擠壓態(tài)AZ31鎂合金室溫拉伸力學(xué)各向異性研究

林金保， 王心怡， 任偉杰， 李　倩

(太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院， 山西 太原 030024)

鎂合金具有密度小、 比強(qiáng)度和比剛度高， 減震性好且電磁屏蔽性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)， 在交通、 通訊和航空航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]. 但鎂合金在熱變形后易形成變形織構(gòu)， 導(dǎo)致明顯的力學(xué)各向異性[5-7]. 近年來， 國內(nèi)外學(xué)者對鎂合金力學(xué)各向異性進(jìn)行了大量的研究， 取得了一定的進(jìn)展. 林等[8]結(jié)合實(shí)驗和模擬手段對擠壓態(tài)鎂合金軸向拉-壓不對稱性力學(xué)行為進(jìn)行了研究， 結(jié)果表明， 擠壓絲織構(gòu)決定了鎂合金在室溫軸向拉-壓變形過程中各變形機(jī)制相對活動量存在明顯區(qū)別， 從而產(chǎn)生了顯著的軸向拉-壓不對稱性. Kabirian 等[9]在不同溫度和應(yīng)變速率下對擠壓態(tài)AZ31鎂合金沿與擠壓軸成不同角度的壓縮力學(xué)行為進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)拉伸孿生對鎂合金變形過程中力學(xué)各向異性起重要影響.

目前， 國內(nèi)外學(xué)者對變形鎂合金軸向拉-壓不對稱性和沿不同角度壓縮各向異性研究得較多， 但是對變形鎂合金沿不同角度拉伸力學(xué)行為研究得很少， 尤其對擠壓態(tài)鎂合金沿與擠壓軸成不同角度方向拉伸力學(xué)行為研究得更少. 本文基于室溫三向取樣拉伸實(shí)驗研究了擠壓態(tài)AZ31鎂合金的力學(xué)行為， 從微觀變形機(jī)制的角度分析了擠壓態(tài)鎂合金宏觀拉伸各向異性產(chǎn)生的機(jī)理.

1　實(shí)驗方法

實(shí)驗材料為直徑33 mm的擠壓態(tài)AZ31鎂合金棒材. 圖 1 為擠壓態(tài)鎂合金試樣初始組織圖和初始極圖，TD為擠壓方向， 可以看出， 擠壓態(tài)鎂合金初始極圖具有典型的絲織構(gòu)分布.

圖 1　擠壓態(tài)AZ31鎂合金初始組織與極圖Fig.1　Initial structure and pole diagram of the extruded AZ31 magnesium alloy

圖 2 所示為0°， 45°和90°三個方向取樣拉伸實(shí)驗原理圖. 室溫拉伸在PLD-10力學(xué)性能試驗機(jī)上進(jìn)行， 片狀拉伸試樣標(biāo)距為15 mm×2 mm×1.5 mm， 拉伸實(shí)驗應(yīng)變速率統(tǒng)一為10-3s-1. 縱截面金相組織觀察選用LEICA DM 2700 M型光學(xué)顯微鏡， XRD測試采用XPert Pro MRD 型X射線衍射儀.

圖 2　擠壓態(tài)鎂合金三向取樣拉伸實(shí)驗原理圖Fig.2　Squeezed magnesium alloy three direction sampling tensile schematic diagram

2　結(jié)果與分析

圖 3 所示為擠壓態(tài)AZ31鎂合金三向取樣拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線實(shí)驗結(jié)果， 表 1 為實(shí)驗對應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計數(shù)據(jù).

