潘文平
(荔浦師范學(xué)校 廣西 桂林 541000)
近年來(lái)對(duì)鎂合金室溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究主要集中在一系列合金上[1~3]。文獻(xiàn)[4]研究了3種鍛造鎂合金(AZ31B、AZ61A、ZK60A)的動(dòng)態(tài)拉伸性能與斷裂行為,初步結(jié)果表明在鎂合金變形過(guò)程中,其抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加而增加,具有正應(yīng)變速率敏感效應(yīng),正應(yīng)變速率效應(yīng)可以使鎂合金在變形過(guò)程中吸收更多的能量。文獻(xiàn)[5]的研究反映了鎂合金的應(yīng)變敏感性歸功于密排六方晶體結(jié)構(gòu),位錯(cuò)擴(kuò)展可能是由于鎂合金在低應(yīng)變速率下變形的控制機(jī)制。對(duì)鑄態(tài)均質(zhì)鎂合金的研究結(jié)果表明,應(yīng)變速率低于0.1S-1時(shí),低溫下位錯(cuò)擴(kuò)展是其變形的主導(dǎo)機(jī)制。當(dāng)應(yīng)變速率高于1000S-1時(shí)位錯(cuò)滑移與孿生協(xié)同作用。在應(yīng)變速率低于496S-1時(shí),變形主要以孿生的方式進(jìn)行,在應(yīng)變速率相對(duì)較高時(shí),變形主要以滑移和孿生的方式進(jìn)行,而且應(yīng)變速率越高,滑移占的比例越大。研究表明,鎂合金在常溫沖擊時(shí),其變形是以孿晶和晶粒細(xì)化相結(jié)合,高的沖擊速度可以得到更細(xì)的孿晶和晶粒,從而提高鎂合金動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度,同時(shí)提高其沖擊條件下的變形能力[6]。該項(xiàng)研究再次反映了孿生機(jī)制的存在。
國(guó)內(nèi)對(duì)鎂合金的沖擊性能研究起步晚[7],報(bào)道少。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的劉長(zhǎng)海等通過(guò)Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)和靶板侵徹實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)自制的AZ31鎂合金進(jìn)行了室溫下不同應(yīng)變速率的壓縮實(shí)驗(yàn),分析了高應(yīng)變速率條件變形過(guò)程中合金的應(yīng)變率效應(yīng)。對(duì)壓縮后的試樣進(jìn)行了橫截面和縱截面的微觀分析,研究其塑性變形機(jī)制,對(duì)比了兩次實(shí)驗(yàn)后材料的組織變化。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AZ31鎂合金在室溫下有明顯的正應(yīng)變率效應(yīng),并出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,試樣的破壞為沿45°的剪切方向破壞,其變形機(jī)制主要是由位錯(cuò)滑移和晶界的滑動(dòng)機(jī)制所控制,侵徹后的組織中出現(xiàn)了熔化快凝層、細(xì)晶層和形變層[8]。
中北大學(xué)的張星等采用SHPB實(shí)驗(yàn)對(duì)AZ31鎂合金進(jìn)行研究,探討了AZ31鎂合金在不同應(yīng)變速率下的力學(xué)響應(yīng)特性。結(jié)果表明,AZ31鎂合金的屈服和應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象均較明顯;且隨著應(yīng)變速率的增大,AZ31 鎂合金的強(qiáng)化程度和最大應(yīng)力值都不斷增大,而動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度卻變化不大;這說(shuō)明隨著應(yīng)變速率的增大,AZ31鎂合金的變形能力是有限的,且應(yīng)變速率超過(guò)2000S-1時(shí),合金會(huì)出現(xiàn)裂紋[9]。
毛萍莉等通過(guò)采用SHPB壓桿實(shí)驗(yàn)研究了擠壓態(tài)的AZ31B鎂合金在496-2120S-1應(yīng)變速率下的高速變形行為,并借助金相顯微鏡對(duì)變形后的合金組織演變規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,AZ31B 鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)在不同應(yīng)變速率下幾乎完全重疊,這說(shuō)明AZ31B鎂合金不屬于應(yīng)變速率敏感的材料;但其顯微組織中表現(xiàn)出與應(yīng)變速率較大的關(guān)聯(lián)性,當(dāng)應(yīng)變速率較小時(shí),孿晶差不多構(gòu)成了該合金的全部組織,此時(shí)AZ31B鎂合金主要以孿生方式進(jìn)行變形;合金組織中孿晶數(shù)量隨著應(yīng)變速率增大而不斷減小,此時(shí)AZ31B鎂合金除了發(fā)生孿晶變形,柱面滑移和錐面滑移等變形方式也存在[10~13]。
