AZ31鎂合金熱變形過程中的流變應(yīng)力

王 慶，林金保，黃慶學(xué)，王 翀(太原科技大學(xué)，太原 030024)

鎂及鎂合金是在工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料[1]。鎂合金具有比強度、比剛度高以及良好減振性、切削加工尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，尤其易于回收利用，具有環(huán)保特性[2]，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究AZ31鎂合金在高溫下的塑性變形為與該合金在高溫塑性變形過程中的真應(yīng)力真應(yīng)變，為制定AZ31鎂合金熱加工過程的工藝參數(shù)提供理論參考，為研究AZ31鎂合金的熱變形理論和塑性變形的數(shù)值模擬提供必要的實驗數(shù)據(jù)。

1 材料及試驗方法

實驗的材料為商用的AZ31鎂合金，為Mg-Al-Zn系合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為：Al 2.5%-3.5%，Zn 0.6-0.4%，Mn 0.15-0.5%，Ca 0.05%，Ni 0.005%，F(xiàn)e 0.005%，Mg余。將材料通過線切割機床加工成Φ8×12 mm圓柱式實驗試樣，在Gleeble 1500熱模擬試驗機上對試樣進行單向熱壓縮實驗。壓縮溫度為473 K-673 K，溫度間隔為50 K，應(yīng)變速率為0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1、3 s-1.壓縮前溫升速度為4 K/s，到額定溫度后保溫5 min.試樣相對壓下量為60%.

材料按照國標加工成如圖1所示的拉伸試樣，在UTM5305拉伸機上進行單向拉伸。實驗溫度與壓縮相同，應(yīng)變速率分別為0.000 33 s-1，0.001 s-1，0.01 s-1，0.05 s-1.拉伸前溫升速度為5 K/s，到溫后保溫10 min.

圖1 熱拉伸試樣標準尺寸

2 實驗結(jié)果分析

2.1 真應(yīng)力真應(yīng)變曲線對比

如圖2、3所示為AZ31鎂合金在不同應(yīng)變速率和不同溫度下熱變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。AZ31鎂合金在熱變形過程中的真應(yīng)力峰值隨應(yīng)變速率變化而變化，表明該合金材料是應(yīng)變速率敏感材料。在壓縮變形過程中AZ31鎂合金的真應(yīng)力先升高至峰值然后降低至穩(wěn)態(tài)值。在拉伸變形過程中AZ31鎂合金的真應(yīng)力值不斷增加，直至試樣拉斷。由于鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，所以在壓縮拉伸熱變形過程中鎂合金的真應(yīng)力明顯不同。在高溫低速的變形過程中AZ31鎂合金的真應(yīng)力峰值消失。無論是在壓縮還是拉伸過程中，真應(yīng)力都出現(xiàn)明顯的鋸齒形波動，說明在鎂合金在熱變形過程中存在動態(tài)回復(fù)。

圖2AZ31鎂合金熱壓縮變形過程中的真應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.2Thetruestress-straincurveofAZ31Magnesiumalloyduringthermalcompressionprocess

圖3 AZ31鎂合金熱拉伸變形過程中真應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 應(yīng)變速率對真應(yīng)力的影響

(1)

其中，s1和n1均為材料的常數(shù)，而在低溫、高速的變形條件下該合金的真應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系可用冪指數(shù)關(guān)系描述:

(2)

式中，s2和β是材料常數(shù)。由于方程(1)僅適用于低應(yīng)力水平和式(2)僅適用于高應(yīng)力水平的局限性，本文采用了包括變形激活能Q和溫度T的修正后的雙曲正弦形式Arrhenius關(guān)系來描述AZ31鎂合金的熱變形行為[4-6]:

(3)

其中s，n與α是材料常數(shù)，R是氣體常數(shù)。由于式(3)可以同時描述AZ31鎂合金變形過程中的低應(yīng)力和高應(yīng)力，因而該式可用于描述不同變形條件下AZ31鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。材料常數(shù)α，β與n之間滿足:

α=β/n

(4)

由于AZ31鎂合金材料易發(fā)生動態(tài)回復(fù)，因此選用該材料的峰值應(yīng)力值來描述變形過程中的真應(yīng)力，假定在溫度確定時，該材料的變形激活能為一常數(shù)，則由式(1)～式(3)推導(dǎo)得:

