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摘要：研究了在380℃条件下一次锻造和两次锻造对AZ91合金组织和性能的影响。结果表明，锻造有效的细化了镁合金组织，提高显微硬度和力学性能。相比一次锻造，镁合金经二次锻造后，再结晶更加完全，晶粒进一步细化，力学性能进一步提高。
关键词：锻造；镁合金；显微组织；性能
前言：镁合金以其比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能和阻尼性能好，以及具有良好的切削加工性能和尺寸稳定等优点，被认为是21世纪最具发展潜力的“绿色结构材料”，已逐步在航空航天、电子、汽车等行业获得广泛应用。AZ91合金属于Mg-Al-Zn-Mn系铸造镁合金，由于其良好的铸造性能而成为目前工业中最常用的压铸镁合金之一。镁合金在低温变形条件下承受的变形量有限，常通过热加工来生产。AZ91合金可通过挤压、锻造以及轧制等塑性变形，可使其具有比铸件更高的强度、更好的延展性及力学性能；同时，还可以通过后续的热处理使其性能得到进一步的改善，以满足材料全面性能的要求。1.试验原料及方法
1.1 试验原料
本试验所用材料为AZ91镁合金，其化学成分见表1所示。
1.2 试验方法
将AZ91镁合金在380℃条件下，分别采用高度减少40%的变形量进行一次锻造和一次锻造后以60%的变形量进行第二次锻造的两种工艺，并对两种工艺锻造后的试验料进行取样。锻造是在200t压力机上完成，每次锻造前都采用石墨油对磨具和坯料进行润滑，锻造速度为15mm/s，镁合金二次锻造后的宏观形貌如图1所示。采用Olympus D11型光学显微镜观察金相组织，试样经金相砂纸磨光后，用氧化镁抛光剂在鹿皮上抛光；浸蚀后，用酒精冲洗吹干。拉伸试验在Instron 5569万能试验机上进行，拉伸速度为1mm/min，试样的尺寸如图2所示。
2.结果与分析
2.1 锻造前后合金的显微组织
AZ91镁合金锻造前后的光学显微组织如图3所示。图中可见，铸态AZ91镁合金的晶粒尺寸较大，如图3(a)所示。同铸态组织相比，经一次锻造后，晶粒尺寸得到显著细化，如图3(b)所示。这是由于在锻压变形过程中，会产生大量位错，位错的滑移及交互作用形成位错界面、亚结构及进一步形成小角度和大角度晶界，产生再结晶，从而使合金得到细化。但由图3(b)也可以看出，一次锻造后镁合金的晶粒尺寸不均匀，存在原始变形组织，变形组织周围存在小的再结晶晶粒。同一次锻造相比，镁合金经二次锻造后，变形组织基本消失，合金基体完全由小的再结晶晶粒组成，晶粒尺寸得到进一步细化，如图3(c)所示。这是由于，经二次锻造后，变形量提高而导致再结晶驱动力增加，再结晶更加充分，再结晶晶粒增多，使得基体晶粒细化。
2.2 锻造前后合金的性能
2.2.1 显微硬度
AZ91镁合金锻造前后的显微硬度如图4所示。可见，经锻造后镁合金的硬度显著升高。镁合金经锻造后晶粒得到显著细化，晶界数量增多，从而导致其显微硬度得到提高。镁合金二次锻造后的显微硬度略低于一次锻造后显微硬度，这是由于镁合金经二次锻造后，再结晶更加完全，合金基体一定程度上发生软化，故显微硬度降低。
2.2.2 拉伸性能
图5为AZ91镁合金锻造前后的拉伸应力-应变曲线。可见镁合金经锻造后，合金的强度和延伸率都得到显著提高。同一次锻造相比，二次锻造后镁合金的力学性能得到进一步提高。表明锻造可以有效的细化基体晶粒，提高镁合金的全面性能。这是由于铸锭经预热后，在锻造的过程中可以部分改善铸锭铸态组织中的缩松、气孔等缺陷，导致锻件内部缺陷数量减少。此外，更重要的是锻造后晶粒变得细小，且因为形变产生大量的位错，形成位错堆积和亚结构等，起到位错和亚晶强化作用。
在给定变形温度下，合金热压缩变形流变应力先随变形量的增加迅速升高，出现一峰值后逐渐下降进入稳态流变变形阶段，当应变达到一定值时，稳态流变应力基本上保持不变；第二，应变速率一定时，随变形温度升高，流变应力下降，合金变形表现出越来越明显的动态软化现象。