中北大學(xué)的李保成等通過(guò)研究ZK60鎂合金在沖擊載荷條件下的變形和破壞形式,發(fā)現(xiàn)在沖擊載荷下,塑性變形過(guò)程中合金內(nèi)形成了大量很細(xì)小的孿晶,使ZK60鎂合金在沖擊狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度提高了很多,變形量高達(dá)22%,表明了ZK60鎂合金具有良好的抗沖擊性能,在低的應(yīng)變下負(fù)的應(yīng)變率敏感性源于孿生應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滑移并且在低的應(yīng)變區(qū)域(該區(qū)域中來(lái)自于孿生應(yīng)力的貢獻(xiàn)對(duì)總的流變應(yīng)力較顯著)下高應(yīng)變速率下孿晶的活性稍微更高[14]。
從已有的研究結(jié)果來(lái)看,鎂合金具有良好的沖擊性能。但是關(guān)于沖擊變形機(jī)制以及鎂合金的應(yīng)變率效應(yīng)、應(yīng)變硬化等認(rèn)識(shí)還不是很清楚,還需要對(duì)其進(jìn)一步研究。
車(chē)輪是應(yīng)用鎂合金作為替代新材料的典型部件,通過(guò)減重可以大幅度地改善坦克、汽車(chē)等性能,如對(duì)于汽車(chē),車(chē)輪減重是其它非轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件效果的5~8倍。然而,車(chē)輪是極為重要的安全部件,除對(duì)晶粒度、氣密性、表面質(zhì)量及耐蝕性有一定要求,還要求高沖擊性能、疲勞性能等主要的機(jī)械性能。本文即以塑性成形的AZ80鎂合金負(fù)重輪為對(duì)象,測(cè)試了準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。
本試驗(yàn)研究的材料是AZ80鎂合金,其成分見(jiàn)表1。
表1 AZ80鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量%)
表2 AZ80鎂合金負(fù)重輪的力學(xué)性能
材料或構(gòu)件的狀態(tài)直接影響其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形機(jī)制,為了掌握鎂合金負(fù)重輪的初始狀態(tài),測(cè)試了其準(zhǔn)靜態(tài)條件下的力學(xué)性能。表2是AZ80鎂合金負(fù)重輪的力學(xué)性能,可以看出,由于擠壓過(guò)程中幅板與輞部變形程度的差異,輞部抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均高于幅板,而且延伸率差別不大。
AZ80合金準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓縮試樣均從擠壓成形的負(fù)重輪上幅板中心層切取,由于Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)對(duì)沖擊試樣的高徑比一般要求為0.5、1.0、1.5,本次沖擊實(shí)驗(yàn)中選用的試樣高徑比大小為1.0。
AZ80鎂合金負(fù)重輪的實(shí)物照片如圖2.1所示。動(dòng)態(tài)壓縮試樣分別沿與幅板徑向成0°方向切取,為敘述方便。首先用鋸條在幅板上沿0°方向切成長(zhǎng)方體的棒材,然后用線(xiàn)切割把切取下來(lái)的試樣分別加工成Ф6×6的試樣。
測(cè)試前,所有試樣兩端均經(jīng)過(guò)細(xì)砂紙研磨,并保證試樣的端面與圓柱軸線(xiàn)垂直,使其受力更加均勻。在壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí),采用石墨油脂混合物作為潤(rùn)滑劑,以減少試樣端面與壓頭之間的摩擦力。
1.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測(cè)試
準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測(cè)試是在AG-25TA型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的,AG-25TA型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)主要由液壓機(jī)、高精度傳感器、伺服控制系統(tǒng)等組成,該機(jī)采用液壓加力,油缸下置,液晶顯示測(cè)力,主體與測(cè)力計(jì)分置的設(shè)計(jì),具有操作方便,工作穩(wěn)定可靠,試驗(yàn)精度高,加載平穩(wěn)的特點(diǎn)。整機(jī)外型簡(jiǎn)潔,試驗(yàn)空間可調(diào)整。測(cè)量采用高精度傳感器,檢測(cè)結(jié)果數(shù)字曲線(xiàn)顯示,并可直接存儲(chǔ),數(shù)據(jù)處理,打印出結(jié)果及曲線(xiàn),具有聯(lián)網(wǎng)等功能。
1.3.2 動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能測(cè)試
