AZ31鎂合金變路徑壓縮的力學(xué)性能和孿晶機制

宋廣勝，陳強強，徐 勇，張士宏

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AZ31鎂合金變路徑壓縮的力學(xué)性能和孿晶機制

宋廣勝1，陳強強1，徐 勇2，張士宏2

(1. 沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110036；2. 中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽110016)

對AZ31鎂合金軋制板材進行變形方向依次為軋向(RD)、橫向(TD)、軋向和橫向的變路徑壓縮實驗，研究變形過程中的力學(xué)性能，并采用電子背散射衍射(EBSD)觀察上述變形過程中晶粒取向變化，分析孿晶變體的啟動情況。結(jié)果表明：在變路徑壓縮過程中，各路徑壓縮過程依次對應(yīng)拉伸孿晶、二次孿晶、解孿晶和拉伸孿晶的微觀變形機制，首次變形所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)變提高后續(xù)變形中孿晶形核啟動力，使后續(xù)變形過程的屈服強度大幅增加。二次孿晶的啟動遵循Schmid定律，孿晶變體啟動的選擇性傾向明顯，由1或5變體來完成二次孿晶。

AZ31鎂合金；變路徑壓縮；屈服強度；二次孿晶；孿晶變體

作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，鎂合金具有的較高比強度和比剛度、優(yōu)良的電磁屏蔽性、減震性和機械加工性能等一系列優(yōu)點[1?2]，使得鎂合金成為近些年來的研究熱點。然而，由于密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)的特點，鎂合金室溫下能夠啟動的獨立滑移系較少，導(dǎo)致室溫塑性差，變形加工困難[3?5]，強烈制約著鎂合金的發(fā)展。鎂合金的塑性變形機制有基面、柱面、錐面滑移和錐面孿晶，但在室溫變形中，由于柱面和錐面滑移的臨界剪切應(yīng)力(Gitical resolved shear stress, CRSS)遠高于基面滑移而不易被啟動，只有基面滑移提供兩個垂直于軸的獨立滑移系，而平行于軸方向的應(yīng)變主要由錐面孿晶來協(xié)調(diào)。因此，鎂合金中的孿晶機制對鎂合金的變形有重要作用。

預(yù)應(yīng)變過程中引入的大量孿晶和滑移位錯顯著影響后續(xù)加載的變形行為，XIN等[11]在AZ31鎂合金的軋制過程中發(fā)現(xiàn)，沿板材TD方向預(yù)壓縮產(chǎn)生的大量拉伸孿晶明顯地改變了基面織構(gòu)，從而大幅度提高了隨后道次的軋制能力。本文作者以AZ31鎂合金軋制板材為研究對象，進行依次沿RD和TD兩個方向變路徑壓縮試驗，研究變形過程中力學(xué)性能和晶粒取向的變化，尤其是?二次孿晶的特征及對力學(xué)性能的影響。

1 實驗

本研究中所用材料為厚度7 mm的商用AZ31 (Mg-3Al-1Zn)鎂合金熱軋板材，在板材中部切取多個尺寸為8 mm×7 mm×7 mm(RD×TD×ND)的塊狀試樣。室溫下，在SANS?CMT?5105型微機控制電子萬能試驗機上分別對以上試樣進行不同壓縮路徑的變形，壓縮速率都為1 mm/min。試樣名稱及相應(yīng)的壓縮路徑如表1所列。其中，試樣1為沿RD方向的單次壓縮；試樣2的變形路徑為RD→TD，表示試樣2先后沿RD和TD方向進行壓縮，試樣3的變形路徑為RD->TD->RD，則表示試樣3依次沿RD、TD和RD方向壓縮；而試樣4的變形路徑為RD→TD→RD→ TD，即試樣4依次沿RD、TD、RD和TD方向進行壓縮，上述的每次壓縮塑性應(yīng)變量都為7%左右。

