AZ31B鎂合金高溫?zé)釅嚎s行為分析

韓 晨，孫付濤

中色科技股份有限公司，洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039

AZ31B鎂合金高溫?zé)釅嚎s行為分析

韓 晨，孫付濤

中色科技股份有限公司，洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039

AZ31B鎂合金；應(yīng)變速率；變形行為；本構(gòu)方程

鎂合金是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的、最輕的結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的鑄造、切削加工、導(dǎo)熱、阻尼、電磁屏蔽性能和易于回收等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件輕量化和資源再利用的理想材料，在電子、通訊、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間[1-2].

AZ31B鎂合金是應(yīng)用最廣泛的變形鎂合金品種，但由于其具有密排六方結(jié)構(gòu)，使其室溫下塑性加工較為困難，從而限制了其應(yīng)用范圍[3-5].為擴(kuò)大AZ31B鎂合金在工件制造中的應(yīng)用，很多學(xué)者對(duì)鎂合金的塑性變形行為進(jìn)行了研究，但大都集中在板材成形方面，而對(duì)其體積成形的研究較少.

變形溫度和應(yīng)變速率是影響AZ31B鎂合金變形的兩個(gè)重要參數(shù).本文通過對(duì)AZ31B鎂合金高溫壓縮力學(xué)行為的研究，在分析加熱溫度、變形速度對(duì)AZ31B鎂合金流動(dòng)應(yīng)力影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了其熱變形壓縮時(shí)的本構(gòu)方程，這為其體積成形與數(shù)值模擬研究提供了理論依據(jù)，也為其產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)提供了計(jì)算依據(jù).

1 試驗(yàn)材料和方案

試驗(yàn)材料為AZ31B鎂合金，其主要成分列于表1.將試樣加工成D10 mm×15 mm圓柱體.為減小摩擦力的影響，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)在試樣的兩個(gè)端面涂敷潤(rùn)滑劑(石墨和機(jī)油).

表1 AZ31B鎂合金化學(xué)成分

熱壓縮試驗(yàn)設(shè)備為gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī). 熱壓縮試驗(yàn)中主要研究變形溫度、應(yīng)變速率對(duì)AZ31B鎂合金變形過程中流變應(yīng)力的影響.為分析溫度對(duì)AZ31B鎂合金壓縮變形的影響，在280～440 ℃范圍內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，溫度間隔區(qū)間為40 ℃.為研究應(yīng)變速率對(duì)AZ31B鎂合金壓縮過程的影響，分別以0.001，0.01，0.1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行變形量ε=0.7的熱壓縮模擬試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 變形溫度對(duì)鎂合金塑性變形的影響

分別以應(yīng)變速率為0.001，0.01，0.1 s-1，在不同溫度下進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示.由圖1～3可知，在變形開始階段隨著變形量的增加，應(yīng)力迅速上升.這是由于隨變形量的增加，位錯(cuò)不斷增加，位錯(cuò)間的交互作用增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力.超過某一變形量后，變形儲(chǔ)存能轉(zhuǎn)變成再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力.再結(jié)晶可以消除或改變變形過程中產(chǎn)生的織構(gòu)進(jìn)而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化.當(dāng)軟化速率和硬化速率平衡時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)峰值.在應(yīng)力達(dá)到峰值前，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)開始發(fā)生，但加工硬化仍占主導(dǎo)地位，使應(yīng)力增加幅度減小.當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極大值后，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶加快，流動(dòng)應(yīng)力開始下降.

圖1 應(yīng)變速率為0.001 s-1時(shí)鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves at strain rate of 0.001 s-1

圖2 應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves at strain rate of 0.01 s-1

圖3 應(yīng)變速率為0.1s-1時(shí)鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves at strain rate of 0.1s-1

鎂合金是一種溫度敏感材料，流動(dòng)應(yīng)力隨溫度升高而降低.由圖1～3可知，當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s-1、變形溫度為280 ℃時(shí)，其峰值應(yīng)力為90 MPa；當(dāng)變形溫度升至440 ℃時(shí)，其峰值應(yīng)力降至20 MPa.當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，440 ℃時(shí)的峰值應(yīng)力約28 MPa，280 ℃時(shí)峰值應(yīng)力為110 MPa.當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，360℃的最大流動(dòng)應(yīng)力僅為75 MPa， 320 ℃時(shí)最大流動(dòng)應(yīng)力增加到96 MPa.應(yīng)變速率相同時(shí)，溫度越高流變應(yīng)力越低.這是由于在較低溫度下變形時(shí)的加工硬化率較高，金屬難以進(jìn)行回復(fù)和軟化，而變形溫度越高空位原子的擴(kuò)散和位錯(cuò)進(jìn)行交滑移、攀移的驅(qū)動(dòng)力越大，更易于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.