動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能測(cè)試是在分離式Hopklnson壓桿(SHPB)下進(jìn)行的,如圖1。 SHPB的基本原理是在導(dǎo)桿應(yīng)力波作用的脈寬范圍形成試件的沖擊響應(yīng),利用粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片記錄下應(yīng)變脈沖計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)。根據(jù)測(cè)量信號(hào)頻率不同,目前在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量中主要采用兩種測(cè)試系統(tǒng):第一種是由應(yīng)變片、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、光線(xiàn)示波器組成的測(cè)試系統(tǒng),第二種是由應(yīng)變片、寬頻帶放大器(超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀)、瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器(記憶示波器)組成的測(cè)試系統(tǒng),本實(shí)驗(yàn)采用第一種。
沖擊試樣夾在輸入桿和輸出桿之間,子彈經(jīng)過(guò)加壓后,撞擊在輸入桿和輸出桿上,應(yīng)變率大小主要通過(guò)調(diào)整變化高壓氮?dú)獾膲簭?qiáng)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性,應(yīng)變片對(duì)稱(chēng)貼在輸入桿、輸出桿離試樣相同距離的部位。并在輸入桿、輸出桿和試樣的接觸面上均勻涂抹一層黃油,以降低試樣和導(dǎo)桿之間的摩擦力,避免使沖擊試樣處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。
圖1 分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置
本次試驗(yàn)采用如圖1所示的氣壓槍裝置,并用高速攝影機(jī)記錄下沖擊的過(guò)程。試驗(yàn)中,通過(guò)變化高壓氮?dú)獾膲簭?qiáng)來(lái)調(diào)節(jié)應(yīng)變速率。采用長(zhǎng)度為200 mm 的子彈,通過(guò)調(diào)整注氣壓力以實(shí)現(xiàn)不同的加載應(yīng)變率,采用了1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa 三種注氣壓力分別實(shí)現(xiàn)應(yīng)變速率1340S-1、2020S-1、3100S-1下的沖擊變形。在此裝置中,輸入桿和輸出桿材料截面尺寸完全相同,試樣夾在輸入桿和輸出桿之間。為了保證輸入桿和輸出桿的同心相撞,必須要調(diào)整兩桿的加工精度。輸入桿和輸出桿上的波形通過(guò)Topview2000搜集,然后再用D-Wave軟件處理數(shù)據(jù)。
金相分析是材料科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù),是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一,其主要內(nèi)容是指在光學(xué)顯微鏡下對(duì)材料的組織形貌、晶粒尺寸大小、分布規(guī)律等進(jìn)行鑒別與測(cè)定,它是研究金屬材料低倍組織最常用的實(shí)驗(yàn)手段。
通過(guò)ZEISS數(shù)碼光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察,主要觀察不同加載條件下AZ80鎂合金的晶粒形貌,包括晶粒變形、尺寸和剪切帶等。制備金相試樣包括切樣、磨樣、拋光、腐蝕四個(gè)基本步驟。首先取尺寸合適的金相試樣并確定觀察面;然后利用不同規(guī)格的金相砂紙對(duì)觀察面進(jìn)行粗磨、細(xì)磨;再進(jìn)行拋光,直至觀察面上無(wú)任何劃痕;最后用腐蝕液對(duì)觀察面進(jìn)行腐蝕后即可在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。腐蝕液選用配比為2.5%苦味酸+2.5%冰乙酸+85%乙醇10%水侵蝕后,針對(duì)不同試樣,腐蝕時(shí)間從數(shù)秒到幾十秒不等。
2.1.1 應(yīng)變速率敏感性分析
對(duì)原始數(shù)據(jù)用origin軟件進(jìn)行處理,得到合金在不同沖擊速度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),如2所示。由圖可見(jiàn),在低應(yīng)變率和高應(yīng)變速率下,所有被測(cè)的試樣壓縮曲線(xiàn)都表現(xiàn)出典型的彈塑性特征,即壓縮初始階段為彈性變形階段,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾映删€(xiàn)性迅速上升,當(dāng)應(yīng)力到達(dá)某一值,即屈服應(yīng)力時(shí),則進(jìn)入塑性變形階段,其切線(xiàn)斜率比彈性變形階段小。
圖2 不同應(yīng)變速率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)
