)40%;(b)62%;(c)70% 3结论 参考文献 [1]Dai J,Huang J,Li Z G,et al.Effects of heat input on (1)压下率较小时，7075/AZ31B复合板的结合 microstructure and mechanical properties of laser-welded Mg-rare 强度随压下率的增加而升高，这是由镁合金近界 earth alloy.J Mater Eng Perform,2013,22(1):64 面晶粒细化和元素扩散变宽决定的. [2]Chen Z H.Deformed Magnesium Alloy.Beijing:Chemical (2)压下率较大时，7075/AZ31B复合板的结合 Industry Press,2005 强度随压下率的增加而降低，镁基体晶粒尺寸变 (陈振华.变形镁合金.北京：化学工业出版社，2005) 大和镁基体近界面处出现裂缝导致复合板在压下 [3]Kojima Y,Kamado S.Fundamental magnesium researches in 率过大时(>60%)结合强度反而呈降低趋势 Japan.Mater Sci Forum,2005,488-489:9 [4] Baghni I M.Wu Y S.Li JQ,et al.Mechanical properties and (3)在相同轧制温度下，7075/AZ31B复合板的 potential applications of magnesium alloys.Trans Nonferrous Mer 结合强度均随压下率的增加先升高后降低.在 Soc China,.2003,13(6):1253 40%压下率以下，不同温度下复合板结合强度都 [5]Schlogl C M,Planitzer C,Harrer O,et al.Production and 很低.在44%~55%时，结合强度较高，并且提高 formability of roll bounded magnesium(AZ31)-aluminium(1050) 轧制温度可以明显提高结合强度，当压下率超过 composites.BHM-Berg und Huttenmannische Monatshefie,2011, 60%,温度对结合强度的影响变小.提高轧制温度 156(7):249 复合板结合强度的峰值由较大压下率处提前到较 [6]Ikpi M E,Dong J H,Ke W.Effect of cadmium addition on the 小压下率处，减小对轧机的能力需求 galvanic corrosion of AM60 magnesium alloy in 0.1 M sodium chloride solution.Solid State Phenomena,2015,227:71 (4)当7075/AZ31B复合板的结合强度较大时， [7]Fang D Q.Ma N,Cai K L.et al.Age hardening behaviors, 拉剪断口存在大量韧窝，断裂面主要呈现韧性断裂 mechanical and corrosion properties of deformed Mg-Mn-Sn 特征，断裂发生在镁基体侧；结合强度较小时，断 sheets by pre-rolled treatment.Mater Des,2014,54:72 裂面主要呈现脆性断裂特征，断裂发生在界面处 [8]Hutsch LL,Hutsch J,Herzberg K,et al.Increased room
宏观的复合板结合强度变化规律与微观的断口形 貌差异是完全对应的. 在断口 7075 侧进行元素点 扫描，结果如表 2 所示. 当压下率为 40% 时，点扫 结果铝元素占绝大多数，存在少量镁元素；压下率 为 62% 时，发现镁元素占绝大多数，存在极少量铝 元素；70% 压下率时，铝镁元素各占一部分. 对拉 剪断口 7075 侧进行元素面扫描，图 9 所示为 350 ℃ 轧制温度下不同压下率 7075 侧断口的面扫图像. 当压下率为 40% 时 ，7075 侧粘有少量 AZ31B；压 下率为 62% 时，面扫结果全部呈现 Mg 元素，说明 该试样的拉剪实验在 AZ31B 基体侧产生断裂 ； 70% 压下率时，Al、Mg 元素各占一部分，呈片状分 布，说明该试样的拉剪实验局部在 AZ31B 基体 侧产生断裂. 当压下率较小时，铝/镁复合板拉剪 实验在界面处产生断裂，此时复合板的结合强度 最低；压下率为 62% 时，复合板拉剪实验在镁基 体侧产生断裂，说明冶金结合使得复合板界面处 的剪切强度超过了镁基体的剪切强度，此时复合 板的结合强度最高；70% 压下率时，复合板拉剪实 验局部在镁基体侧产生断裂，此时镁基体已经产 生了裂缝，力学性能明显降低，因此铝/镁复合板 在 62% 压下率时的结合强度反而高于 70% 时的 强度. 3 结论 （1）压下率较小时，7075/AZ31B 复合板的结合 强度随压下率的增加而升高，这是由镁合金近界 面晶粒细化和元素扩散变宽决定的. （2）压下率较大时，7075/AZ31B 复合板的结合 强度随压下率的增加而降低，镁基体晶粒尺寸变 大和镁基体近界面处出现裂缝导致复合板在压下 率过大时（>60%）结合强度反而呈降低趋势. （3）在相同轧制温度下，7075/AZ31B 复合板的 结合强度均随压下率的增加先升高后降低. 在 40% 压下率以下，不同温度下复合板结合强度都 很低. 在 44%～55% 时，结合强度较高，并且提高 轧制温度可以明显提高结合强度. 当压下率超过 60%，温度对结合强度的影响变小. 提高轧制温度 复合板结合强度的峰值由较大压下率处提前到较 小压下率处，减小对轧机的能力需求. （4）当 7075/AZ31B 复合板的结合强度较大时， 拉剪断口存在大量韧窝，断裂面主要呈现韧性断裂 特征，断裂发生在镁基体侧；结合强度较小时，断 裂面主要呈现脆性断裂特征，断裂发生在界面处. 参 考 文 献 Dai J, Huang J, Li Z G, et al. Effects of heat input on microstructure and mechanical properties of laser-welded Mg-rare earth alloy. J Mater Eng Perform, 2013, 22（1）: 64 [1] Chen Z H. Deformed Magnesium Alloy. Beijing: Chemical Industry Press, 2005 （陈振华. 变形镁合金. 