表1 試樣及變形方式

初始板材和變形后試樣的晶粒取向利用裝備在掃描電鏡(TESCAN5136XM型)上的電子背散射衍射(EBSD)系統(tǒng)測定，步長為1 μm，晶粒取向觀測面為RD×TD面，使用EBSD系統(tǒng)的HKL Channel 5軟件對晶粒取向數(shù)據(jù)進行處理。晶粒取向測定試樣經(jīng)過砂紙研磨，機械拋光和電解拋光處理，在電解拋光過程中，電解液成分為10%高氯酸+90%酒精(體積分數(shù))，電解液溫度用液氮降至?30 ℃，電解電壓為15 V，電流為0.01 A，電解時間為150 s，電解后試樣立即用超聲波清洗2 min，最后用冷風(fēng)吹干。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

圖1所示為RT4試樣在上述變形過程中的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，每條曲線分別用其對應(yīng)的變形方向和變形順序表示，如RD1表示試樣4首次沿RD壓縮；TD2則對應(yīng)著試樣4的第2次壓縮，壓縮方向為TD；RD3則對應(yīng)著試樣4的第3次壓縮，壓縮方向為RD；TD4則對應(yīng)著試樣4的第4次壓縮，壓縮方向為TD。上述曲線對應(yīng)的屈服強度分別為：RD1為85MPa、TD2為166 MPa、RD3為169 MPa和TD4為171 MPa。如表1所列，從變形方向的變化特征角度分析，試樣1、試樣2和試樣3都包含在試樣4的變形過程中，又因為每個試樣的每次壓縮塑性應(yīng)變量都控制在7%左右，所以RD1曲線可以表示試樣RT1的力學(xué)性能曲線，而RD1和TD2可以表示試樣RT2的變形過程力學(xué)性能曲線，同樣，RD1、TD2和RD3的組合可以表示試樣RT3變形過程力學(xué)性能曲線，即圖中的4條曲線可以用來表示上述4個試樣壓縮變形過程的力學(xué)性能曲線。為了保證力學(xué)性能曲線的可信度，對圖1中的變形過程重復(fù)做了3次，發(fā)現(xiàn)每次變形過程的力學(xué)性能曲線幾乎相同。

圖1 變路徑壓縮試樣的應(yīng)力?應(yīng)變曲線

由圖1可知，RD1呈現(xiàn)典型的鎂合金孿晶+滑移變形機制的S形壓縮曲線，有明顯的低屈服平臺，是發(fā)生拉伸孿晶的典型特征。TD2和TD4曲線存在明顯的孿晶屈服點，但其屈服強度較RD1的大幅提高，增加了約1倍。RD3曲線則無明顯的屈服點，而且經(jīng)過一定壓縮變形量后，其硬化速度明顯快于其他曲線的，屈服強度與TD2和TD4曲線的接近。

實際上，試樣在RD→TD→RD→TD變路徑壓縮過程中依次對應(yīng)：拉伸孿晶→?二次孿晶→解孿晶→拉伸孿晶的微觀變形機制。由圖1中的力學(xué)性能曲線特征可以看出，TD2的?二次孿晶過程的屈服強度約為RD1的拉伸孿晶的2倍，而在后續(xù)RD3的解孿晶和TD4的拉伸孿晶過程的屈服強度幾乎與TD2的?二次孿晶相同。

在鎂合金的變路徑變形過程中，首次變形所產(chǎn)生的滑移和孿晶將對后續(xù)變形力學(xué)行為將產(chǎn)生明顯影響[8?9, 12?13]，首次變形的預(yù)應(yīng)變所產(chǎn)生的初始滑移能夠提高后續(xù)的變路徑變形過程中孿晶形核的啟動應(yīng)力，從而提高了屈服強度[14]。對于圖1所示的變形過程，首次沿RD壓縮7%的塑性應(yīng)變量，將產(chǎn)生基面滑移和拉伸孿晶，提高了TD2變形過程的二次孿晶形核啟動阻力，從而使屈服強度大幅提高。后續(xù)的RD3變形中的解孿晶過程雖無需形核，但之前變形過程所產(chǎn)生的孿晶界將阻礙解孿晶過程位錯運動，從而引起強度提高[15?16]。與TD2變形過程相似，TD4變形過程的孿晶形核的啟動力因預(yù)變形而提高，使得該變形過程的屈服強度升高。

