ZK60鎂合金加工圖的構(gòu)建及失穩(wěn)分析

何運斌，潘清林，劉曉艷，李文斌

(1．中南大學材料科學與工程學院，長沙410083，E-mail:mcdonlean@gmail．com; 2．中南大學有色金屬材料與工程教育部重點實驗室，長沙410083)

ZK60鎂合金加工圖的構(gòu)建及失穩(wěn)分析

何運斌1，2，潘清林1，2，劉曉艷1，2，李文斌1，2

(1．中南大學材料科學與工程學院，長沙410083，E-mail:mcdonlean@gmail．com; 2．中南大學有色金屬材料與工程教育部重點實驗室，長沙410083)

采用Gleeble－1500熱模擬試驗機對ZK60鎂合金在變形溫度為150～400℃，應變速率為0.001～10 s－1條件下的熱變形行為進行研究，利用雙曲正弦關(guān)系式描述了該合金在熱變形過程中的穩(wěn)態(tài)流變應力;根據(jù)合金動態(tài)模型，計算并分析了該合金的加工圖．研究表明:利用加工圖可確定出該合金熱變形的流變失穩(wěn)區(qū)，導致變形失穩(wěn)的原因主要是孿生和局部流變;試驗條件下熱變形的最佳工藝參數(shù)為變形溫度350℃，應變速率0.001 s－1，在該條件下合金發(fā)生完全再結(jié)晶，具有較好的塑性．

ZK60合金;流變應力;流變失穩(wěn);再結(jié)晶

鎂合金因其密度小，比強度高，電磁屏蔽性能優(yōu)良等特點，在電器，汽車和航空工業(yè)中具有廣闊的應用前景［1－4］．但鎂合金屬于密排六方結(jié)構(gòu)，獨立滑移系少，其塑性和成型性能差，很大程度上制約了其發(fā)展．因此，合理準確地制定鎂合金加工工藝是鎂合金塑性加工領(lǐng)域的難點．

材料在加工過程中的力學行為可采用包含流變應力、應變、應變速率和變形溫度的本構(gòu)方程來描述，根據(jù)動態(tài)材料模型的觀點，材料在變形過程中能量的轉(zhuǎn)變主要以熱和微觀組織演化的方式進行耗散，根據(jù)變形過程中能量的消耗效率與變形溫度及應變速率的變化關(guān)系，可以建立材料變形的加工圖．Prasad等人［5］根據(jù)動態(tài)材料模型建立了材料的加工圖，并成功用于分析鋁合金、銅合金、不銹鋼和鈦合金等［6－10］的高溫變形特征．

本文通過ZK60鎂合金的熱模擬壓縮試驗，研究變形工藝參數(shù)對ZK60合金高溫變形時流變應力的影響規(guī)律，建立ZK60合金高溫變形時的加工圖，以期為合理制定ZK60鎂合金的加工工藝提供理論依據(jù)．

1 實驗

實驗用ZK60鎂合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為 Mg－5.78Zn－0.76Zr．鑄態(tài)合金經(jīng)400℃/12 h均勻化退火后線切割成Φ10 mm× 15 mm的圓柱形試樣．圖1為合金經(jīng)均勻化處理后的金相顯微組織，可以看出，鑄態(tài)枝晶組織完全消失，合金的晶粒大小約為100 μm．壓縮試驗在Gleeble－1500熱模擬機上進行．通過其自動控制系統(tǒng)在預設的溫度和應變速率下進行恒溫、恒應變速率壓縮．試樣壓縮前的升溫速度為10℃/s，在加熱到預定變形溫度后保溫3 min．為減小試樣與壓頭之間的摩擦，在壓縮試樣兩端分別加工一厚度為0.2 mm的凹槽以填充75%石墨(體積分數(shù)，下同)+20%機油+5%硝酸三甲苯脂的潤滑劑．實驗應變速率為0.001，0.01，0.1，1，10 s－1，變形溫度為150，200，250，300，350，400℃，總壓縮變形量為60%．壓縮試驗結(jié)束后立即對試樣進行水淬處理，以保留合金壓縮結(jié)束時的變形組織．采用POLYVER－MET金相顯微鏡對不同變形條件下的典型組織進行觀察，觀察表面與壓縮方向平行．

