《工程科学学报》：热轧7075AZ31B复合板的显微组织及结合性能

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-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) 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 ·