(5)

(6)

(7)

圖4AZ31鎂合金壓縮變形過程中的真應(yīng)力峰值與應(yīng)變速率之間的關(guān)系

Fig.4TherelationshipbetweenthetruepeakstressandstrainrateduringAZ31magnesiumalloycompressiondeformationprocess

圖5 AZ31鎂合金拉伸變形過程中的真應(yīng)力峰值與應(yīng)變速率之間關(guān)系

圖5分別為在不同變形條件下AZ31鎂合金熱變形時應(yīng)變速率與真應(yīng)力峰值之間的關(guān)系曲線。通過實驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在變形溫度確定時，真應(yīng)力峰值與應(yīng)變速率之間的線性關(guān)系比較明顯。

根據(jù)對試驗數(shù)據(jù)的擬合，可得熱壓縮過程中的n1=14.159 9和β=0.125 5，從而根據(jù)式(4)得到α=0.008 9 MPa-1.熱拉伸過程中的n1=22.67和β=0.336 2，得到α=0.014 8 MPa-1采用實驗數(shù)據(jù)求得的α值，重新繪制真應(yīng)變真應(yīng)力的雙曲正弦關(guān)系圖，從擬合圖4(c)、5(c)來看，應(yīng)變速率與真應(yīng)力峰值符合線性關(guān)系。當(dāng)變形溫度上升時，直線斜率會隨溫度的變化而變化，也說明變形激活能不是隨溫度變化而不變。

2.3 變形溫度對真應(yīng)力的影響

AZ31鎂合金在變形過程中的真應(yīng)力，通常由AZ31鎂合金在不同變形溫度、變形速率和變形程度下，熱變形過程中的峰值應(yīng)力值的大小來衡量。由定義Zener-Hollomon的參數(shù)，可以得到:

(8)

當(dāng)應(yīng)變速率確定并保持不變時，假定變形溫度在小范圍內(nèi)變化時AZ31鎂合金的變形激活能保持不變，對方程(8)取對數(shù)可得:

(9)

由此可得峰值應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系:

(10)

圖6所示為根據(jù)實驗溫度和真應(yīng)力峰值繪制得到的ln[sinh(ασ)]-1 000/T之間的曲線關(guān)系。如圖6可知，變形溫度和真應(yīng)力峰值呈較好的線性關(guān)系，由此證明AZ31鎂合金在熱變形過程中變形溫度和真應(yīng)力峰值之間滿足Arrhenius曲線關(guān)系，可以用Z參數(shù)來描述AZ31鎂合金在熱變形過程中時的真應(yīng)力真應(yīng)變行為。

圖6AZ31合金的ln[sinh(ασ]與103/T的關(guān)系

Fig.6Therelationshipbetweenln[sinh(ασ)]and103/TofalloyAZ31

2.4 流變應(yīng)力方程的建立

變形激活能是受AZ31鎂合金材料組織結(jié)構(gòu)及變形過程中的工藝參數(shù)等不同的變形因素的影響，是描述AZ31鎂合金在高溫變形過程中重排原子的難易程度的一個微觀物理量。變形速率減小時，合金內(nèi)位錯遷移速率的升高導(dǎo)致位錯密度減小，使位錯的滑移不受阻，不會引起晶界附近的應(yīng)力集中，從而降低材料的變形激活能[11]。

由于變形溫度和應(yīng)變速率對AZ31鎂合金的變形激活能有直接影響，利用式(3)可得：

(11)

由式(8)可推出：

sinh(ασ)=(Z/s)1/n

(12)

由定義雙曲正弦函數(shù)推導(dǎo)得:

sinh-1(ασ)=ln[ασ+(ασ2+1)1/2]

(13)

由此，可將真應(yīng)力表示成參數(shù)Z的函數(shù)：

σ=1/αln{(Z/s)1/n+[(Z/s)2/n+1]1/2}

(14)

根據(jù)式(8)，得到壓縮、拉伸參數(shù)Z分別為：

Z=εexp[132.28×103/(RT)]
Z=εexp[255.26×103/(RT)]