北京: 化学工业出版社, 2005） [2] Kojima Y, Kamado S. Fundamental magnesium researches in Japan. Mater Sci Forum, 2005, 488-489: 9 [3] Baghni I M, Wu Y S, Li J Q, et al. Mechanical properties and potential applications of magnesium alloys. Trans Nonferrous Met Soc China, 2003, 13（6）: 1253 [4] Schlögl C M, Planitzer C, Harrer O, et al. Production and formability of roll bounded magnesium (AZ31)-aluminium (1050)- composites. BHM-Berg und Huttenmannische Monatshefte, 2011, 156（7）: 249 [5] Ikpi M E, Dong J H, Ke W. Effect of cadmium addition on the galvanic corrosion of AM60 magnesium alloy in 0.1 M sodium chloride solution. Solid State Phenomena, 2015, 227: 71 [6] Fang D Q, Ma N, Cai K L, et al. Age hardening behaviors, mechanical and corrosion properties of deformed Mg –Mn –Sn sheets by pre-rolled treatment. Mater Des, 2014, 54: 72 [7] [8] Hütsch L L, Hütsch J, Herzberg K, et al. Increased room 表 2 元素点扫描测定 Al 和 Mg 的元素含量（质量分数） Table 2 Contents of Al and Mg determined by elemental point scanning % Element Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Point 5 Point 6 Al 91.2 78.2 2.3 4.7 66.5 39.9 Mg 8.8 21.8 97.7 95.3 33.5 60.1 50 μm (a) Mg Al 50 μm (b) 50 μm (c) 图 9 复合板 350 ℃ 不同压下率下 7075 侧断口的面扫描图. （a） 40%；（b） 62%；（c） 70% Fig.9 EDS mapping images of the 7075 side for composite plates at 350 ℃ under different reduction rates: (a) 40%; (b) 62%; (c) 70% · 626 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期
吴宗河等：热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 627 temperature formability of Mg AZ31 by high speed friction stir [18]Chen Z J,Zeng Z,Huang G J,et al.Research on the Al/Mg/Al processing.Mater Des,2014,54:980 three-layer clad sheet fabricated by hot roll bonding technology. [9]Zhang T,Shao Y W,Meng G Z,et al.Corrosion of hot extrusion Rare Met Mater Eng,2011,40(Suppl 3):136 AZ91 magnesium alloy:I-relation between the microstructure and [19]Liu C Y,Wang Q,Jia Y Z,et al.Microstructures and mechanical corrosion behavior.Corros Sci,2011,53(5):1960 properties of Mg/Mg and Mg/Al/Mg laminated composites [10]Yan Y B,Zhang Z W,Shen W,et al.Microstructure and properties prepared via warm roll bonding.Mater Sci Eng 4,2012,556:1 of magnesium AZ31B -aluminum 7075 explosively welded [20]Yang X Y,Zhang Z L,Zhang L,et al.Influence of strain rate on composite plate.Mater Sci Eng 4,2010,527(9):2241 dynamic recrystallization behavior of AZ61 magnesium alloy [11]Zhang T T.Wang W X.Zhou J,et al.Molecular dynamics Trans Nonferrous Met Soc China,2011,21(8):1801 simulations and experimental investigations of atomic diffusion (杨续跃，张之岭，张雷，等.应变速率对AZ61镁合金动态再结品 behavior at bonding interface in an explosively welded Al/Mg 行为的影响.中国有色金属学报，2011,21(8)：1801) alloy composite plate.Acta Metall Sinica (English Lett),2017, [21]Maksoud I A,Ahmed H,Rodel J.Investigation of the effect of 30(10):983 strain rate and temperature on the deformability and microstructure [12]Zhang J,Chi C Z,Cui X L,et al.Microstructure and mechanical evolution of AZ31 magnesium alloy.Mater Sci Eng A,2009, properties of 5052/AZ31B/5052 three-layer composite sheet 504(1-2):40 prepared by hot pressing.Forging Stamping Technol,2018, [22]Santosh R,Das S K,Das G,et al.Three-dimensional 43(12):136 thermomechanical simulation and experimental validation on (张品，池成忠，崔晓磊，等.