由圖2可以看出,AZ80 鎂合金在應(yīng)變速率為1340S-1時(shí)的斷裂應(yīng)變與其他應(yīng)變速率有很大不同,應(yīng)變速率為1320S-1時(shí),合金的斷裂應(yīng)變約為0.08,而其他應(yīng)變速率的斷裂應(yīng)變均在0.12~0.16范圍內(nèi)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí),應(yīng)變速率為0.001S-1、0.1S-1、1S-1的試樣在彈性變形和塑性變形過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均表現(xiàn)出平行的趨勢(shì);而在動(dòng)態(tài)壓縮時(shí),應(yīng)變速率為1320S-1、2020S-1、3100S-1的試樣在彈性變形和塑性變形過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)出近乎重合的趨勢(shì)。
圖2反映了應(yīng)變速率對(duì)AZ80鎂合金壓縮最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的影響??梢钥闯觯瑒?dòng)態(tài)壓縮時(shí)的最大應(yīng)力比準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)明顯增大,但最大應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)壓縮時(shí),其最大應(yīng)變均隨應(yīng)變速率增大而增大,但動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)的最大應(yīng)變沒(méi)有表現(xiàn)出比準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)增大的現(xiàn)象。因此,AZ80鎂合金在壓縮時(shí),最大應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)應(yīng)變速率的變化不敏
2.1.2 應(yīng)變率效應(yīng)
應(yīng)變速率效應(yīng)是指隨著應(yīng)變速率的變化,材料屈服強(qiáng)度發(fā)生變化,應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上移或下移。如果隨著應(yīng)變速率的提高,屈服強(qiáng)度增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上移,則稱(chēng)為正應(yīng)變速率效應(yīng),反之,則稱(chēng)為負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng)。由圖3可以看出,準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí),屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增大而減小,應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下移,表現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng);而在動(dòng)態(tài)壓縮時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在變形的初始階段近乎重合,有明顯的斷裂延遲現(xiàn)象。
(a)
(b)
2.1.3 應(yīng)變硬化現(xiàn)象
應(yīng)變硬化現(xiàn)象就是不像應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)那樣在載荷達(dá)到最大值后轉(zhuǎn)而下降,而是繼續(xù)上升直至斷裂,這說(shuō)明金屬在塑性變形過(guò)程中不斷地發(fā)生加工硬化,從而外加應(yīng)力必須不斷增高,才能使變形繼續(xù)進(jìn)行。從圖3中可以看出,所有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在屈服后應(yīng)力都繼續(xù)增大直至斷裂,因此所測(cè)的試樣進(jìn)入塑性階段后均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。
在沿與負(fù)重輪幅板徑向成0°方向沖擊時(shí),分析比較AZ80鎂合金準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn):
1)試樣在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均明顯表現(xiàn)出彈塑性特征,曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的屈服臺(tái)階。
2)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)合金表現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng),動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)變速率不敏感。