2.2 應(yīng)變速率對(duì)鎂合金塑性變形的影響

應(yīng)變速率對(duì)鎂合金塑性變形的影響也很顯著.分別在280，360 ℃時(shí)進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示.由圖4和圖5可知，在相同的變形溫度下，當(dāng)應(yīng)變值一定時(shí)，應(yīng)變速率越高，應(yīng)力值越大.隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)力峰值增大.這說明隨著應(yīng)變速率的增大，鎂合金不易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.鎂合金的動(dòng)態(tài)形核是一個(gè)熱激活過程，在高應(yīng)變速率的條件下，變形組織沒有足夠的時(shí)間形核長(zhǎng)大，核心形成的幾率較低，因而再結(jié)晶不易進(jìn)行.另一方面，加工硬化作用也隨著應(yīng)變速率的增大而增大.因此，再結(jié)晶軟化與加工硬化二者的作用效果相互平衡時(shí)的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均將增大.動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是一個(gè)速率控制的過程，應(yīng)變速率不僅影響新晶粒的形核，而且對(duì)再結(jié)晶晶粒的尺寸有很大影響.在生產(chǎn)中，通過升高變形溫度、降低應(yīng)變速率可使鎂合金迅速達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)，從而有利于鎂合金的晶粒細(xì)化.

圖4 280℃鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves at 280℃

圖5 360℃鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves at 360℃

應(yīng)變速率對(duì)鎂合金塑性變形的影響還表現(xiàn)在變形機(jī)制上.由靜態(tài)變形逐漸過渡到較大應(yīng)變速率時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)鎂晶內(nèi)滑移、晶界滑動(dòng)和孿生都會(huì)發(fā)生.在應(yīng)變速率較小時(shí)，晶內(nèi)滑移量較小，主要變形機(jī)制是晶界滑動(dòng)和孿生.在高應(yīng)變速率下，金屬鎂中出現(xiàn)較多的滑移，包括沿基面的滑移和沿非基面的滑移.

Zener-Hollomon常數(shù)綜合了應(yīng)變速率和溫度的影響，被廣泛應(yīng)用于分析熱變形的晶粒尺寸.

(1)

增大Z參數(shù)可以獲得晶粒細(xì)化的效果.因此理論上可以通過增加應(yīng)變速率和降低溫度來細(xì)化晶粒.在同一溫度下，應(yīng)變速率較低時(shí)，金屬原子可充分?jǐn)U散，合金中的儲(chǔ)能較少，使得再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力減小，因而只能在某些高能量起伏區(qū)(如變形量較大處)形核.再結(jié)晶的形核率較低，不過由于應(yīng)變速率低，再結(jié)晶回復(fù)可以充分進(jìn)行，故應(yīng)力峰值較小.當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)，產(chǎn)生同樣變形所需的時(shí)間較短，部分區(qū)域來不及抵消和合并，位錯(cuò)增多，再結(jié)晶形核位置多，導(dǎo)致晶粒細(xì)化.

在一定條件下進(jìn)行塑性變形時(shí)，AZ31B鎂合金經(jīng)歷了一個(gè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過程，其組織隨著變形程度的加深有規(guī)律地變化，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有很大影響.提高變形溫度和降低應(yīng)變速率，有利于再結(jié)晶的發(fā)生；降低變形溫度及提高應(yīng)變速率可以得到更細(xì)小的晶粒組織.因此，在進(jìn)行鎂合金塑性加工時(shí)，應(yīng)綜合考慮變形溫度、應(yīng)變速率的影響，以得到均勻細(xì)小的晶粒組織.

3 本構(gòu)方程的建立

低應(yīng)力情況下(ασ<0.8時(shí))：

(2)

高應(yīng)力情況下(ασ>1.2時(shí))：

(3)

所有應(yīng)力下：

(4)

(5)

式(5)中：A，n，α，Q—材料常數(shù)；A—結(jié)構(gòu)因子(s-1)；α—應(yīng)力水平參數(shù)(MPa-1)；n—應(yīng)力指數(shù)；Z—物理意義是溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子.