热压制备5052/AZ31B/5052三层复 failure of dissimilar material welds.Metall Mater Trans A,2016, 合板材的微观组织与力学性能.锻压技术，2018,43(12)：136) 47(7):3511 [13]Jafarian M,Rizi M S,Jafarian M,et al.Effect of thermal [23]Duan X J,Sheppard T.Simulation and control of microstructure tempering on microstructure and mechanical properties of Mg- evolution during hot extrusion of hard aluminium alloys.Mater Sci AZ31/Al-6061 diffusion bonding.Mater Sci Eng A,2016,666: EngA,2003,351(1-2):282 372 [14]Luo C,Liang W.LiX R,et al.Study on interface characteristics [24]Sauvage X,Dinda G P,Wilde G.Non-equilibrium intermixing and of Al/Mg/Al composite plates fabricated by two-pass hot rolling. phase transformation in severely deformed Al/Ni multilayers. Mater Sci Forum,2013,747:346 Scripta Ma1er,2007,56(3):181 [15]Zhang J J.Preparation of Al/Mg/Al Laminated Composite [25]Chung C Y,Zhu M,Man C H.Effect of mechanical alloying on Fabricated by Hot Rolled and Investigation of Microstructure and the solid state reaction processing of Ni-36.5 at.%Al alloy. Mechanical Properties[Dissertation].Taiyuan:Taiyuan University Intermetallics,2002,10(9):865 of Technology,2016 [26]Valiev R Z,Islamgaliev R K,Alexandrov I V.Bulk nanostructured (张建军.A/MgAI热轧复合板的制备及其微观组织和力学性能 materials from severe plastic deformation.Progr Mater Sci,2000 研究学位论文].太原：太原理工大学，2016) 45(2):103 [16]Zhang X P,Tan M J,Yang T H,et al.Bonding strength of [27]Sauvage X,Wetscher F,Pareige P.Mechanical alloying of Cu and Al/Mg/Al alloy tri-metallic laminates fabricated by hot rolling. Fe induced by severe plastic deformation of a Cu-Fe composite. Bull Mater Sci,2011,34(4):805 Acta Mater,2005,53(7):2127 [17]Zhang X P,Yang T H,Liu J Q,et al.Mechanical properties of an [28]Sato K,Yoshiie T,Satoh Y,et al.Simulation of vacancy migration Al/Mg/Al trilaminated composite fabricated by hot rolling./Mater energy in Cu under high strain.Mater Sci Eng 4,2003,350(1-2): Sci,2010,45(13):3457 220
temperature formability of Mg AZ31 by high speed friction stir processing. Mater Des, 2014, 54: 980 Zhang T, Shao Y W, Meng G Z, et al. Corrosion of hot extrusion AZ91 magnesium alloy: I-relation between the microstructure and corrosion behavior. Corros Sci, 2011, 53（5）: 1960 [9] Yan Y B, Zhang Z W, Shen W, et al. Microstructure and properties of magnesium AZ31B –aluminum 7075 explosively welded composite plate. Mater Sci Eng A, 2010, 527（9）: 2241 [10] Zhang T T, Wang W X, Zhou J, et al. Molecular dynamics simulations and experimental investigations of atomic diffusion behavior at bonding interface in an explosively welded Al/Mg alloy composite plate. Acta Metall Sinica (English Lett), 2017, 30（10）: 983 [11] Zhang J, Chi C Z, Cui X L, et al. Microstructure and mechanical properties of 5052/AZ31B/5052 three-layer composite sheet prepared by hot pressing. Forging Stamping Technol, 2018, 43（12）: 136 （张晶, 池成忠, 崔晓磊, 等. 