摘要：本文重點研究了液鍛壓力對鎂合金製件組織及性能的影響，采（cǎi）用拉伸試驗機（jī）、金相顯微鏡、掃描電鏡分別對其力學性能、微觀組織、斷口形貌進行觀察，得出AZ31 液態模鍛製件（jiàn）性能最優情況下的液鍛壓力。 

  
      鎂及鎂合金蘊藏豐富，應用範圍（wéi）廣，是繼鋼鐵和鋁合金之後發展起來的（de）第三類金（jīn）屬結構材料（liào）。與其他結構用（yòng）金屬及合金材料相比，優點（diǎn）突出，具有（yǒu）密度小，質量輕，比強度、比剛度高，電磁屏蔽性能優異，抗（kàng）輻射，易回收等一係列（liè）優點，常用在航天（tiān）、國防、交通、電子通信設備、體育用品、辦公用品等領域 。
 
     目前，在金屬加工工藝中，隨著製件複雜程度、質量和尺寸（cùn）精度（dù）要求的提高，加工工藝逐步由連續鑄造、壓（yā）力鑄造轉變為精密模鍛、等溫模鍛、超塑性加（jiā）工，如今為液態模鍛。液態模鍛工藝綜合吸收了鑄造的充填方式及（jí）壓力加工的壓力要素， 利用該技術生產出的產品具有更優越的性能[2]。液（yè）態模鍛技術及其產（chǎn）品品質優良、節約能源、改善壞境、成本低（dī），可以加工性能要求（qiú）高、形狀較複（fù）雜的（de）產品。除了材料本身外，液態模（mó）鍛參數（shù）的設置是影響其品質性能的主要因（yīn）素。本（běn）文主要研究了液鍛壓力（lì）對AZ31 鎂合（hé）金製件組織性能的影響， 確定出鎂合金的最佳液鍛壓力。
 
 
     1、 樣件製備

   
     1.1 液態模鍛工藝流程
 
 
     液態模鍛成型工藝是（shì）近年來發（fā）展起來的一種後（hòu）續加工量較少或（huò）無（wú）需加工的新型金屬加（jiā）工工藝， 該工（gōng）藝的主要特點是省力、節能、材料利用率較高[3]。液態模鍛的工藝過程相對比較簡單， 把金屬液直接澆注到經過預熱並（bìng）噴刷潤滑劑的液鍛模具模腔中，然後，在（zài）金屬液處於熔融或半熔（róng）融狀態時，通過衝頭施加機械靜壓力，使金屬液在壓力（lì）下結（jié）晶凝固。
 
     1.2 液（yè）鍛（duàn）壓力選擇
 
     液鍛壓力簡稱比（bǐ）壓（yā），比壓P 是指（zhǐ）合模施（shī）壓時，液鍛力P0 作用在金屬液上形成的壓強。比壓（yā）過小達不到組織（zhī）密實的效（xiào）果，比壓過大時，液鍛件性能的改（gǎi）善不（bú）明顯。鍛件的外形越複雜，金屬澆（jiāo）注溫度越低，所需的（de）比（bǐ）壓也越大。一般有（yǒu）色金屬鍛件的比壓大於50MPa， 圓（yuán）柱形鋼鍛件的比壓為250MPa。液態模（mó）鍛低（dī）限（xiàn）比壓值為40MPa～60MPa，密實比壓值為60MPa～100MPa，成形時（shí）比壓（yā）的（de）選（xuǎn）用常采（cǎi）用以下（xià）經驗公式：
 
    

（mm）。經綜合分析，比壓參數範圍（wéi）選擇為（wéi）40MPa～80MPa。
 
     1.3 實驗材料及設備
 
     實驗材料：AZ31 鎂合金。實驗設備：JSXZ-40T 液壓機（圖1）、MXD-10M 熔煉爐（圖2）、Leica-DMILM 型顯微鏡（圖3）、ZEISS 掃描電鏡（圖4）。

