SPCC/AM60/SPCC復合板熱拉伸變形行為

劉澤成，鄭小平，李紅斌，田亞強，陳連生

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210)

引言

鎂合金可以通過提高幾種運輸系統(tǒng)的能源利用率來解決生態(tài)問題，具有低密度、高比強度、高阻尼能力和高循環(huán)利用、良好的可加工性和環(huán)境友好性等優(yōu)良性能[1-5]，有望在輕量化設計至關重要的行業(yè)中用作結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。因此，AM60鎂合金被認為是眾多行業(yè)的潛在候選材料，尤其是在交通運輸和3C(計算機、通信和消費電子)領域，如：汽車、輕質(zhì)外殼等[6-10]。但鎂合金存在一些缺點，如延展性差、導熱性和電阻率低[11]。由于鎂合金具有六方密排(HCP)晶體結(jié)構(gòu)[12]，可參與變形的滑移系統(tǒng)數(shù)量有限，因此鎂合金在室溫下的成型性相對較差。鎂合金在變形過程中容易發(fā)生斷裂，這已經(jīng)成為鎂合金實際工程應用的一大挑戰(zhàn)。在這種背景下，全面研究鎂合金在各種應力狀態(tài)下的變形和斷裂是必不可少的。

近年來，單一金屬材料越來越具有局限性，航空航天、新能源、交通運輸、汽車制造和建筑工程等行業(yè)要求材料具有更好的力學性能、成形性能，同時可持續(xù)發(fā)展政策也迫切需要材料的變革。通過各種復合技術(shù)手段將兩種不同化學性能不同物理性能不同力學性能的金屬板材制備成復合板材，組元金屬間突破機械結(jié)合形成冶金結(jié)合，稱為雙金屬復合板材。SPCC/AM60/SPCC雙金屬復合板采用鋼/鎂/鋼的堆疊形式，對鎂合金起到一定的保護作用，可抑制鎂合金表面裂紋的產(chǎn)生與擴散，從而提高鎂合金的塑性變形能力。組元金屬SPCC提供優(yōu)良的抗沖擊性能[13,14]，AM60鎂合金又具有抗震減噪、抗輻射等性能優(yōu)點[15]。為了準確反映SPCC/AM60/SPCC雙金屬復合板高溫下的熱變形行為特性，對復合板的塑性成形工藝研究提供理論與試驗依據(jù)。使用Gleeble-3500熱模擬機對SPCC/AM60/SPCC雙金屬復合板進行熱拉伸試驗，分析變形溫度和變形速率對復合板熱變形行為的影響。組元金屬的斷裂失效形式和復合界面的結(jié)合狀況對復合板的拉深成形行為具有重大影響。使用掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進行表征，結(jié)合熱拉伸試驗獲得的真應力-應變曲線分析變形溫度和應變速率對組元金屬斷裂模式、復合板結(jié)合狀態(tài)的影響，為SPCC/AM60/SPCC雙金屬復合板的塑性成形研究打下良好的基礎。

1試驗材料與方法

試驗用鋼板選用目前市場上使用率較大的家電、汽車用SPCC鋼，屬于普通低碳鋼，往往需要經(jīng)過“冶煉-熱軋-酸洗-冷軋-精整”軋制成厚度小于4 mm的薄鋼板，也稱為冷軋薄鋼板。其冷軋工序不需要預熱在室溫條件下進行，所以軋制板材表面沒有氧化鐵皮，鋼板沒有發(fā)生再結(jié)晶，經(jīng)冷軋后的板材表面平整光滑。選用的鎂合金為AM60鎂合金，具有強度高、塑性成型能力強等特點。SPCC的主要化學成分是C 0.06%、Si 0.03%、Mn 0.06%、Fe余量，AM60鎂合金的主要化學成分為Al 5.6%、Mn 0.3%、Zn 0.2%、Mg余量。選用軋制板材，板材厚度為1 mm。采用同步軋制工藝將SPCC鋼板與AM60鎂合金板材結(jié)合制備出鋼/鎂/鋼復合板，試樣切割成長度為90 mm、寬度為30 mm的尺寸。軋制前，鋼板進行一次退火，加熱至750 ℃保溫1 h。退火后酸洗，用丙酮沖刷干凈后使用砂紙將鋼板和鎂板打磨至劃痕一致，按照鋼/鎂/鋼的順序堆疊組合，頭部鉆孔后使用細鐵絲固定。將固定好的復合樣品放置于分體式加熱爐預熱30 min，軋制溫度定為380 ℃。保溫結(jié)束立即進行一道次軋制，總壓下率為50%。機加工復合板制備出拉伸試樣，拉伸試樣尺寸規(guī)格如圖1所示，厚度是1.5 mm。