变形是在位错运动易于进行的条件下实现的，主要是借助于位错的交滑移和与自扩散有关的攀移，以及位错从结点脱钉等来实现变形。在热变形过程中，材料内部不断进行着两种相互转化的过程，即加工硬化过程和软化过程。过渡变形阶段，随着变形的进行，一方面，材料内部位错密度增加，材料硬化；另一方面，由于位错产生交滑移，使材料软化。但由于交滑移引起的软化不足以补偿位错密度增加带来的硬化，因此，流变应力值不断增大。随着应变量的继续增大，材料内部空位浓度也提高，位错的攀移在过渡变形阶段的中后期也开始产生作用，参与软化过程，从而使材料的软化程度提高，位错克服障碍阻力的能力增强，材料变形时硬化和软化的平衡向低应力指数方向变化，拉伸应力-应变曲线逐渐趋于平缓。流变应力到达峰值后，由于位错的交滑移、攀移以及位错的脱钉等引起的软化作用大于应变硬化作用，流变应力缓慢下降。最后，两种作用达到动态平衡，变形进入稳态流变阶段。随着应变速率增大，在同一应变量下产生的位错增多，位错运动速度增大，位错间相互交割的几率增多，因而提高了变形时的临界切应力，另一方面，应变速率升高时，单位应变的变形时间缩短，位错被激活的时间缩短，使得动态回复或动态再结晶等流变应力软化行为来不及或不能充分进行，这两方面原因导致流变应力水平随应变速率的升高而相应提高。
镁合金在低于225℃时，塑性变形仅限于沿基面 上的 方向的滑移和沿 面上的 方向的孿生变形[1，2]。镁合金只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，在晶体取向不利于滑移时，孪生就成为变形的重要方式。在变形过程中位错难以通过晶界而塞积在晶界附近，形成位错塞积群，如图6所示
锻造后镁合金的延伸率明显提高，主要因为在锻压变形的过程中，铸态组织得到显著改善，晶粒细化，晶粒越细，就会抑制裂纹的形成，并且裂纹形成后也不易扩展，因为裂纹扩展时遇到晶界要多次改变方向，将消耗更多的能量，因而具有细晶粒组织的材料其脆断性能优于粗晶组织的材料，材料的塑性高。
结束语：
（1）锻造后，镁合金基体的组织得到显著细化。锻造一次后，再结晶不完全，基体由再结晶小晶粒、变形纤维组织和未变形组织组成；进行二次锻造后，基体中的变形组织基本消失，主要由再结晶晶粒组成。
（2）一次锻造后，镁合金的硬度得到显著提高；二次锻造后，再结晶完全，内应力降低，导致显微硬度比一次锻造后略有降低。
（3）一次锻造后，镁合金的拉伸强度得到很大提高；二次锻造后，基体晶粒细化，镁合金的抗拉强度和延伸率得到进一步的改善。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：锻造；镁合金；显微组织；性能
前言：镁合金以其比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能和阻尼性能好，以及具有良好的切削加工性能和尺寸稳定等优点，被认为是21世纪最具发展潜力的“绿色结构材料”，已逐步在航空航天、电子、汽车等行业获得广泛应用。AZ91合金属于Mg-Al-Zn-Mn系铸造镁合金，由于其良好的铸造性能而成为目前工业中最常用的压铸镁合金之一。镁合金在低温变形条件下承受的变形量有限，常通过热加工来生产。AZ91合金可通过挤压、锻造以及轧制等塑性变形，可使其具有比铸件更高的强度、更好的延展性及力学性能；同时，还可以通过后续的热处理使其性能得到进一步的改善，以满足材料全面性能的要求。1.试验原料及方法
1.1 试验原料
本试验所用材料为AZ91镁合金，其化学成分见表1所示。
1.2 试验方法
将AZ91镁合金在380℃条件下，分别采用高度减少40%的变形量进行一次锻造和一次锻造后以60%的变形量进行第二次锻造的两种工艺，并对两种工艺锻造后的试验料进行取样。锻造是在200t压力机上完成，每次锻造前都采用石墨油对磨具和坯料进行润滑，锻造速度为15mm/s，镁合金二次锻造后的宏观形貌如图1所示。采用Olympus D11型光学显微镜观察金相组织，试样经金相砂纸磨光后，用氧化镁抛光剂在鹿皮上抛光；浸蚀后，用酒精冲洗吹干。拉伸试验在Instron 5569万能试验机上进行，拉伸速度为1mm/min，试样的尺寸如图2所示。
2.结果与分析
2.1 锻造前后合金的显微组织
