AZ31鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變

王忠堂，劉永哲，梁海成，李艷娟

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

采用熱變形方法可以有效細(xì)化鎂合金晶粒尺寸和弱化織構(gòu)，改善鎂合金材料的組織性能和力學(xué)性能。蔡贇等[1]研究發(fā)現(xiàn)變形溫度升高和應(yīng)變速率降低都有利于鎂合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使其晶粒細(xì)化和分布均勻化，提高鎂合金材料組織性能。Bhattacharya R等[2]根據(jù)AZ31鎂合金熱變形時(shí)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立了AZ31鎂合金熱變形時(shí)的本構(gòu)關(guān)系模型，并定量分析了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與變形工藝參數(shù)之間的關(guān)系。AL-Samman T等[3]研究了壓縮變形對AZ31鎂合金組織性能的影響規(guī)律，以及材料初始織構(gòu)對晶粒尺寸和晶粒分布的影響規(guī)律。Chen G J等[4]研究了鎂鋁合金在擠壓變形過程中微觀組織演變規(guī)律，建立了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程和本構(gòu)模型，可以準(zhǔn)確描述高溫變形時(shí)鋁鎂合金的流變應(yīng)力。Ciccarellio D等[5]在綜合分析ZK60鎂合金熱變形時(shí)組織性能和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)基于晶界滑動(dòng)機(jī)制和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的本構(gòu)關(guān)系模型。Li L等[6]研究了AZ31鎂合金在熱變形過程中的滑移和孿生變形的協(xié)同機(jī)制，分析了其微觀組織演變機(jī)制。

材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的起始應(yīng)變稱為臨界應(yīng)變，目前尚無準(zhǔn)確的計(jì)算模型來確定材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變，普遍采用Sellars經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變值[7]。材料加工硬化率表征材料真實(shí)應(yīng)力隨真實(shí)應(yīng)變而變化的激烈程度[8]，根據(jù)材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得到。Poliak E I等[9]研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界條件與材料加工硬化率曲線有關(guān)。Rollett A D等[10]研究發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼的加工硬化率與流動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，認(rèn)為是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)制引起的結(jié)果。以材料加工硬化率理論為基礎(chǔ)，童小山等[11]確定了鎂合金ZM21與ZM61發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界條件；歐陽德來等[12]確定了TA15鈦合金β區(qū)變形的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界條件；王忠堂等[13]確定了高溫合金IN690動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界條件。

本文采用加工硬化率方法，根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，確定AZ31鎂合金在熱變形時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界條件與塑性變形工藝參數(shù)之間的關(guān)系，其結(jié)果可為AZ31鎂合金熱變形工藝參數(shù)優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)材料為軋制態(tài)AZ31鎂合金板材，是目前應(yīng)用最廣泛的變形鎂合金。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用100kN萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)。

不同變形條件下AZ31鎂合金的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 AZ31鎂合金真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可見，隨著應(yīng)變增大，AZ31鎂合金的應(yīng)力先隨之快速增大，達(dá)到峰值后轉(zhuǎn)而降低，且降低程度逐漸變緩；隨著變形溫度的升高，峰值流動(dòng)應(yīng)力隨之降低；隨著應(yīng)變速率的增大，峰值流動(dòng)應(yīng)力隨之增大。

2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變

以變形溫度523K、應(yīng)變速率1s-1為例說明動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變的確定步驟。由圖1a可得到峰值應(yīng)力σp為239MPa、峰值應(yīng)變εp為0.135，根據(jù)0～εp區(qū)間內(nèi)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用數(shù)值逼近方法，得到AZ31鎂合金的流動(dòng)應(yīng)力σ-應(yīng)變ε關(guān)系式為

σ=-3161396.5ε4+1140365ε3-145957ε2+7929ε+72.99

(1)

對式(1)求導(dǎo)數(shù)，得到加工硬化率θ的表達(dá)式為

(2)

繪制該條件下AZ31鎂合金的加工硬化率θ與應(yīng)變ε的關(guān)系曲線，見圖2a。

以加工硬化率θ對應(yīng)變ε求導(dǎo)，得到式(3)，其曲線規(guī)律如圖2b所示。

(3)

圖2 AZ31鎂合金加工硬化率曲線(變形溫度523K，應(yīng)變速率1s-1)

由圖2b可明顯看到，曲線存在一最低點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變值即為臨界應(yīng)變εc，其值為0.091，由圖1a可得到臨界應(yīng)變εc所對應(yīng)的臨界應(yīng)力σc，其值為233MPa。計(jì)算得到臨界應(yīng)變和峰值應(yīng)變之比εc/εp為0.674，滿足Sellars經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵蟮膮?shù)范圍[7]。

采用同上的計(jì)算過程，可以確定其他變形條件下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變值和臨界應(yīng)力值。AZ31鎂合金的臨界應(yīng)變和臨界應(yīng)力與變形參數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 AZ31鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變和臨界應(yīng)力與變形參數(shù)之間的關(guān)系

由圖3可見，變形溫度升高，臨界應(yīng)變與臨界應(yīng)力均減小；應(yīng)變速率增大，則臨界應(yīng)變與臨界應(yīng)力均增大。

采用Zener-Hollomn參數(shù)進(jìn)一步分析臨界應(yīng)變和臨界應(yīng)力與變形參數(shù)之間的關(guān)系[8]。Zener-Hollomn參數(shù)的表達(dá)式為

(4)

計(jì)算不同變形條件下的參數(shù)Z，對臨界應(yīng)變εc、峰值應(yīng)變εp、臨界應(yīng)力σc與參數(shù)Z進(jìn)行線性回歸分析，得到回歸直線如圖4所示。

圖4 臨界參數(shù)與參數(shù)Z的線性回歸

由回歸分析結(jié)果確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界條件與塑性變形工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型為

(5)

3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)態(tài)應(yīng)變

穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εst是指材料發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段時(shí)的應(yīng)變，此時(shí)軟化過程已經(jīng)結(jié)束。采用與圖2a相同的方法，確定其他變形溫度下AZ31鎂合金的加工硬化率與應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 不同變形溫度下的加工硬化率與應(yīng)變關(guān)系曲線

依據(jù)圖5中曲線變化規(guī)律，確定穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εst，進(jìn)一步繪制穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εst與變形工藝參數(shù)Z的關(guān)系曲線，即lnεst-lnZ曲線，如圖6所示。

圖6 穩(wěn)態(tài)應(yīng)變與Z函數(shù)之間的關(guān)系

由圖6可明顯看到，在不同變形溫度條件下，曲線斜率基本相同。采用Kopp模型[15]來表示穩(wěn)態(tài)應(yīng)變與變形工藝參數(shù)的關(guān)系，即

εst=k1Zn1

(6)

式中k1、n1為模型參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。根據(jù)圖6的數(shù)據(jù)擬合得到k1=0.4608，n1=0.1291。因此，穩(wěn)態(tài)應(yīng)變εst與Z函數(shù)之間的關(guān)系式為

εst=0.4608Z0.1291

(7)

4 結(jié)論

(1)采用熱拉伸實(shí)驗(yàn)測定了AZ31鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，依據(jù)加工硬化率理論，得到熱變形過程中AZ31鎂合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變，確定了臨界應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變與塑性變形工藝參數(shù)的關(guān)系。

(2)熱變形溫度和應(yīng)變速率是影響AZ31鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變的主要因素；隨著變形溫度的提高，臨界應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變隨之降低；隨著應(yīng)變速率的增大，臨界應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變隨之增大。

(3)依據(jù)加工硬化率理論確定的AZ31鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變值與Sellars經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)范圍一致。