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412 北京科技大学学报 第30卷 与动态再结晶过程相类似，由于镁合金的层错 部分消除，硬度迅速下降，表明此时进行的是静态再 能较低，镁合金在退火过程中不易发生回复，而主要 结晶过程，大部分储能在此阶段被释放，静态再结晶 发生静态再结晶，可以通过控制退火过程再结晶的 基本完成，合金的塑性得到改善，(2)组织均匀化阶 形核和长大来控制镁合金板材的组织结构，从而提 段，在此阶段晶粒长大较为平缓，组织均匀，硬度值 高镁合金的力学性能，经过低温轧制变形的镁合金 下降较小或略有增加，硬度的升高是由于P(Mg7A2) 板材，晶粒内部的位错密度大幅度增加，储存了大量 第二相的沉淀析出对材料的强化作用所致，由此也 的畸变能，为后续的退火再结晶提供了主要的驱 可以看出此阶段是较为合适的退火工艺阶段.(3) 动力， 晶粒长大阶段.继续延长保温时间和提高退火温 图5的晶粒尺寸及硬度变化曲线结合图4的金 度，进入晶粒长大阶段，大晶粒吞并小晶粒，硬度值 相组织可以反映出退火过程包括以下三个阶段：(1) 再次急剧下降，并可能发生二次再结晶导致部分晶 静态再结晶阶段，退火初始阶段，随着加工硬化的 粒异常长大， 12 12(a) 74 b 10 10 退火时间30min 11 退火温度200℃ 20 68 66 0 50 100150200250 60 30 6090 120150 退火温度/℃ 退火时间min 图5退火温度(a)和时间(b)对热轧态合金晶粒尺寸及硬度的影响 Fig.5 Effects of annealing temperature (a)and time (b)on the grain size and hardness of as hot rolled alloy 2.4热轧合金板材的室温拉伸力学性能 外，沉积柱坯中一定体积分数的微空隙的存在必然 喷射沉积AZ31镁合金热轧态和退火态和国内 对随后的轧制过程产生不利影响，进而影响最终成 相同型号合金不同加工工艺条件下的室温拉伸力学 形材料的各项性能指标， 性能见表2].对比发现，喷射沉积AZ31镁合金热 喷射沉积AZ31镁合金通过后续的热轧变形加 轧态和退火态明显优于传统铸造AZ31镁合金经轧 工可获得高致密化高性能的优质材料，其主要的强 制和挤压后的力学性能，尤其是屈服强度大幅度提 化机制包括细晶强化与加工硬化，喷射成形作为细 高，而延伸率则下降较多，其中尤以喷射沉积轧制态 化晶粒的一项材料制备技术，对于传统镁合金材料 最为明显，究其原因，由于本实验中变形是在较低 宏观力学性能的提高和协调晶粒间的变形能力从而 的温度下进行，且应变速率处于较高水平，而动态再 改善塑性意义重大， 结晶是通过晶界扩散控制的晶界迁移进行，较高的 热轧及退火态AZ31镁合金拉伸断口形貌如 应变速率抑制了扩散过程的进行，从而使动态再结 图6所示，轧制态试样断口呈现较为明显的脆性解 晶的发展受到抑制，降低了材料松弛应力集中和协 理断裂，有少量韧窝存在，但韧窝较浅且尺寸较大， 调变形的能力，导致轧态合金延伸率的下降4).另 说明热轧态合金孪生与再结晶混晶组织晶粒尺寸分 表2几种不同工艺制备AZ31镁合金的典型力学性能比较 布离散度较高，退火态试样断口显微组织形貌呈现 Table 2 Comparison of mechanical properties of AZ31 magnesium al- 撕裂棱与韧窝共存的形貌，韧窝数量较轧制态明显 loys processed by different techniques 增多且较为细小，沿晶断裂部分比例明显减少，因此 / 0.2/ a 认为材料的断裂属准解理断裂形式]，合金呈现脆 制备工艺 MPa MPa % 性和韧性断裂混合机制.