2.2 晶粒取向的變化

圖2所示為原始板材的晶粒取向圖和{0001}極圖。原始板材在400℃下進行軋制，動態(tài)再結(jié)晶得以充分進行，所以其組織基本上是由大小不等的再結(jié)晶晶粒組成，且基本不存在孿晶組織，如圖2(a)所示。圖2(b)表明原始板材具有典型的鎂合金軋制基面織構(gòu)特征，即絕大多數(shù)晶粒軸平行于ND。

圖2 鎂合金原始板材的織構(gòu)

2.2.1 織構(gòu)的演變

上述試樣在變形后的極圖如圖3所示。圖3(a)顯示RT1試樣經(jīng)過RD單向壓縮變形后，拉伸孿晶的啟動使晶粒的軸向RD偏轉(zhuǎn)86.3°，原始板材的基面織構(gòu)消失，而圖3(b)則顯示RT2試樣依次經(jīng)過RD→TD壓縮變形后，絕大多數(shù)晶粒的軸偏向TD。在RT2試樣的變形過程中，在首次沿RD壓縮變形后，其對應(yīng)的極圖應(yīng)該與圖3(a)相似，即拉伸孿晶的啟動使晶粒的軸偏向RD，而再次沿TD壓縮變形，則符合拉伸孿晶的啟動條件，即壓應(yīng)力垂直于晶粒軸，晶粒將再次發(fā)生拉伸孿晶，晶粒軸將偏轉(zhuǎn)到TD方向，從而形成如圖3(b)所示的織構(gòu)。

圖3 試樣變形后的極圖

試樣RT3在前兩次的變形過程中，由于其變形路徑與RT2的相同，故其晶粒取向的變化過程與RT2的相似，即在依次經(jīng)過RD→TD壓縮變形后, 試樣將呈現(xiàn)圖3(b)所示的織構(gòu)，此時RT3試樣再沿RD壓縮，符合拉伸孿晶啟動條件，拉伸孿晶啟動后使晶粒軸偏向RD，從而形成如圖3(c)所示的織構(gòu)。試樣RT4在前3次變形過程中，變形路徑與RT3試樣相同，故RT4試樣在依次經(jīng)過RD→TD→RD壓縮變形后，將形成與圖3(c)相似的織構(gòu)，此時沿TD方向壓縮變形，啟動拉伸孿晶而使晶粒軸偏向TD，形成如圖3(d)所示的織構(gòu)。

上述變形過程中，單個晶粒取向變化如圖4所示。原始板材具有強烈的基面織構(gòu)，晶粒的軸平行于ND，首次沿RD壓縮，啟動拉伸孿晶，使晶粒軸平行于RD；接下來沿TD壓縮，再次啟動拉伸孿晶，為?二次孿晶，使晶粒軸平行于TD；接下來沿RD壓縮，符合拉伸孿晶啟動條件，相對于上一次沿TD壓縮的孿晶過程，本次實驗中沿RD壓縮為解孿晶過程，解孿晶后晶粒軸平行于RD，最后沿TD再次壓縮，壓應(yīng)力方向垂直于晶粒軸，拉伸孿晶將啟動，使晶粒軸平行于TD。即在變形路徑依次為RD→TD→RD→TD的壓縮過程中，對應(yīng)著拉伸孿晶→?二次孿晶→解孿晶→拉伸孿晶的微觀變形機制，試樣依次對應(yīng)著圖3(a)~(d)的織構(gòu)。

