軋制AZ31鎂合金板材(4mm)動態(tài)壓縮性能與失效行為

劉 正，董 陽，毛萍莉，于金程

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

軋制AZ31鎂合金板材(4mm)動態(tài)壓縮性能與失效行為

劉 正，董 陽，毛萍莉，于金程

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

AZ31鎂合金；SHPB；高應(yīng)變速率；動態(tài)力學(xué)性能；失效行為

鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性和切削加工性好等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域[1,2]。其中AZ31鎂合金的強(qiáng)度較高，延展性良好，可用來制造不同厚度的板材及形狀復(fù)雜的鍛件、模鍛件及擠壓件，是目前應(yīng)用最廣泛的變形鎂合金[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對AZ31鎂合金成形技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，主要集中在AZ31板材制備[4]、超塑性[5,6]、熱變形規(guī)律[7-9]、動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶[10-12]、溫?zé)釠_壓成形技術(shù)[13-17]和數(shù)值模擬[18]等方面。然而作為交通工具的結(jié)構(gòu)材料，有必要對其在沖擊載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行研究[19]。因?yàn)樵跊_擊載荷下，由于應(yīng)變速率較高，塑性變形只在局部發(fā)生，變形很不均勻，這就使得動態(tài)力學(xué)行為與靜態(tài)不同[20,21]。到目前為止，國內(nèi)外對AZ31鎂合金板材在高應(yīng)變速率下的研究報道很少。因此，本研究軋制AZ31鎂合金板材(4mm)分離式Hopkinson高速壓縮實(shí)驗(yàn)，探討AZ31鎂合金板材(4mm)沿不同方向在不同應(yīng)變速率下的動態(tài)壓縮力學(xué)性能和斷裂機(jī)制，將為高速沖擊載荷下AZ31鎂合金板材的選用提供重要依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測試材料是商用AZ31鎂合金板材(4mm)。合金的名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Al 3%， Zn 1%， Mn 0.2%，其他為Mg。為了研究其各向異性，Hopkinson高速壓縮的立方試樣從AZ31鎂合金4mm板材上沿軋制方向(RD)、橫向(TD)和法向(ND)三個方向截取，截取示意圖如圖1所示。試樣尺寸為3mm×3mm×4mm，試樣照片如圖2(a)所示，沿RD方向壓縮的試樣斷裂照片如圖2(b)所示。

圖1 試樣截取示意圖Fig.1 Schematic diagram of cutting specimens

圖2 AZ31鎂合金板材(4mm)動態(tài)壓縮試樣照片(a)壓縮試樣；(b)沿RD方向斷裂試樣Fig.2 Photographs of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)(a)specimen;(b)specimen after dynamic compression along RD

在室溫下采用SHPB裝置進(jìn)行高速壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理見文獻(xiàn)[22-24]。波導(dǎo)桿采用 φ10mm×900mm的彈簧鋼桿，應(yīng)變片型號為：BF120-1AA，電阻值：120.0Ω± 0.1Ω，靈敏系數(shù)：2.11±0.1。實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變率范圍為500～2600s-1。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)后對斷裂的試樣利用SEM進(jìn)行斷口形貌分析。并對斷裂試樣進(jìn)行鑲嵌、磨平、拋光、腐蝕后，再觀察金相組織。

圖3 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Schematic view of SHPB system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 動態(tài)壓縮力學(xué)性能

圖4為軋制AZ31鎂合金板材(4mm)的動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖4(a)，(b),(c)可知，AZ31鎂合金板材(4mm)分別沿RD,TD和ND三個方向高速壓縮時，沿RD和TD方向的動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的初始部分均出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折臺階，呈現(xiàn)出明顯的屈服現(xiàn)象；而沿ND方向的動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線則沒有轉(zhuǎn)折臺階，呈現(xiàn)連續(xù)屈服的特征。隨著應(yīng)變速率的增大，沿RD和TD兩個方向的曲線不斷上移，表現(xiàn)出正應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)；而沿ND方向的曲線則基本重合。沿RD方向高速壓縮時，當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到2100s-1，試樣發(fā)生斷裂，斷裂強(qiáng)度為245MPa；沿TD方向高速壓縮，應(yīng)變速率達(dá)到2000s-1時，試樣發(fā)生斷裂，斷裂強(qiáng)度為230MPa；而沿ND方向高速壓縮，應(yīng)變速率達(dá)到1250s-1時，試樣發(fā)生斷裂，斷裂強(qiáng)度為865MPa。

圖4 AZ31鎂合金板材(4mm)動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(a)RD;(b)TD;(c)ND;(d)1600s-1;(e)2100s-1Fig.4 Dynamic compressive true stress-true strain curves of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)(a)along RD;(b)along TD;(c)along ND;(d)1600s-1;(e)2100s-1

由此可見，沿RD和TD兩個方向高速壓縮時，試樣斷裂的應(yīng)變率基本相同，斷裂強(qiáng)度也相近，而與ND方向則大不相同。而當(dāng)應(yīng)變速率同為2100s-1時，RD和TD的動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線基本重合，如圖4(e)所示。圖4(d)為應(yīng)變速率在1600s-1時三個方向的動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，可以明顯看出，RD和TD兩個方向與ND方向的動態(tài)壓縮性能存在明顯的各向異性。上述結(jié)果表明，軋制AZ31鎂合金板材(4mm)沿ND方向的動態(tài)斷裂強(qiáng)度最大，RD和TD能承受的應(yīng)變速率大于ND方向，其動態(tài)壓縮性能存在各向異性，RD和TD方向的動態(tài)壓縮力學(xué)性能相同，與ND方向的動態(tài)壓縮力學(xué)性能明顯不同。