圖1 拉伸試樣尺寸

2試驗結(jié)果與分析

2.1 溫度對流變應力的影響

復合板不同變形溫度、應變速率下的真實應力應變曲線，如圖2所示。

圖2 復合板的真實應力應變曲線

由圖2可知：溫度對AM60鎂合金的高溫流變行為影響顯著，復合板的延伸率δ和峰值應力σ隨溫度變化而變化。從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，復合板峰值應力表現(xiàn)出下降趨勢。而延伸率則明顯增大，固定應變速率為0.1 s-1，變形溫度350 ℃時延伸率增加至8.5 %，相比于250 ℃的3.2 %提高了一倍，表明溫度越高AM60鎂合金塑性成型性能越高。這是由于高溫激活了AM60鎂合金非基面滑移系，參與滑移和交滑移的滑移系增多，從而增加復合板滑移系數(shù)量。

2.2 應變速率對流動應力的影響

2.3 應變速率敏感性指數(shù)

應變速率敏感性指數(shù)m的大小反應材料流變應力對應變速率的敏感性，指數(shù)m受多種因素影響，如：變形溫度、變形速度等。指數(shù)m通過公式(1)求出：

σ=C×εm

(1)

式(1)中σ是流動應力，這里只研究峰值應力，ε是應變速率。同時取對數(shù)得： lnσ= lnC+mlnε

(2)

計算出lnσ和lnε的數(shù)值，對lnσ和lnε進行擬合，擬合曲線如圖3所示，斜率即m值。應變速率敏感性指數(shù)m隨溫度升高而升高，250 ℃、300 ℃、350 ℃下分別是0.005 86、0.006 09、0.006 42，可見溫度越高復合板延伸率越好，越有利于拉伸成型。

圖3 lnσ-lnε擬合曲線

2.4 變形溫度對斷口形貌的影響

恒定應變速率為0.001 s-1，250～350 ℃變形溫度區(qū)間的SPCC鋼基體和AM60鎂合金基體的拉伸斷口形貌，如圖4所示。

圖時不同溫度下SPCC鋼基體和AM60鎂合金基體的拉伸斷口形貌

如圖4(a)～(f)所示，隨著變形溫度升高，組元金屬SPCC基體斷口處韌窩呈現(xiàn)小而密集的趨勢，而AM60鎂合金基體的拉伸斷口形貌特征由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。變形溫度250 ℃時，AM60鎂合金基體斷口形貌出現(xiàn)解理平面，平面上呈河流花樣，韌窩幾乎不可見，此時AM60鎂合金基體為脆性斷裂；SPCC鋼基體的斷裂區(qū)域由韌窩和撕裂棱組成，其中部分韌窩包裹著第二相粒子，如圖4(d)所示。撕裂棱上開始出現(xiàn)韌窩，同時部分區(qū)域出現(xiàn)零星幾個孔洞，此時SPCC鋼基體出現(xiàn)韌性斷裂。變形溫度提高到300 ℃時，SPCC鋼基體以韌性斷裂為主，韌窩細化并且數(shù)量增加，撕裂棱上出現(xiàn)更多細小密集的韌窩。同時，第二相粒子數(shù)目減少，部分離開韌窩暴露在外面，如圖4(e)所示；AM60鎂合金基體的斷口形貌與250 ℃下區(qū)別不大，依然出現(xiàn)解理平面，表現(xiàn)出河流花樣的特征，以脆性斷裂為主。當變形溫度進一步提高至350 ℃時，SPCC鋼基體的拉伸斷口幾乎都是韌窩。韌窩繼續(xù)在撕裂棱上進一步生長呈現(xiàn)出密集細小的狀態(tài)，韌窩數(shù)量明顯增多演變得最小深度最淺，同時，孔洞縮小，第二相粒子進一步減少,如圖4(f)所示；AM60鎂合金基體轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，表現(xiàn)出韌性斷裂形貌，開始出現(xiàn)撕裂棱和韌窩，推測是由于鎂合金在350 ℃時發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶使部分晶粒細化。復合板中SPCC鋼層厚比遠大于AM60鎂合金，且SPCC強度較大，復合板拉伸變形過程中SPCC占據(jù)主導地位。因此，可以認為SPCC/AM60/SPCC雙金屬復合板在250 ℃以上發(fā)生變形時整體以塑性變形為主，通過圖2復合板的應力-應變曲線可以看出相同的規(guī)律。