圖1 合金經(jīng)均勻化處理后的顯微組織

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 ZK60鎂合金應力－應變特征

圖2為ZK60鎂合金在不同變形條件下等溫熱壓縮的真應力(σ)－真應變(ε)曲線．

圖2 ZK60鎂合金不同溫度和應變速率下的真應力－真應變曲線

由圖2可見，流變應力隨變形程度的增加而增加，到某一峰值后逐漸下降到一穩(wěn)態(tài)值，表現(xiàn)出明顯的動態(tài)再結(jié)晶特征．變形初始階段，由于大量位錯的產(chǎn)生和交互作用，使晶體中產(chǎn)生許多障礙和缺陷，壓縮試樣內(nèi)位錯滑移受阻，位錯密度不斷增加，此時加工硬化率大于軟化率，合金變形抗力隨應變增加而迅速增大;當應變量繼續(xù)增加時，應力上升的速率開始減小，由于亞晶和新晶粒的不斷形核長大，變形過程中動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化逐漸起決定性作用．當流變應力達到峰值時，加工硬化與動態(tài)軟化作用相等;當動態(tài)再結(jié)晶軟化作用超過了加工硬化，流變應力隨應變增加而降低;當加工硬化與動態(tài)再結(jié)晶軟化再次達到平衡時，流變應力曲線即進入穩(wěn)態(tài)流變階段．從圖2還可看出，在同一應變速率下，流變應力隨變形溫度的升高而下降;在同一變形溫度下，流變應力隨應變速率增加而升高，說明合金在該實驗條件下具有正的應變速率敏感性．通常，當變形溫度升高時，原子的熱激活作用加劇，原子的動能增大，使位錯滑移的臨界切應力減小，再加上動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化作用也隨著溫度的升高而加強，從而導致合金流變應力水平降低;隨著應變速率的增加，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的位錯密度增加，位錯運動受阻，位錯攀移及位錯反應等引起的軟化速率也相對降低，硬化增強，使合金的臨界切應力升高，導致流變應力增大．

2.2 流變應力本構(gòu)方程的建立

為了更進一步描述ZK60鎂合金流變應力與變形溫度、應變速率以及應變的關(guān)系，建立了ZK60鎂合金的流變應力本構(gòu)方程．

對不同條件的熱加工數(shù)據(jù)研究表明，流變應力(σ)與變形溫度(T)、應變速率(˙ε)之間的關(guān)系可用下式描述［11－12］:

低應力水平(ασ＜0.8)時，

高應力水平(ασ＞1.2)時，

對所有應力水平，

式中:A1、A2、A、α、n1、n和β均為常數(shù)，且滿足α= β/n;˙ε為應變速率，Q為變形激活能，T為熱力學溫度，R為氣體常數(shù)，σ為流變應力．

在低應力和高應力水平下，分別將式(1)和式(2)對兩邊取對數(shù)整理后可得

取不同條件下的峰值應力為流變應力，作出ln˙ε－lnσ和ln˙ε－σ關(guān)系圖，并分別進行線性回歸，如圖3(a)、(b)所示．根據(jù)式(4)和式(5)，取圖3(a)中低應力的3條直線斜率的平均值得n =7.8531，取圖3(b)中高應力的2條直線斜率的平均值得 β =0.077 MPa－1，則 α = β/n = 0.0098 MPa－1．