圖 3　室溫三向取樣拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　The true stress-strain curves in three-directional tension of extruded AZ31 magnesium alloyat room temperature

表 1　擠壓態(tài)AZ31鎂合金室溫三向取樣拉伸力學(xué)性質(zhì)

3　織構(gòu)演變分析

3.1　實(shí)驗測試

對于擠壓態(tài)鎂合金而言， 軸向拉伸時，c軸處于壓應(yīng)力狀態(tài)， 有助于壓縮孿生的開啟， 但是， 壓縮孿生臨界剪切應(yīng)力很高， 而此時拉伸孿生又很難啟動， 所以， 軸向拉伸時， 擠壓態(tài)鎂合金內(nèi)部晶粒取向整體不會發(fā)生太大變化， 仍為基面絲織構(gòu)分布[8]. 而沿45°和90°方向拉伸時， 孿生開啟的模式相似， 本文只對90°拉伸情況進(jìn)行具體分析. 圖 4 為90°拉伸8.0%時橫切面顯微組織和極圖情況， 從組織圖(圖 4(a))中可以發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)變形量為 8.0% 時， 出現(xiàn)了大量透鏡狀組織， 根據(jù)文獻(xiàn)[14]分析及形貌觀察可以得出， 這些組織為拉伸孿晶. 從實(shí)驗觀測的極圖中也可以看到， 當(dāng)變形量為 8.0% 時， {0002}基面在兩極處出現(xiàn)了大量投影， 這也說明了晶粒取向發(fā)生了突變， 結(jié)合顯微觀察和XRD測試可以得出， 擠壓態(tài)鎂合金在受到與擠壓軸呈90°方向拉應(yīng)力作用時， 部分晶粒取向發(fā)生了大角度突變.

圖 4　擠壓態(tài)鎂合金90 拉伸8.0%時的橫截面顯微組織和極圖測試情況Fig.4　Cross sectional microstructures and measured pole figures after 8.0% tensile deformation along the 90 °

3.2　理論分析

圖 5 所示為擠壓態(tài)鎂合金沿90°方向拉伸過程中， 某晶粒取向演變示意圖.d,e為極射投影點(diǎn).

圖 5　擠壓態(tài)AZ31鎂合金90°拉伸過程晶粒取向演變示意圖Fig.5　Schematic illustration of grain orientation evolution tensile along the 90 degree direction in extruded AZ31 Magnesium alloys

從圖中可以看出， 本文選取的初始晶粒a的{0002}基面法向平行于拉應(yīng)力方向并與擠壓軸垂直， 當(dāng)受到90°拉應(yīng)力作用時， 該初始晶粒的c軸處于拉應(yīng)力狀態(tài)， 此時有利于拉伸孿生的開啟， 但是該初始晶粒在6個孿生變體中都有可能發(fā)生取向突變， 本節(jié)只是在圖中針對其中2個變體進(jìn)行了分析， 其它4個孿生變體可以依此類推. 從圖中可以看出， 拉伸孿晶使晶粒轉(zhuǎn)動了 86.3°， 結(jié)合圖4(b)實(shí)驗極圖發(fā)現(xiàn)， 理論上推導(dǎo)的晶粒a到晶粒b取向突變結(jié)果同實(shí)驗結(jié)果相符. 本實(shí)驗間接證明了在變形過程中， 拉伸孿生變體的選擇同樣滿足施密特(Schmid)準(zhǔn)則.

4　結(jié)　論

1) 擠壓態(tài)AZ31鎂合金三向取樣拉伸塑性變形初期， 主導(dǎo)變形機(jī)制雖然都是基面滑移， 但是基面滑移開啟所對應(yīng)的Schmid因子不同， 導(dǎo)致了三向取樣拉伸屈服強(qiáng)度各向異性.

2) 隨著應(yīng)變量的增加， 0°拉伸主導(dǎo)變形機(jī)制變?yōu)橹婊疲?而45°和90°拉伸仍然以基面滑移為主， 從而導(dǎo)致了變形后期0°拉伸流變應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于45°和90°拉伸情況.

3) 擠壓態(tài)鎂合金初始絲織構(gòu)分布， 決定了其沿不同方向拉伸變形時不同機(jī)制導(dǎo)致的相對變形量和變形抗力各不相同， 引起了宏觀拉伸力學(xué)性能的各向異性.