2.5 應變速率對斷口形貌的影響

始終選取250 ℃作為變形溫度，不同應變速率下表征復合板的拉伸斷口形貌，研究不同應變速率對SPCC/AM60/SPCC雙金屬復合板組元金屬熱變形的影響，表征結(jié)果如圖5所示。0.1 s-1和0.01 s-1應變速率下的SPCC鋼基體斷口形貌進行對比，可以看出0.01 s-1應變速率下SPCC鋼基體韌窩數(shù)量明顯變多，撕裂棱上開始出現(xiàn)小型韌窩，應變速率0.1 s-1時，幾乎沒有小型韌窩沿撕裂棱出現(xiàn)。同時，兩個應變速率下均出現(xiàn)了第二相粒子以及少量孔洞，如圖5(a)和圖5(b)所示。結(jié)合圖4(d)，應變速率降至0.001 s-1時，對比0.01 s-1應變速率下SPCC鋼基體的斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，韌窩數(shù)量進一步增加，小型韌窩沿撕裂棱不斷出現(xiàn)，韌窩變淺變小。AM60鎂合金基體與應變速率關系不大，不同應變速率下均為脆性斷裂?？梢缘贸鼋Y(jié)論，變形溫度250 ℃時，SPCC/AM60/SPCC雙金屬復合板整體韌窩數(shù)量隨應變速率降低而增多，即應變速率越低成型性能越好。

圖5 變形溫度250 ℃時SPCC鋼基體和AM60鎂合金基體不同應變速率的斷口形貌

2.6 變形溫度對結(jié)合強度的影響

當應變速率為0.001 s-1時，不同變形溫度下SPCC/AM60/SPCC雙金屬多層復合板斷口形貌如圖6所示。不同變形溫度下復合板界面整體均表現(xiàn)出開裂的情況，沒有良好的結(jié)合層。從圖6(a)可以看出，變形溫度250 ℃時，復合板界面分離最為嚴重，開裂現(xiàn)象明顯，結(jié)合情況最差。變形溫度提高至300 ℃時，復合板界面裂縫縮小，結(jié)合情況得到明顯改善，斷口呈撕裂狀，如圖6(b)所示。變形溫度來到350 ℃時，界面結(jié)合情況進一步得到改善，裂縫幾乎消失不見，界面結(jié)合狀態(tài)最好，如圖6(c)所示。當變形溫度為250 ℃及以上變形時，復合板界面結(jié)合情況隨變形溫度變化而變化，溫度提高界面分層現(xiàn)象減弱，裂縫減小。即，變形溫度升高，復合板結(jié)合強度提高。

圖時復合板不同溫度的斷口形貌

3結(jié)論

(1)同等應變速率下，延伸率隨變形溫度升高而升高，而峰值應力則降低。同等變形溫度下，流變應力隨應變速率增大而增大，而延伸率反之。

(2)計算出復合板不同應變速率下的應變速率敏感性指數(shù)m，且m值隨溫度增大表現(xiàn)出增大的趨勢。

(3)復合板拉伸試樣250 ℃及以上變形時發(fā)生頸縮現(xiàn)象，結(jié)合斷口形貌，可以認為復合板在250 ℃及以上發(fā)生拉伸變形時以塑性變形為主。同時復合板結(jié)合情況隨溫度升高而改善，350 ℃時結(jié)合情況最好，應變速率越低成形性能越好。