3)所測(cè)試樣進(jìn)入塑性變形階段后均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。
圖4 原狀態(tài)的微觀組織
圖4為不同應(yīng)變率下沖擊后AZ80鎂合金的微觀組織。可以看出,在低應(yīng)變率下,沒(méi)有觀測(cè)到孿晶組織,如圖4(a)~(c)。與原狀態(tài)的組織對(duì)比,也沒(méi)有明顯的變化,如圖4。在高應(yīng)變率下可以看到更細(xì)的孿晶和晶粒,如圖3.4(d)~(f)。應(yīng)變率為1320S-1時(shí),沖擊后AZ80鎂合金呈現(xiàn)細(xì)晶組織特點(diǎn);在應(yīng)變率增加到2020S-1時(shí),組織中出現(xiàn)了明顯的孿晶組織特點(diǎn);當(dāng)應(yīng)變率增加到3100S-1時(shí),得到更細(xì)更密的晶粒和孿晶組織,如圖6。
對(duì)比圖5(a)和圖6,即AZ80 鎂合金分別在應(yīng)變速率1S-1和3100S-1壓縮后試樣的組織??梢钥闯?,應(yīng)變速率為1S-1沒(méi)有觀測(cè)到孿晶組織,當(dāng)應(yīng)變速率為3100S-1時(shí),觀測(cè)到了明顯的孿晶組織,但沒(méi)有觀測(cè)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。這是由于變形速率很快,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大,因此其再結(jié)晶所形成的晶粒很小以至于被其他組織所掩蓋,從而無(wú)法觀測(cè)到。
AZ80鎂合金在相對(duì)較高的應(yīng)變率下沖擊時(shí),其變形是以孿晶和晶粒細(xì)化相結(jié)合,高沖擊速度可以得到更細(xì)的孿晶和晶粒,從而提高鎂合金動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度,同時(shí)提高其沖擊條件下的變形能力。其中滑移現(xiàn)象在晶體中較為常見(jiàn)。對(duì)于鎂合金,由于其密排六方晶體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致在室溫下滑移系數(shù)量很少,且滑移是在當(dāng)剪應(yīng)力大于臨界分切應(yīng)力值τ0時(shí)在一定滑移系上進(jìn)行的。當(dāng)外力在孿生方向的分切應(yīng)力τ高于臨界分切應(yīng)力值τ0時(shí),會(huì)出現(xiàn)孿生。一般情況下,孿生的臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移的臨界分切應(yīng)力,只有在滑移非常難進(jìn)行時(shí),晶體才以孿生的方式變形。鎂的晶體結(jié)構(gòu)屬于密排六方,對(duì)稱(chēng)性低、室溫下滑移系少,當(dāng)晶體取向不利于滑移時(shí),通常以孿生的方式進(jìn)行塑性變形。從圖中也可看出,隨著應(yīng)變率的提高,合金內(nèi)部孿晶越來(lái)越明顯。
(a)0.001S-1 (b)0.1S-1 (c)1S-1 (d) 1320S-1 (e)2020S-1 (f)3100S-1
圖6 應(yīng)變率為3100S-1時(shí)的細(xì)小晶粒和孿晶組織
通過(guò)以上分析可見(jiàn),在沿與負(fù)重輪幅板徑向成0°方向沖擊時(shí),低應(yīng)變率加載條件下沒(méi)有觀測(cè)到孿晶組織,高應(yīng)變率加載條件下觀測(cè)到了明顯的孿晶組織。
在沿與負(fù)重輪幅板徑向成0°方向壓縮時(shí),通過(guò)分析比較AZ80鎂合金壓縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn):
1)在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)試樣均發(fā)生了不同程度的斷裂;
2)試樣在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均明顯表現(xiàn)出彈塑性特征,曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的屈服臺(tái)階;準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)鎂合金表現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng),動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)變速率不敏感;所測(cè)的試樣進(jìn)入塑性變形階段后均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象;
3)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)沒(méi)有觀測(cè)到孿晶組織,動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)觀測(cè)到了明顯的孿晶組織。