       1.4 鎂合金液熔煉試樣製備
 

     液態模鍛工藝參數：模具澆注溫度690℃；靜置時間3s； 保壓時間15s 時。比壓從左至右分別（bié）選取40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa 製得製件的宏觀圖片如圖（tú）5 所示。

     
  
         圖5 不同（tóng）液鍛壓力下的鎂合金製件（jiàn）
 

     2 、實驗結果及討論
 

     2.1 不同（tóng）液鍛壓力下（xià）製件的抗拉強度

                    圖6 不同液鍛壓力下（xià）製件的抗拉強度（dù）

 
     試樣尺寸如圖7 所示，試（shì）樣厚度5mm，采用（yòng）萬能拉伸試驗機。拉伸速度設置為2mm/min，拉伸試驗機對矩形試樣兩（liǎng）端緩慢地施加載荷，使試樣受軸向伸長，一直到拉斷為（wéi）止，不同澆注溫度條件下試（shì）樣的抗拉強（qiáng）度如圖6 所示。

                            圖（tú）7 拉伸試樣尺寸

     測試結果分析（xī）： 液鍛壓力下鎂合（hé）金試樣的抗拉強度（dù）相比普通金屬型重力鑄（zhù）造試樣明顯增加。在一定範圍內，鎂合金試樣抗拉強度隨壓力（lì）的增加而增大， 當壓（yā）力為70MPa 左右時，試樣的（de）強度達到最高值296MPa，當壓（yā）力超過70MPa 後，試樣抗拉強度隨壓力增加有所（suǒ）下降。合金（jīn）液在壓力作用下（xià）結晶，出現強製對流現象，促使結晶出的（de）枝（zhī）晶斷裂，增加了晶粒密度。同時，鎂合金中各元素分布（bù）也變得更加均勻，避免了偏析現象，進而提高鎂（měi）合金的強度。

     2.2 不同液鍛壓力下試樣的致密度分析

     通過對其質量測量可以（yǐ）看出澆注溫度對其致密度的影響（xiǎng），結果如表1 所示，直觀圖如圖（tú）8 所示。

                                     表（biǎo）1 鎂合（hé）金試樣致密度

                              圖8 液（yè）鍛壓（yā）力對試樣硬度（dù）的影響（xiǎng）

     從測試結果分析，液鍛壓力從40MPa 升到70MPa 的過（guò）程中，液鍛件密度明顯升高，80MPa 左右壓力下試樣的致（zhì）密度比70MPa 升高程度小，說明70MPa～80MPa 液鍛壓力下鎂合金試樣已經達到密實程度。壓（yā）力較小時（shí），合（hé）金液凝固得（dé）不到及時的補縮，升高（gāo）液鍛壓力，不僅可使晶粒細化，而且合金液凝固產（chǎn）生的收縮能夠得到及時的補縮，成形件致密（mì）度高，表麵光滑（huá）致密，可減（jiǎn）少或消除缺陷。

     2.3 不同液鍛壓力下試樣的金相組（zǔ）織（zhī）觀察與斷口分析
 
     2.3.1 液鍛（duàn）壓力為40MPa、70MPa、80Mpa 時的金相如圖9（a）、（b）、（c）所示。

                                  圖9 鎂合金試樣金（jīn）相圖

     觀察液鍛（duàn）壓力在40MPa 下試樣的金相圖， 晶粒明顯（xiǎn）較為粗大。70MPa、80MPa 壓力下組織較為細密。鎂合金液鍛件的金相組織隨液鍛壓（yā）力的增大而（ér）變細密。根（gēn）據金屬液結晶動力學理論，在施加壓力的（de）情況下，金屬液固相線會向著高溫方向做移動， 與原本固相線溫（wēn）度有一個溫度差，施加壓力越大，溫度差（chà）也越大。在固相線附近的液態金屬，在受到（dào）外加壓力時，變為過冷態。過冷度較大時，合金液內成核並生長，阻止了枝（zhī）晶的延伸（shēn）長大，生成（chéng）等軸晶結構（gòu）。壓力（lì）越高，凝固速度越（yuè）快，結（jié）晶後（hòu）的組織越細密。同時，施加壓力（lì）使合金液在壓力下凝固，也防止因組織成分不同而形成偏析現象，提高其力學（xué）性能。80MPa 左右壓力下，從金相圖上看不出明顯的差別，此時試樣抗拉強（qiáng）度有所下降（jiàng）。