2.2 動態(tài)壓縮斷口形貌

圖5為AZ31鎂合金板材(4mm)高速壓縮后斷裂試樣的斷口形貌。從圖5可以看出，RD方向和ND方向的斷口起伏平緩，出現(xiàn)大量的彎曲的撕裂棱和光滑平面，還有少量的較淺的舌狀花樣，表現(xiàn)出明顯的解理斷裂特征。而TD方向的斷口則出現(xiàn)大量的明顯高低錯落的解理臺階形貌。由此可知，AZ31鎂合金板材(4mm)在動態(tài)壓縮載荷下的斷口機(jī)制為解理斷裂，斷口形貌對載荷方向敏感。

2.3 動態(tài)壓縮金相組織

圖6為AZ31鎂合金板材(4mm)的金相組織照片。圖6(a-1)為RD方向原始金相組織，從圖中可以看出，原始組織中已存在一定數(shù)量的孿晶，形成了一定寬度的孿晶條帶，這些孿晶是在軋制變形過程中所形成的。經(jīng)過高速壓縮后，如圖6(a-2)所示，RD方向組織中出現(xiàn)了許多細(xì)小的裂紋，這些裂紋沿著晶界和孿晶界擴(kuò)展，并且相互連接。圖6(b-1)為TD方向原始金相組織，組織中存在晶粒尺寸為10μm左右的等軸晶粒和晶粒尺寸為2μm左右的細(xì)小再結(jié)晶晶粒。經(jīng)過高速壓縮后，如圖6(b-2)所示，RD方向組織中出現(xiàn)裂紋，裂紋周圍有明顯融化的痕跡。這是由于絕熱溫升而引起的熱軟化效應(yīng)[25]，在高應(yīng)變速率下，整個變形過程的時間是極短的，絕大部分(90%左右)的塑性功轉(zhuǎn)化為熱量并且來不及散失，熱量集中使得局部組織發(fā)生融化現(xiàn)象。圖6(c -1)為ND方向原始金相組織，原始組織中已存在一定數(shù)量的孿晶和細(xì)小再結(jié)晶晶粒條帶，原始組織中有少量的孿晶。經(jīng)過高速壓縮后，孿晶數(shù)量大幅增加，孿晶帶明顯變寬，如圖6(c -2)所示。

圖5 AZ31鎂合金板材(4mm)的動態(tài)壓縮斷口SEM圖片(a)RD方向;(b)TD方向;(c)ND方向Fig.5 SEM fractographs of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm) under dynamic compression(a)along RD;(b)along TD;(c)along ND

圖6 AZ31鎂合金板材(4mm)的原始(1)和動態(tài)壓縮(2)的金相組織 (a)RD方向;(b)TD方向;(c)ND方向Fig.6 Original (1) and dynamic compressive(2) microstructures of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)(a)along RD;(b)along TD;(c)along ND

3 分析與討論

3.1 變形機(jī)制

通常鎂合金在擠壓、軋制等塑性變形過程中易形成較強(qiáng)的(0002)基面織構(gòu)[26]。圖7為AZ31鎂合金板材(4mm)的織構(gòu)極圖。通過分析織構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，AZ31鎂合金板材(4mm)在軋制過程中形成了強(qiáng)烈的基面平行于軋制方向的{0002}基面織構(gòu)，使絕大部分晶粒的基面平行于軋制板面，c軸與板面垂直，只有少量晶粒的取向向軋制方向略有偏散(c軸向軋制方向傾斜)，偏散角度在10°以內(nèi)。再由織構(gòu)分析結(jié)果，圖8給出了AZ31鎂合金板材(4mm)的動態(tài)壓縮試樣受力方向與c相對關(guān)系示意圖，箭頭表示受力方向。

圖7 AZ31鎂合金板材(4mm)的織構(gòu)極圖Fig.7 Pole figure of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)

圖8 AZ31鎂合金板材(4mm)動態(tài)壓縮試樣受力方向與c軸相對關(guān)系示意圖Fig.8 Schematic illustration of applied force of tensile samples of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm) related to c axes

3.2 斷裂機(jī)制

通過本實(shí)驗(yàn)的斷口形貌觀察和金相組織分析可知，高應(yīng)變速率下AZ31鎂合金板材(4mm)的動態(tài)壓縮斷裂機(jī)制為解理斷裂。在高速壓縮下，一是局部組織受力集中，晶粒與基體發(fā)生分離，萌生裂紋，裂紋再沿晶界和孿晶界擴(kuò)展；二是局部組織由于高速壓縮過程中的熱軟化作用，在融化的組織中萌生裂紋，導(dǎo)致材料失穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)軋制AZ31鎂合金板材(4mm)動態(tài)壓縮性能存在各向異性。沿ND方向的動態(tài)斷裂強(qiáng)度最大，沿RD和TD能承受的應(yīng)變速率大于ND方向。

(3)高應(yīng)變速率下AZ31鎂合金板材(4mm)的動態(tài)壓縮斷裂機(jī)制為解理斷裂。

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Dynamic Compressive Properties and Failure Behaviour of Rolled AZ31 Magnesium Alloy Sheet (4mm)

LIU Zheng，DONG Yang，MAO Ping-li，YU Jin-cheng

(School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

AZ31 magnesium alloy；SHPB；high strain rate；dynamic mechanical property；failure behavior

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.010

TG146.2+2

A

1001-4381(2015)02-0061-06

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目資助(2013CB632205)；遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目資助(201202160)

2013-04-03;

2014-04-15

劉正(1957-)，男，教授，博士，主要從事高性能鎂合金及其應(yīng)用等方面的研究工作,聯(lián)系地址：沈陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)沈遼西路111號(110870)，E-mail:zliu4321@vip.sina.com