Al-Mg-Al熱軋復合板的制備及其微觀組織和力學性能研究.pdf

1、鎂合金板材耐腐蝕性差、室溫塑性低是制約其廣泛使用的主要因素。為此，本文將具有優(yōu)良耐腐蝕性和良好塑性的鋁合金 Al(5052)薄板包覆于鎂合金 Mg(AZ31B)板材表面，通過三種不同的熱軋工藝制備了Al(5052)/Mg(AZ31B)/Al(5052)復合板，研究了軋制工藝和退火工藝對復合板基板微觀組織、界面微結構、界面結合強度及其綜合力學性能的影響。并對退火后界面上出現的影響復合板整體力學性能的界面金屬間化合物層（Intermetal

2、lic Compound Layer,IMCL）的彈性常數和力學性能進行了反演分析。
　　對于復合板而言，服役或成形時保持其結構完整性至關重要，但由于異質復合板各組元板的力學性能的差異，將導致其承載或成形時產生界面應力而致界面分層，從而使復合板失效。針對目前常規(guī)測試方法無法準確測量具有界面強連接的復合薄板的法向結合強度和切向結合強度的困難，提出了兩種測試界面法向和切向結合強度的新方法，即由膠黏劑粘接復合薄板構造對接接頭，采用四點彎

3、曲法測試界面法向結合強度，該方法可以將測試范圍從20MPa提高到40MPa；將常規(guī)拉伸試樣標距區(qū)外的覆層去除，構造無約束覆層-單軸拉伸（Unconstrained Cladding-Uniaxial Tensile，UCC-UT）試樣進行拉伸測試界面切向結合強度。在實驗的基礎上對這兩種方法進行了相應的理論分析，并建立了相應的計算公式和評價準則。
　　在再結晶溫度以上進行 Al(5052)/Mg(AZ31B)/Al(5052)軋制時

4、，塑性變形機制引起的基板組織演化規(guī)律十分復雜，為了揭示其在不同軋制工藝和退火工藝下的演化規(guī)律，依據軋制后基板的組織特征，建立了描述熱軋時復合板的覆板和基板的不同層深處的溫度分布和流變行為的模型，依此模型將基板分為三個區(qū)域：界面區(qū)（Region I）、近界面區(qū)（Region II）和中心區(qū)（Region III），并利用該模型闡明不同熱軋工藝和不同退火工藝下的基板組織演化規(guī)律。
　　對 Al(5052)/Mg(AZ31B)/Al(5

5、052)進行三種熱軋工藝的研究表明：（1）當改變軋制壓下量，由于5052和AZ31B的流變行為的差異，在Region I內產生較大的切應力，使該區(qū)的晶粒顯著細化，且該區(qū)的寬度隨壓下量的增加而增加；對于Region II而言，隨著壓下量的增加，該區(qū)域內由粗大晶粒、粗晶內的孿晶、大量的剪切帶和夾雜在剪切帶區(qū)域內的動態(tài)再結晶（DRX）晶粒構成的復雜變形組織逐步被分布均勻的細小DRX晶粒取代；對于Region III來說，相對于Region I

6、的變形程度較小，其內的變形組織由壓下量較小時的大量孿晶組織、粗晶、以及在粗晶晶界上由動態(tài)再結晶產生的鏈狀組織構成，當壓下量較大時的動態(tài)再結晶和剪切帶變形組織轉變，直至動態(tài)再結晶和細小的孿晶組織全部取代原始態(tài)中的粗晶組織。界面結合強度隨壓下量的增加而增加。而力學性能測試則表明：當壓下量為30％時復合板具有最高的延伸率為12.3%，具有良好的塑性。而當壓下量為70%時，極限拉伸強度高達304.4MPa。（2）當改變軋制速度時，隨著變形速度的

7、提高，Region I的晶粒細化顯著，且該區(qū)的寬度隨著軋制速度的增加呈先增加后減小的趨勢；而Region II的孿生組織大幅度增加，原始態(tài)中的粗晶相應地減少，隨后DRX組織逐步增加；Region III的DRX組織呈現逐步增加的趨勢，孿晶組織逐步減少，而軋制流線則變得越來越明顯；界面結合強度呈先增大后減小的趨勢；在軋制速度為15rpm時，復合板的綜合力學性能最好，屈服強度為216.2MPa，極限拉伸強度為274.8MPa，延伸率為14.

8、1%。（3）當改變軋制溫度時，從200℃到300℃軋制時，Region I的晶粒細化不明顯，超過300℃軋制時，晶粒細化明顯且細化區(qū)變寬；隨著軋制溫度的升高，Region II的大量的孿晶組織開始開始減少，粗晶增多，并出現了明顯的軋制流線。Region III也有類似的組織演化規(guī)律，但是孿晶組織減少的數量沒有Region II中那么明顯。界面結合強度則呈現逐步增加的趨勢。力學性能測試則表明400℃軋制時復合板的綜合力學性能最好，其屈服強

9、度為238MPa，極限拉伸強度為278.2MPa，延伸率為9.49%。
　　研究表明軋制態(tài)的復合板的力學性能隨軋制工藝的變化而發(fā)生變化，但是并不顯著，這和軋制態(tài)復合板的基板復雜的金相組織和加工硬化行為有關系。為了改善基板組織，提高軋制復合板的力學性能，選取了較佳軋制工藝（400℃+15rpm+40%）制備的 Al(5052)/Mg(AZ31B)/Al(5052)進行不同退火工藝，研究了不同的退火工藝對復合板基板的組織演化、界面微結

10、構、界面結合強度和力學性能的影響。通過基板的組織觀察，確定了150℃為復合板合適的去應力退火溫度。并對復合板在150℃進行了不同時間的退火，實驗研究表明150℃+1h退火時可以獲得綜合力學性能最好的復合板，隨退火時間延長，靜態(tài)再結晶晶粒開始長大將降低復合板的綜合力學性能，由于低溫退火，未能引起界面原子的顯著擴散，界面結合強度隨退火時間的變化不明顯。由實驗確定200℃為界面無相變的最高退火溫度。進行了200℃下不同時長的退火，研究發(fā)現：隨

11、著退火時間的延長，界面的結合強度下降，因此進行無相變退火改善復合板性能時，應將時間控制在1h~2h之間。在300℃進行不同時間的退火發(fā)現，基板組織優(yōu)化和界面金屬間化合物形成競爭關系，界面金屬間化合物的厚度隨退火時間的增長呈拋物線規(guī)律變厚；而基板組織的晶粒度則呈現逐步減小后趨于穩(wěn)定；當退火時間為30min時，在界面上形成約1.6μm厚的IMCL，盡管IMCL為硬脆性相層，但是由于尺度效應導致薄 IMCL可以有效地增強界面結合性能，防止拉伸

12、時界面分層，從而有效提高復合板的綜合力學性能。
　　對熱軋 Al/Mg/Al界面上的兩相金屬間化合物層（IMCL）的斷裂過程進行了實驗研究，據此將其在受軸向拉伸時的斷裂分成三個區(qū)域：理想工作區(qū)、含缺陷工作區(qū)與失效工作區(qū)。發(fā)現在含缺陷工作區(qū) IMCL產生橫向裂紋，但此時仍能其到連接基板和覆層的作用，Al/Mg/Al復合板整體并未失效。在其彈性階段利用VRH方法結合Rule of mixture進行了力學性能反演，得到了IMCL的彈性