根據(jù)式(3)，得到該合金的流變應(yīng)力方程分別為：

ε=7.01×1020[sinh(0.0089σ)]9.664·
exp[-132.38×103/(RT)]
ε=5.54×1034[sinh(0.0148σ)]15.8·
exp[-255.26×103/(RT)]

根據(jù)式(14)，熱變形流變應(yīng)力方程分別為：

σ=112.359ln{[Z/(7.01×1020)]1/9.664+
[(Z/(7.01×1020))2/9.664+1]1/2}
σ=67.567ln{[Z/(5.54×1034)]1/15.8+
[(Z/(5.54×1034))2/15.8+1]1/2}

3 結(jié)論

(1)AZ31鎂合金在473-673K進行熱變形時，應(yīng)變速率和變形溫度對真應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響。AZ31鎂合金在變形過程中真應(yīng)力峰值隨溫度、應(yīng)變速率的變化而變化。在高速低溫的變形情況下，熱拉伸AZ31鎂合金的真應(yīng)力值不斷增加，不存在穩(wěn)態(tài)應(yīng)力值。在低速高溫的變形情況下AZ31鎂合金變形過程中的真應(yīng)力峰值消失。在壓縮拉伸的熱變形過程中AZ31鎂合金的真應(yīng)力明顯不同。無論是在壓縮還是拉伸變形過程中，真應(yīng)力都出現(xiàn)明顯的鋸齒形波動，說明在AZ31鎂合金的熱變形過程中存在動態(tài)回復(fù)。

(2)AZ31鎂合金熱變形的真應(yīng)力行為可用包含Arrhenius項的Zener-Hollomon 參數(shù)來描述。該合金的熱變形激活能：壓縮變形激活能為Q=132.38 kJ/mol，拉伸變形激活能為Q=255.26 kJ/mol，熱壓縮變形的真應(yīng)力方程為：

ε=7.01×1020[sinh(0.0089σ)]9.664×

exp[-132.38×103/(RT)]

熱拉伸變形的真應(yīng)力方程為：

ε=5.54×1034[sinh(0.0148σ)]15.8×

exp[-255.26×103/(RT)]

參考文獻：

[1] FROES F H，ELIEZER D，AGHION E.The science technology and applications of magnesium[J].JOM，1998(9)：30-33.

[2] 曾小勤，王渠東，呂宜振，等.鎂合金應(yīng)用進展[J].鑄造，1998(11)：39-43.

[3] 黎文獻，楊軍軍，肖于德.Al-Fe-V-Si 合金高溫變形熱模擬[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，31(1)：56-59.

[4] RYAN N D，MCQUEEN H J，EVANGELISTA E.Dynamic recovery and strain hardening in the hot deformation of type 317 stainless steel[J].Mater Sci Eng，1986，81：259-272.

[5] MCQUEEN H J，RYAN N D.Constitutive analysis in hot working[J].Mater Sci Eng，2002，A322：43-63.

[6] GUO J，CHEN L，XU Y，et al.Investigation of the compressive creep behavior of AZ91D magnesium alloy[J].Mater Sci Eng A，2007，443：66-70.

[7] AGNEW S R，TOMé C N，BROWN DW.Study of slip mechanisms in a magnesium alloy by neutron diffraction and modeling [J].Scripta Materialia，2003，48：1003-1008.

[8] AGNEW S R，DUYGULU O.A mechanistic understanding of the formability of magnesium：examining the role of temperature on the deformation mechanisms [J].Materials Science Forum，2003，422：177-188.

[9] AGNEW S R，BROWN D W，TOME C N.Validating a polycrystal model for the elastoplastic response of magnesium alloy AZ31 using in situ neutron diffraction [J].Acta Materialia，2006，54：4841-4852.

[10] BARNETT M R，KESHAVARZ Z，MA X.A semianalytical Sachs model for the flow stress of a magnesium alloy [J].Metallurgical and materials transactions A，2006，37：2284-2293.

[11] MWEMBELA A，KONOPLEVA E B，JMCQUEEN H.Microstructural development in Mg alloy AZ31 during hot working[J].Script Mater，1997，37：1789-1795.