圖4 試樣在變形過程中的晶粒取向變化示意圖

2.2.2 孿晶變體的選擇

由HCP晶體結(jié)構(gòu)的對稱性特點，鎂合金的拉伸孿晶存在6個變體，分別用1~6表示，其對應(yīng)的晶體取向特征如表2所列。

表2 鎂合金的拉伸孿晶變體及其取向

表3 不同孿生變體相遇的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)軸[17]

Table 3 Rotation angles and axes of different twin variant interactions

表3 不同孿生變體相遇的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)軸[17]

TypeRotation angle/(°)Rotation axis ?7.4 ?60.0 ?60.4

上述變路徑壓縮過程中的孿晶、二次孿晶和解孿晶是各種拉伸孿晶變體的啟動結(jié)果，它們一般都遵循施密特定律，即施密特因子(Schmid factor，SF)最大的孿晶變體首先啟動。在這里，在RT2~RT4試樣的晶粒取向圖中分別隨機選取6個晶粒具體分析，觀察它們在變形過程中啟動變體的情況。

圖5所示為試樣在變形結(jié)束后的晶粒取向圖。相比于原始板材，變形后試樣的多數(shù)晶粒內(nèi)存在不同取向，這是變形過程中晶粒內(nèi)啟動孿晶或解孿晶的結(jié)果。對于單個晶粒，如果變形后其基體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶或解孿晶，則該晶粒內(nèi)只存在單一取向，否則，如果基體只是部分發(fā)生孿晶或解孿晶，則晶粒內(nèi)存在不同取向。在每個試樣觀測區(qū)域內(nèi)任選6個晶粒，分別用數(shù)字1~6表示其發(fā)生孿晶或解孿晶部分，用符號1M~6M分別表示其基體。

圖5 變形后試樣的晶粒取向圖

圖6所示為圖5(a)中的6個晶粒的孿晶變體啟動情況。極圖中的1~6分別是晶粒基體對應(yīng)的6個孿晶變體，其取向如表1所示。由圖示結(jié)果可以看出，所有晶粒在變形結(jié)束后，其軸都接近平行于TD。極圖中的取向分布顯示，6個晶粒所啟動的變體都是1或5。即在RD→TD壓縮過程中，?二次孿晶全部由1或5變體來實現(xiàn)。

圖6 RT2試樣中晶粒孿晶變體的啟動

圖5(b)中的6個晶粒的孿晶變體啟動情況如圖7所示。由圖7可知，除晶粒1外，其他晶粒在經(jīng)過RD→TD→RD壓縮變形后，晶粒的軸都接近于平行RD，而在最后一次的RD壓縮前，除晶粒3的基體3M外，其他晶粒的基體并沒有平行于TD。圖示結(jié)果還顯示只有晶粒3的變形后的取向與其對應(yīng)的孿晶變體一致，其他晶粒變形后的取向與孿晶變體的取向存在一定差異，晶粒1和5尤為明顯，也就是說只有晶粒3在變形前后的取向改變部分與基體間存在孿生關(guān)系。

圖7 RT3試樣中晶粒孿晶變體的啟動

通常，在金屬微觀塑性變形機制中，孿晶能夠明顯改變晶粒取向，滑移不改變晶粒取向，但是在復(fù)雜變形過程中，如果晶粒的滑移受到約束，將會引起晶粒旋轉(zhuǎn)，從而引起晶粒取向的改變。如上所述，在RD→TD→RD壓縮變形過程中，對應(yīng)著拉伸孿晶→?二次孿晶→解孿晶的微觀變形機制，晶粒的軸方向變換順序為RD→ TD→RD，但圖7顯示多數(shù)晶?；w的軸與TD偏差較大，變形前后無孿晶關(guān)系，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是晶?；w在最后一次RD壓縮過程中，在完成解孿晶的后續(xù)變形過程中，微觀滑移變形受到約束從而改變了晶粒基體取向，從而使晶?；w的軸偏離TD，使其對應(yīng)的孿晶變體取向與實際的孿晶取向不一致。