AZ91镁合金锻造前后的光学显微组织如图3所示。图中可见，铸态AZ91镁合金的晶粒尺寸较大，如图3(a)所示。同铸态组织相比，经一次锻造后，晶粒尺寸得到显著细化，如图3(b)所示。这是由于在锻压变形过程中，会产生大量位错，位错的滑移及交互作用形成位错界面、亚结构及进一步形成小角度和大角度晶界，产生再结晶，从而使合金得到细化。但由图3(b)也可以看出，一次锻造后镁合金的晶粒尺寸不均匀，存在原始变形组织，变形组织周围存在小的再结晶晶粒。同一次锻造相比，镁合金经二次锻造后，变形组织基本消失，合金基体完全由小的再结晶晶粒组成，晶粒尺寸得到进一步细化，如图3(c)所示。这是由于，经二次锻造后，变形量提高而导致再结晶驱动力增加，再结晶更加充分，再结晶晶粒增多，使得基体晶粒细化。
2.2 锻造前后合金的性能
2.2.1 显微硬度
AZ91镁合金锻造前后的显微硬度如图4所示。可见，经锻造后镁合金的硬度显著升高。镁合金经锻造后晶粒得到显著细化，晶界数量增多，从而导致其显微硬度得到提高。镁合金二次锻造后的显微硬度略低于一次锻造后显微硬度，这是由于镁合金经二次锻造后，再结晶更加完全，合金基体一定程度上发生软化，故显微硬度降低。
2.2.2 拉伸性能
图5为AZ91镁合金锻造前后的拉伸应力-应变曲线。可见镁合金经锻造后，合金的强度和延伸率都得到显著提高。同一次锻造相比，二次锻造后镁合金的力学性能得到进一步提高。表明锻造可以有效的细化基体晶粒，提高镁合金的全面性能。这是由于铸锭经预热后，在锻造的过程中可以部分改善铸锭铸态组织中的缩松、气孔等缺陷，导致锻件内部缺陷数量减少。此外，更重要的是锻造后晶粒变得细小，且因为形变产生大量的位错，形成位错堆积和亚结构等，起到位错和亚晶强化作用。
在给定变形温度下，合金热压缩变形流变应力先随变形量的增加迅速升高，出现一峰值后逐渐下降进入稳态流变变形阶段，当应变达到一定值时，稳态流变应力基本上保持不变；第二，应变速率一定时，随变形温度升高，流变应力下降，合金变形表现出越来越明显的动态软化现象。
变形是在位错运动易于进行的条件下实现的，主要是借助于位错的交滑移和与自扩散有关的攀移，以及位错从结点脱钉等来实现变形。在热变形过程中，材料内部不断进行着两种相互转化的过程，即加工硬化过程和软化过程。过渡变形阶段，随着变形的进行，一方面，材料内部位错密度增加，材料硬化；另一方面，由于位错产生交滑移，使材料软化。但由于交滑移引起的软化不足以补偿位错密度增加带来的硬化，因此，流变应力值不断增大。随着应变量的继续增大，材料内部空位浓度也提高，位错的攀移在过渡变形阶段的中后期也开始产生作用，参与软化过程，从而使材料的软化程度提高，位错克服障碍阻力的能力增强，材料变形时硬化和软化的平衡向低应力指数方向变化，拉伸应力-应变曲线逐渐趋于平缓。流变应力到达峰值后，由于位错的交滑移、攀移以及位错的脱钉等引起的软化作用大于应变硬化作用，流变应力缓慢下降。最后，两种作用达到动态平衡，变形进入稳态流变阶段。随着应变速率增大，在同一应变量下产生的位错增多，位错运动速度增大，位错间相互交割的几率增多，因而提高了变形时的临界切应力，另一方面，应变速率升高时，单位应变的变形时间缩短，位错被激活的时间缩短，使得动态回复或动态再结晶等流变应力软化行为来不及或不能充分进行，这两方面原因导致流变应力水平随应变速率的升高而相应提高。
镁合金在低于225℃时，塑性变形仅限于沿基面 上的 方向的滑移和沿 面上的 方向的孿生变形[1，2]。镁合金只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，在晶体取向不利于滑移时，孪生就成为变形的重要方式。在变形过程中位错难以通过晶界而塞积在晶界附近，形成位错塞积群，如图6所示
锻造后镁合金的延伸率明显提高，主要因为在锻压变形的过程中，铸态组织得到显著改善，晶粒细化，晶粒越细，就会抑制裂纹的形成，并且裂纹形成后也不易扩展，因为裂纹扩展时遇到晶界要多次改变方向，将消耗更多的能量，因而具有细晶粒组织的材料其脆断性能优于粗晶组织的材料，材料的塑性高。
结束语：
（1）锻造后，镁合金基体的组织得到显著细化。锻造一次后，再结晶不完全，基体由再结晶小晶粒、变形纤维组织和未变形组织组成；进行二次锻造后，基体中的变形组织基本消失，主要由再结晶晶粒组成。
（2）一次锻造后，镁合金的硬度得到显著提高；二次锻造后，再结晶完全，内应力降低，导致显微硬度比一次锻造后略有降低。
（3）一次锻造后，镁合金的拉伸强度得到很大提高；二次锻造后，基体晶粒细化，镁合金的抗拉强度和延伸率得到进一步的改善。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。