圖3 峰值應力與應變速率的關(guān)系

Zener和Hollomon［13］提出變形溫度和應變速率對流變應力的影響可以用Z參數(shù)來描述．在所有應力狀態(tài)下有

對式(6)求偏微分可得變形激活能Q的計算式為

McQueen指出［11］，在高溫變形的本構(gòu)方程研究中，對于易發(fā)生回復的材料，其流變應力選用穩(wěn)態(tài)應力值，而對于易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的材料，通常選用峰值應力為流變應力，由于鎂合金的層錯能低，很容發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，因此，選用峰值應力作為流變應力進行計算．作出 ln˙ε－ln［sinh(ασ)］和ln［sinh(ασ)］－T－1圖，并進行線性回歸，如圖4、圖5所示．取兩圖中4條直線的平均值6.7519和2.831分別為式(7)中第1個偏導和第2個偏導的值，可計算出變形激活能 Q = 158.919 kJ·mol－1．

對式(6)兩邊取對數(shù)還可得到

根據(jù)式(8)，對lnZ－ln［sinh(ασ)］數(shù)據(jù)進行線性回歸(圖6)，即可得到n=6.6664，

lnA=29.3003．于是可得 A =5.3083× 1012s－1．將以上計算得到的α、Q、n和A的值帶入式(3)即可得到ZK60鎂合金熱壓縮變形的本構(gòu)方程．

圖4 ln［sinh(ασ)］與應變速率的關(guān)系

圖5 ln［sinh(ασ)］與溫度的關(guān)系

2.3 加工圖的構(gòu)建及分析

加工圖是 Parasad等［9］基于動態(tài)材料模型(Dynamic Materials Model，DMM)而提出的．該方法不僅可以確定加工區(qū)域的不同變形機制，避免失穩(wěn)變形區(qū)域，還可以優(yōu)化加工工藝參數(shù)獲得所需要的組織和性能，并使熱加工重復性好．DMM模型是基于大塑性變形的連續(xù)介質(zhì)力學、物理系統(tǒng)模擬和不可逆熱力學等基本原理建立起來的．該模型的基本原理為:將熱變形的加工件看作一個能量耗散體，在塑性變形過程中，將外界輸入加工件的總能量P消耗在以下兩方面:①加工件發(fā)生塑性變形所消耗的能量，其中大部分轉(zhuǎn)化為熱能，小部分以晶體缺陷能的形式存儲，用G表示;②加工件變形過程中顯微組織演化所消耗的能量，用J表示．這一過程的數(shù)學可表示為

圖6 lnZ－ln［sinh(ασ)］關(guān)系圖

這兩種能量所占比例由材料在一定應力條件下的應變速率敏感指數(shù)m決定，

假定材料符合如下本構(gòu)關(guān)系:

則耗散協(xié)量J可表示為

式中:m的取值范圍在0～1，當m=1時，材料處于理想耗散狀態(tài)，耗散協(xié)量J達到最大值，即J= Jmax=σ˙ε/2．對于非線性耗散，可用一個無量綱的常數(shù)，功率耗散效率η來反映材料的功率耗散特征，即

功率耗散效率η隨變形溫度和應變速率的變化圖構(gòu)成功率耗散圖，圖中顯示的不同區(qū)域就對應于熱加工過程中某一特定的顯微組織．通常，高η值區(qū)域?qū)罴训募庸ば阅軈^(qū)，但在變形失穩(wěn)區(qū)功率耗散效率也可能很高，所以有必要先確定材料的變形失穩(wěn)區(qū)．

將不可逆熱力學的極大值原理應用于大應變塑性變形中，當時，會出現(xiàn)變形失穩(wěn)，D是在給定溫度下的耗散函數(shù)．按照動態(tài)材料模型原理，D等于協(xié)變量J，由此可推導出材料發(fā)生變形失穩(wěn)的判據(jù)為