為了研究材料在變形時(shí)的力學(xué)行為，需要了解與應(yīng)變速率和變形溫度有關(guān)的流變應(yīng)力的變化規(guī)律，由公式(5)可得：

sinh(ασ)=(Z/A)1/n.

(6)

根據(jù)雙曲函數(shù)的定義可知：

sinh-1(ασ)=ln[ασ+(ασ2+1)1/2].

(7)

(8)

由式(4)和式(8)可知，只要知道A，Q，α，n等材料參數(shù)，便可求得材料在任意變形條件下的流變應(yīng)力值.式(4)和式(8)未考慮應(yīng)變對(duì)流變應(yīng)力的影響，AZ31B鎂合金高溫變形時(shí)，在穩(wěn)態(tài)變形階段，應(yīng)力值對(duì)應(yīng)變是不敏感的，因此可以忽略應(yīng)變的影響，求各參數(shù)的值.

分別對(duì)式(2)，式(3)兩邊取對(duì)數(shù)得：

(9)

(10)

圖6 峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系(a)lnσ與的關(guān)系曲線；(b)σ與的關(guān)系曲線Fig.6 Relation betwwen peak stress and strain rate(a)Relation curves of lnσ and ln； (b)Relation curves of σ and ln

由式(9)和式(10)可知，取圖6(a)中五條直線斜率的平均值，可得n1=9.191；圖6(b)中的五條回歸直線基本平行，取五條直線斜率的平均值，可得β=0.1326，則α值為：α=β/n=0.015.

對(duì)式(4)兩端取自然對(duì)數(shù)可得式(11)：

(11)

假定變形激活能與溫度無關(guān)，可以得到：

(12)

式(12)中：c=lnA-Q/RT.

對(duì)式(4)兩端進(jìn)行微分得：

(13)

根據(jù)式(12)和式(13)作圖，如果所作的曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上成直線，那么根據(jù)直線的斜率，并結(jié)合前面得到的常數(shù)n以及氣體常數(shù)R，即可求得變形激活能Q.

對(duì)式(5)兩端取自然對(duì)數(shù)，可得：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)].(14)

將Q帶入式(4)中求得Z值，作ln[sinh(ασ)]-lnZ關(guān)系曲線，如圖8所示.

由圖8得到的直線截距即為lnA的值，斜率為n值，那么可求得材料常數(shù)A=7.59×109，n=4.91.將所求得的常數(shù)，代入式(4)可得到AZ31B鎂合金本試驗(yàn)條件下的本構(gòu)方程式(15).該方程可以用來預(yù)測(cè)變形過程中的流變應(yīng)力數(shù)值，為后續(xù)塑性加工工藝的選擇及參數(shù)的確定提供了依據(jù).

圖7 ln[sinh(ασ)]與應(yīng)變速率及溫度的關(guān)系(a)1/T與ln[sinh(ασ)]的關(guān)系曲線；(b)ln[sinh(ασ)]與的關(guān)系曲線Fig.7 Relation between ln[sinh(ασ)] and strain rate and tempreture(a)Relation curves of 1/T and ln[sinh(ασ)]；(b)Relation curves of ln[sin(ασ)]and ln

圖8 ln[sinh(ασ)]-lnZ的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve of ln[sinh(ασ)] and lnZ

AZ31B鎂合金的熱壓縮流變應(yīng)力方程為：

(15)

其中Z參數(shù)可表示為：

(16)

(17)

4 結(jié) 論

在一定溫度下，AZ31B鎂合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大，達(dá)到峰值后，流變應(yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定.當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，流變應(yīng)力隨著溫度的升高而降低.在高應(yīng)變速率和較低的變形溫度下，AZ31B鎂合金均呈現(xiàn)出流變應(yīng)力增大的現(xiàn)象.

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AnalysisofthedeformationbehaviorofAZ31Bmagnesiumalloybyhotcompressionathightemperature

HAN Chen，SUN Futao

China Non-ferrous Metals Processing Technology Co.，Ltd.，Luoyang Engineering and Research Institute for Non-ferrous Metals Processing，Luoyang 471039，China

AZ31B magnesium alloy；strain rate；deformation behavior；constitutive equation

TG339

A

2017-06-27

韓晨(1982-)，男，河南洛陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士.

1673-9981(2017)03-0161-06