热压制备5052/AZ31B/5052三层复 合板材的微观组织与力学性能. 锻压技术, 2018, 43（12）：136） [12] Jafarian M, Rizi M S, Jafarian M, et al. Effect of thermal tempering on microstructure and mechanical properties of MgAZ31/Al-6061 diffusion bonding. Mater Sci Eng A, 2016, 666: 372 [13] Luo C Z, Liang W, Li X R, et al. Study on interface characteristics of Al/Mg/Al composite plates fabricated by two-pass hot rolling. Mater Sci Forum, 2013, 747: 346 [14] Zhang J J. Preparation of Al/Mg/Al Laminated Composite Fabricated by Hot Rolled and Investigation of Microstructure and Mechanical Properties[Dissertation]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2016 （张建军. Al/Mg/Al热轧复合板的制备及其微观组织和力学性能 研究[学位论文]. 太原: 太原理工大学, 2016） [15] Zhang X P, Tan M J, Yang T H, et al. Bonding strength of Al/Mg/Al alloy tri-metallic laminates fabricated by hot rolling. Bull Mater Sci, 2011, 34（4）: 805 [16] Zhang X P, Yang T H, Liu J Q, et al. Mechanical properties of an Al/Mg/Al trilaminated composite fabricated by hot rolling. J Mater Sci, 2010, 45（13）: 3457 [17] Chen Z J, Zeng Z, Huang G J, et al. Research on the Al/Mg/Al three-layer clad sheet fabricated by hot roll bonding technology. Rare Met Mater Eng, 2011, 40（Suppl 3）: 136 [18] Liu C Y, Wang Q, Jia Y Z, et al. Microstructures and mechanical properties of Mg/Mg and Mg/Al/Mg laminated composites prepared via warm roll bonding. Mater Sci Eng A, 2012, 556: 1 [19] Yang X Y, Zhang Z L, Zhang L, et al. Influence of strain rate on dynamic recrystallization behavior of AZ61 magnesium alloy. Trans Nonferrous Met Soc China, 2011, 21（8）: 1801 （杨续跃, 张之岭, 张雷, 等. 应变速率对AZ61镁合金动态再结晶 行为的影响. 中国有色金属学报, 2011, 21（8）：1801） [20] Maksoud I A, Ahmed H, Rödel J. Investigation of the effect of strain rate and temperature on the deformability and microstructure evolution of AZ31 magnesium alloy. Mater Sci Eng A, 2009, 504（1-2）: 40 [21] Santosh R, Das S K, Das G, et al. Three-dimensional thermomechanical simulation and experimental validation on failure of dissimilar material welds. Metall Mater Trans A, 2016, 47（7）: 3511 [22] Duan X J, Sheppard T. Simulation and control of microstructure evolution during hot extrusion of hard aluminium alloys. Mater Sci Eng A, 2003, 351（1-2）: 282 [23] Sauvage X, Dinda G P, Wilde G. Non-equilibrium intermixing and phase transformation in severely deformed Al/Ni multilayers. Scripta Mater, 2007, 56（3）: 181 [24] Chung C Y, Zhu M, Man C H. Effect of mechanical alloying on the solid state reaction processing of Ni-36.5 at.% Al alloy. Intermetallics, 2002, 10（9）: 865 [25] Valiev R Z, Islamgaliev R K, Alexandrov I V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation. Progr Mater Sci, 2000, 45（2）: 103 [26] Sauvage X, Wetscher F, Pareige P. Mechanical alloying of Cu and Fe induced by severe plastic deformation of a Cu –Fe composite. Acta Mater, 2005, 53（7）: 2127 [27] Sato K, Yoshiie T, Satoh Y, et al. Simulation of vacancy migration energy in Cu under high strain. Mater Sci Eng A, 2003, 350（1-2）: 220 [28] 吴宗河等： 热轧 7075/AZ31B 复合板的显微组织及结合性能 · 627 ·