參數(shù)ξ(˙ε)作為變形溫度和應變速率的函數(shù)，在能量耗散圖上標出該值為負的區(qū)域稱為變形失穩(wěn)區(qū)，該圖稱為變形失穩(wěn)圖．將失穩(wěn)圖疊加于功率耗散圖上即構(gòu)成加工圖．金屬材料的加工圖存在幾個可以安全加工的域，同時可能包含流變不穩(wěn)定性狀態(tài)和可以避免的裂紋等．通常，安全域描述的為原子機制，如動態(tài)再結(jié)晶、動態(tài)回復和超塑性等;危險的過程包括有在硬微粒處的韌性斷裂、楔形斷裂、晶間斷裂、沿微粒邊界斷裂等;不穩(wěn)定過程包括機械孿生、局部流變、絕熱剪切帶等．

圖7為ZK60合金不同應變下的加工圖，圖中的等高線代表相同的功率耗散效率，不同的數(shù)值代表ZK60合金在對應變形條件下的功率耗散效率值．應變量0.3的加工圖代表應力達到峰值時的狀態(tài)，應變?yōu)?.5的加工圖代表穩(wěn)態(tài)流變的狀態(tài)．對比圖7(a)和(b)可知，應變?yōu)?.3和0.5的加工圖十分相似，均在變形溫度(t)350℃，應變速率0.001 s－1處存在一個耗散效率最大的區(qū)域，其能量耗散效率約為33%，可見，應變量對失穩(wěn)區(qū)的大小基本沒有影響．當變形溫度低于300℃，應變速率大于0.1 s－1時合金出現(xiàn)變形失穩(wěn)．由于在擠壓、鍛壓等過程中，材料所受的應變量均較大，又因應變量達0.5后，材料接近穩(wěn)態(tài)變形，因此，本文采用應變量為 0.5時的加工圖(圖7(b))來對ZK60合金的加工變形機制進行分析．

圖7 ZK60合金不同應變下的加工圖

圖8為ZK60合金變形失穩(wěn)區(qū)的顯微組織，其中圖(a)～(d)分別對應于圖7(b)中所示的(I－1)～(I－4)的4個不同的變形條件．由圖8可知，在(I－1)、(I－2)和(I－4)的變形條件下，顯微組織中存在著大量孿晶，且孿晶之間相互交截．鎂合金在較低溫度下變形時，由于啟動的滑移系有限，在晶界處容易產(chǎn)生應力集中，當孿晶與晶界相交時，晶界處的應力集中就會造成孿晶界附近的位錯塞積，裂紋就會在孿晶界與基體的界面處形核，所以大量孿晶的存在會引起變形失穩(wěn)．從圖1中的應力－應變曲線也可以看出，在溫度小于200℃時，流變曲線出現(xiàn)大幅度的波動，特別是在應變速率高于10 s－1時，曲線變得完全不規(guī)則，出現(xiàn)了完全失穩(wěn)．這與加工圖中對應的失穩(wěn)區(qū)域相符．在(I－3)所示的變形條件下，顯微組織為大量的局部流變帶，這是因為在較低溫度變形時，在晶界和孿晶界等高度應力集中處可以通過位錯的重組而形成再結(jié)晶核心，變形進一步增加，當應力超過了非基面滑移所需的臨界分切應力時，非基面滑移啟動，大量位錯的運動促使大角度再結(jié)晶晶粒的形成，這種再結(jié)晶機制稱為低溫再結(jié)晶機制(LTDRX)［14］．當合金晶粒較粗大時，大晶粒內(nèi)位錯密度低，沒有足夠的條件發(fā)生LTDRX，因此，大晶粒不易發(fā)生變形，僅僅是在小晶粒群滑動時產(chǎn)生剛性轉(zhuǎn)動，這就導致合金基體的變形不能協(xié)調(diào)，從而引起局部流變現(xiàn)象的出現(xiàn)．局部流變的發(fā)生會導致流變區(qū)域的弱化，使其成為裂紋的有利形核位置而引起變形失穩(wěn)．