     2.3.2 液鍛壓力為40MPa、70MPa、80Mpa 時的斷（duàn）口（kǒu）形貌如圖10（a）、（b）、（c）所示。

                               圖10 鎂合金試樣金（jīn）相圖

     試樣拉斷後的宏觀斷口呈暗灰色，圖10（a）、（b）、（c）分別為40MPa、70MPa、80MPa 壓力下（xià）液態模鍛試樣拉伸斷口掃描電鏡圖。從（cóng）圖片中可以明顯觀察到韌窩的形成，
尤其壓力為70Mpa 的試樣斷（duàn）口中， 分（fèn）布（bù）著不同深淺的韌窩，表明發生了較（jiào）大的塑性變形。與此（cǐ）相比（bǐ），40MPa 試樣斷口中韌窩較為（wéi）粗大，拉伸時對外力的變形抗力稍差（chà），試樣的塑性和抗拉強度也較低。壓力為（wéi）80MPa 左（zuǒ）右（yòu）的試樣，斷口出現部分準解理台階，有脆斷傾向，壓力（lì）過高，導致液態模（mó）鍛後期（qī）液鍛件表麵和試樣內部塑性變形量（liàng）不同，內部出（chū）現顯微裂（liè）紋，影響其力學性能。

     2.4 對實驗數據進行Matlab 處理

     抗（kàng）拉強度是評價試樣力學性能的重要指標（biāo）， 用Matlab 處（chù）理（lǐ）該組實驗得（dé）到的抗拉強度數據， 處（chù）理結果如圖11 所示。分析壓力的變化對液態模鍛件抗拉強度的影（yǐng）響，發現最佳的壓力（lì）參數為65～70MPa。綜合分析擬合圖結果，可以獲得在40～80MPa 區間（jiān）液態模鍛鎂合金抗拉強度σb 與液鍛壓力P 的關係，得出（chū）表征方程式。

                    圖11 液鍛（duàn）比壓與抗拉強度關係擬合曲線

     圖中的折線（xiàn）點為實驗測得的實際數據， 光滑曲（qǔ）線為Matlab 擬合曲線， 表征方程式（shì）為：y=-0.771x2+10.3971x-58.0857。

     3 、結論

     3.1 對實驗結果得到的數據使用Matlab 軟件進行處理（lǐ），找出（chū）實驗參數與試樣力學性能的表征關係式。綜合分析，得出AZ31 液（yè）態模鍛壓力為65MPa～70MPa 左右。

     3.2 與普（pǔ）通金屬型鑄造工藝相比， 液（yè）態模（mó）鍛（duàn）工藝能大幅提高鎂合金（jīn）件（jiàn）力學性（xìng）能（néng）， 普通（tōng）鑄件的（de）抗拉強度一般為（wéi）200MPa～225MPa， 而（ér）液鍛件抗拉強度達到了280Mpa左右。

     液態模鍛工藝中，工藝參數的合理控製尤（yóu）為重要，直接關係到液鍛件質量的好壞。本文以AZ31 鎂合（hé）金的直接（jiē）液鍛為例，對液（yè）鍛工藝最佳參數進行了（le）探（tàn）索分析，為在工業生產中應用鎂合金液態模鍛提供參考。從實驗過程及實驗結果的研究（jiū）中發現，影響規律比較明（míng）顯。但由於研究條件有限（xiàn）， 隻對（duì）鎂合金液態模鍛工（gōng）藝中最重要的參數進行了研（yán）究，還（hái）需繼續完善。