圖5(c)中6個晶粒的孿晶變體啟動情況如圖8所示。圖8(a)結(jié)果顯示晶粒1的變形前后的取向為孿生關(guān)系，其他晶粒與上述RT3試樣的分析結(jié)果一樣，變形前后的取向為非孿生關(guān)系。在RT4試樣最后一次的TD壓縮變形過程中，晶粒部分發(fā)生孿生后，晶?；w的微觀滑移變形受到約束，從而改變了基體的取向，造成如圖7(c)~(f)所示的結(jié)果，即晶?；w2M~6M的軸明顯偏離了RD，而與晶粒孿生部分2~6沒有呈現(xiàn)出孿生關(guān)系。

圖8 RT4試樣中晶粒孿晶變體的啟動

在鎂合金的微觀變形機制中，與滑移變形一樣，孿晶通常也遵循Schmid定律，即SF大的孿晶變體在變形過程中易啟動，而SF小的則不易被啟動。但也有報道稱二次孿晶變體的選擇可能不依賴于Schmid定律[18?20]。PEI等[18]的研究表明，拉伸孿生變體的選擇可能依賴于壓縮孿晶和二次拉伸孿晶變體的協(xié)調(diào)，而不是SF。

表4 RT2試樣中6個晶粒拉伸孿晶變體的施密特因子和啟動的變體

3 結(jié)論

1) 在鎂合金RD→TD→RD→TD的變路徑壓縮過程中，對應(yīng)著拉伸孿晶→?二次孿晶→解孿晶→拉伸孿晶的微觀變形機制，晶粒軸依次在RD→TD→RD→TD方向間變換；

2) 在鎂合金RD→TD→RD→TD的變路徑壓縮過程中，首次壓縮產(chǎn)生的預(yù)變形提高了后續(xù)變形中孿晶的形核啟動力，所產(chǎn)生的孿晶界阻礙了位錯運動，使得后續(xù)壓縮變形過程的二次孿晶、解孿晶和拉伸孿晶對應(yīng)的屈服強度較首次壓縮大幅增加；

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Twinning mechanism and mechanical property of AZ31 magnesium alloy during multi-paths compressions

SONG Guang-sheng1, CHEN Qiang-qiang1, XU Yong2, ZHANG Shi-hong2

(1. College of Materials Science and Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110036, China;2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

The multi-path compression with sequential RD→TD→RD→TD deformation direction was performed on the AZ31 magnesium alloy rolled sheet, and the mechanical property of the previous deformation was studied, the electron backscatter diffractometry (EBSD) was applied to observe the grain orientation evolution during the above deformation, and the activations of twin variants were analyzed. The results show that the deformation mechanism ofextension twin,?secondary twin,detwin andextension twin are sequentially related to each compression during the above deformation. The activity stress for twinning nucleation during the subsequent deformation is raised by the pre-straining generated from the first compression, which increases the yielding strength significantly during the subsequent deformation. The activation of?secondary twin follows the Schmid criterion, and there is an obvious selective tendency for twin variant activation, twin variant1 or5 are activated to start the-secondary twin.

AZ31 magnesium alloy; multi-path compression; yielding strength; secondary twin; twin variant

Project(50775211, 51174189) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(L2011024) supported by the Education Department of Liaoning Province, China

2015-06-30; Accepted date:2016-01-28

SONG Guang-sheng; Tel: +86-13604066091; E-mail: songgs17@163.com

1004-0609(2016)-09-1869-09

TG146.2

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(50775211, 51174189)；遼寧省教育廳項目(L2011024)

2015-06-30；

2016-01-28

宋廣勝，副教授，博士；電話：13604066091；E-mail：songgs17@163.com

(編輯 龍懷中)