綜上分析可知，導致ZK60合金在低溫、高應變速率條件下發(fā)生變形失穩(wěn)的原因主要是孿生和局部流變．

圖9為ZK60合金安全變形區(qū)的顯微組織，其中圖(a)～(d)分別對應于圖7(b)中所示的(S－1)～(S－4)的4個不同的變形條件．從圖9可以看出，安全區(qū)的顯微組織主要為完全或部分動態(tài)再結(jié)晶組織．由圖9(a)可見，此時合金已基本完全再結(jié)晶，結(jié)合加工圖(圖7(b))分析可知，其中能量耗散效率最大的區(qū)域(S－1)為1個動態(tài)再結(jié)晶域．從應力－應變曲線中也可以看出，合金在350℃，0.001s－1下變形時，由于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的軟化，合金的流變應力很快達到穩(wěn)態(tài)．在其他變形條件下，由于應變速率較高((S－2)，(S－3))或者變形溫度較低(S－4)，其能量耗散率約為20%，動態(tài)再結(jié)晶進行得不夠充分．因此，動態(tài)再結(jié)晶域(S－1)為ZK60合金的最佳變形區(qū)．

圖8 變形失穩(wěn)區(qū)的顯微組織

圖9 安全變形區(qū)的顯微組織

對比圖9(a)，(b)和(c)可知，當變形溫度保持350℃不變，應變速率從0.001 s－1增加到10 s－1時，合金再結(jié)晶體積分數(shù)減小，再結(jié)晶晶粒尺寸也變?。珣兯俾蕦辖鸾M織的影響遠沒有變形溫度的影響顯著．當應變速率較高時，產(chǎn)生同樣變形程度所需的時間短，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的位錯增多，動態(tài)再結(jié)晶形核數(shù)目增多，同時再結(jié)晶晶粒來不及長大，這都導致晶粒的細化．由于變形時間短，位錯來不及通過滑移和攀移相互抵消，致使合金變形抗力隨應變速率增大而增大．

從前述的分析可知，ZK60鎂合金在變形溫度低于300℃，應變速率高于0.1 s－1時容易出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象;在300℃以上由于發(fā)生了再結(jié)晶，合金具有較好的塑性．

3 結(jié)論

1)采用雙曲正弦函數(shù)可以很好地描述ZK60鎂合金流變應力與應變速率和變形溫度的關(guān)系，其中流變應力方程中各材料參數(shù)分別為:A= 5.3083×1012s－1，α =0.0098 MPa－1，n = 7.8531，Q=158.919 kJ/mol－1．

2)ZK60鎂合金在變形溫度低于300℃，應變速率高于0.1 s－1時容易出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象，導致合金發(fā)生變形失穩(wěn)的原因主要是孿生和局部流變．

3)合金較適宜的加工區(qū)域是變形溫度為350℃、應變速率為0.001 s－1，該區(qū)域合金的功率耗散效率達到最大值33%，合金組織發(fā)生完全再結(jié)晶，具有較好的塑性．

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(編輯 呂雪梅)

Processing maps of ZK60 magnesium alloy and flow instability analysis

HE Yun-bin1，2，PAN Qing-lin1，2，LIU Xiao-yan1，2，LI Wen-bin1，2
(1．Dept．of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China，E-mail:mcdonlean@gmail．com;2．Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering，Ministry of Education，Central South University，Changsha 410083，China)

The flow behavior of ZK60 magnesium alloy was investigated by compression tests on a Gleeble-1500 simulator from 150℃ to 400℃ and from 0.001 s－1to 10 s－1．The steady flow stress during hot compression was modeled by a hyperbolic sine constitutive equation．The processing maps were drawn and analyzed according to the dynamic material model．The results show that the flow instability zones of flow behavior can be recognized by the maps，twining and local flow are the main reasons for the flow instability．According to the maps，the optimal processing temperature and strain rate of hot deformation under the test condition were 300℃ and 0.001 s－1，where the alloy was fully recrystallized and exhibited superior ductility．

ZK60 magnesium alloy;flow stress;flow instability;recrystallization

TG146.2

A

1005－0299(2011)03－0001－07

2010－07－02．

何運斌(1981－)，男，博士．