具有密排六方晶体结构的 喷射沉积热轧态 316 265 0.35 金属塑性较差，但该类材料往往有塑脆转变性能， 喷射沉积热轧退火态 277 246 4.67 由于喷射沉积AZ31镁合金是由大量细小等轴晶组 铸造合金热轧退火态 251 154 13.8 成，从而使材料的塑性变形中包含有晶界的滑移、移动 铸造合金热挤压淬火时效态 262 178 14.4 和转动等机制，使合金塑性得到改善，产生韧性断裂，与动态再结晶过程相类似由于镁合金的层错 能较低镁合金在退火过程中不易发生回复而主要 发生静态再结晶可以通过控制退火过程再结晶的 形核和长大来控制镁合金板材的组织结构从而提 高镁合金的力学性能．经过低温轧制变形的镁合金 板材晶粒内部的位错密度大幅度增加储存了大量 的畸变能为后续的退火再结晶提供了主要的驱 动力． 图5的晶粒尺寸及硬度变化曲线结合图4的金 相组织可以反映出退火过程包括以下三个阶段：（1） 静态再结晶阶段．退火初始阶段随着加工硬化的 部分消除硬度迅速下降表明此时进行的是静态再 结晶过程大部分储能在此阶段被释放静态再结晶 基本完成合金的塑性得到改善．（2）组织均匀化阶 段．在此阶段晶粒长大较为平缓组织均匀硬度值 下降较小或略有增加硬度的升高是由于β（Mg17Al12） 第二相的沉淀析出对材料的强化作用所致由此也 可以看出此阶段是较为合适的退火工艺阶段．（3） 晶粒长大阶段．继续延长保温时间和提高退火温 度进入晶粒长大阶段大晶粒吞并小晶粒硬度值 再次急剧下降并可能发生二次再结晶导致部分晶 粒异常长大． 图5 退火温度（a）和时间（b）对热轧态合金晶粒尺寸及硬度的影响 Fig．5 Effects of annealing temperature （a） and time （b） on the grain size and hardness of as-hot rolled alloy 2∙4 热轧合金板材的室温拉伸力学性能 喷射沉积 AZ31镁合金热轧态和退火态和国内 相同型号合金不同加工工艺条件下的室温拉伸力学 性能见表2［5］．对比发现喷射沉积 AZ31镁合金热 轧态和退火态明显优于传统铸造 AZ31镁合金经轧 制和挤压后的力学性能尤其是屈服强度大幅度提 高而延伸率则下降较多其中尤以喷射沉积轧制态 最为明显．究其原因由于本实验中变形是在较低 的温度下进行且应变速率处于较高水平而动态再 结晶是通过晶界扩散控制的晶界迁移进行较高的 应变速率抑制了扩散过程的进行从而使动态再结 晶的发展受到抑制降低了材料松弛应力集中和协 调变形的能力导致轧态合金延伸率的下降［14］．另 表2 几种不同工艺制备 AZ31镁合金的典型力学性能比较 Table2 Comparison of mechanical properties of AZ31magnesium alloys processed by different techniques 制备工艺 σb／ MPa σ0∙2／ MPa δ／ ％ 喷射沉积热轧态 316 265 0∙35 喷射沉积热轧退火态 277 246 4∙67 铸造合金热轧退火态 251 154 13∙8 铸造合金热挤压淬火时效态 262 178 14∙4 外沉积柱坯中一定体积分数的微空隙的存在必然 对随后的轧制过程产生不利影响进而影响最终成 形材料的各项性能指标． 喷射沉积 AZ31镁合金通过后续的热轧变形加 工可获得高致密化高性能的优质材料其主要的强 化机制包括细晶强化与加工硬化．喷射成形作为细 化晶粒的一项材料制备技术对于传统镁合金材料 宏观力学性能的提高和协调晶粒间的变形能力从而 改善塑性意义重大． 热轧及退火态 AZ31镁合金拉伸断口形貌如 图6所示．轧制态试样断口呈现较为明显的脆性解 理断裂有少量韧窝存在但韧窝较浅且尺寸较大 说明热轧态合金孪生与再结晶混晶组织晶粒尺寸分 布离散度较高．退火态试样断口显微组织形貌呈现 撕裂棱与韧窝共存的形貌韧窝数量较轧制态明显 增多且较为细小沿晶断裂部分比例明显减少因此 认为材料的断裂属准解理断裂形式［15］合金呈现脆 性和韧性断裂混合机制．具有密排六方晶体结构的 金属塑性较差但该类材料往往有塑脆转变性能． 由于喷射沉积 AZ31镁合金是由大量细小等轴晶组 成从而使材料的塑性变形中包含有晶界的滑移、移动 和转动等机制使合金塑性得到改善产生韧性断裂． ·412· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