AZ31镁合金加工图研究

王 庆，王 翀，常莉莉，林金保，黄庆学

(太原科技大学，太原 030024)

AZ31镁合金加工图研究

王 庆，王 翀，常莉莉，林金保，黄庆学

(太原科技大学，太原 030024)

采用加工图理论系统的分析了AZ31镁合金在高温变形过程中的变形行为。结果表明: AZ31镁合金在塑性变形行为过程中发生动态再结晶，温度的升高和应变速率的降低有利于动态再结晶形核的形成与长大。采用加工图理论分析AZ31镁合金高温下的塑性变形行为并至关反映变形后AZ31镁合金材料的组织演化以及性能变化规律。由加工图可知材料的最佳变形条件:压缩变形过程温度为320℃ ～360℃、应变速率为0.5～0.05 s-1;拉伸变形过程温度为350℃ ～400℃、应变速率为0.001～0.000 33 s-1.

AZ31镁合金;高温塑性变形;流变失稳;加工图

镁及镁合金是在工程应用中最轻的金属结构材料[1-3]。镁合金具有比强度高、比刚度高以及良好的抗震性等优点，尤其易于回收利用，具有环保特性[3-6]，在实际生产应用中具有广阔的应用前景。本文建立了压缩变形和拉伸变形过程中AZ31镁合金的功能耗散图，研究了AZ31镁合金的微观结构受温度、应变速率、变形量的影响规律;并通过绘制的AZ31镁合金加工图确定该材料的最佳加工条件以及变形不稳定因素。

1 材料及试验方法

实验的材料为商用的AZ31镁合金，为Mg-Al-Zn系合金，镁合金的化学成分如表1所示，图1为材料原始晶相组织呈现出明显的枝晶特征。将材料通过线切割机床加工成Φ8×12 mm圆柱式实验试样，在Gleeble1500热模拟试验机上对试样进行单向热压缩实验。压缩温度为473 K～673 K，温度间隔为50 K，应变速率为0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1、3 s-1.压缩前温升速度为4 K/s，到额定温度后保温5 min.试样相对压下量为60%.在UTM5305拉伸机上进行单向拉伸。实验温度与压缩相同，应变速率分别为0.000 33 s-1，0.001 s-1，0.01 s-1，0.05 s-1.拉伸前温升速度为5 K/s，到温后保温10 min.

图1 为原始AZ31镁合金材料的微观组织照片Fig.1 Initial microstructure of AZ31 magnesium alloy

表1 AZ31镁合金化学成分Tab.1 Chemical composition(wt.%)of Mg-3Al-1Zn alloy

2 加工图理论

对于Gegel提出的动态材料模型理论基于大塑性流变连续力学、物理系统和不可逆热力学[7-8]原理，建立的显微组织演变与材料加工参数之间的数学关系模型。说明材料在塑性变形过程中，材料吸收的功能和转化为热能流失的能量与外界施加到材料中的能量是处于动态平衡的状态。

用真应力(σ)、应变量(ε)、应变速率(˙ε)和变形温度(T)的来描述塑性变形行为的本构方程。根据AZ31镁合金材料的动态材料模型，材料的加工过程服从幂律方程[9]:

其中K和m均为常数。对于相同的材料，不同的热塑性加工过程产生的变形量不同，所对应的K和m值也不一样的。

AZ31镁合金在塑性变形行为过程中所吸收的能量包含两部分:

其中:P(≡σε)为总功率，是两个互补函数的和:G为耗散量;J为耗散协变量。式(2)中2个积分式分别代表功率耗散量G和功率耗散协变量J.通过耗散量和耗散协变量两者的变化形式求出应变速率对材料真应力的影响因数的表达式:结合式(1)和式(2)，得到功能转效率J:

金属材料热塑性变形从热力学的观点看是一个不可逆变化过程(组织的变化和热传递)。由于材料在塑性变形行为过程中的功率转化和热传递是不可逆的过程，因此m值大于0小于1，当材料的功能转化效率为理想值时，m=1.由式(4)可知:

假定在材料塑性变形行为的本构方程中应变速率对材料的真应力无影响作用，根据材料在塑性变形过程中功能转化、热传递不可逆的原理，Prasad根据Ziegler[10]提出了对材料在塑性变形失稳的判断依据如式(6):

由于材料的功能转化效率J与材料变形过程中的微观织构的演化和微观结构的变化有关，于是Prasad用功能转化效率J代替D得到:

当应变速率对应力影响系数m为常数时:

对式(9)两边取对数，并同时对ln˙ε求偏导可得:

综合式(8)、式(10)可得材料的流变失稳准则为:

通过式(5)计算出功率耗散图与式(11)计算出失稳图叠加就可以获得加工图。功率耗散图是一系列的等值线组成，可以显示材料的不同的变形区域。在不同的变形区域中，对应的是不同的变形机制，且这种变形机制直接影响功率耗散值，且对应不同的材料的微观结构[11-12]。材料的不同的微观结构同时受到材料的塑性变形条件的影响，在中等温度下进行的塑性变形，对应材料的功能转化效率不高，但是在此变形过程中材料发生了动态回复和部分的动态再结晶。温度的升高以及应变速率的降低，增加了变形时间，从而使变形过程中的动态回复和动态再结晶转化效率增加，材料的功能耗散效率也会增大。

从图2可知AZ31镁合金在热压缩过程中的加工图，包含两个塑性变形失稳的区域，在AZ31镁合金在塑性变形过程中，在低温高速的条件下，材料将会失稳，可能是因为材料在塑性变形过程中出现了绝热剪切带或裂纹。材料在中温的情况下也会出现失稳可能是应为楔形断裂。由图3可知镁合金压缩后的金相组织同时可以证明材料在350℃、应变速率为0.5 s-1时，材料的晶粒细化程度最高。

图2 AZ31镁合金在热压缩变形过程中的加工图Fig.2 Processing map of AZ31 magnesium alloy during hot-compression deformation process

图3 AZ31镁合金在不同变形条件下的组织Fig.3 Microstructures of AZ31 alloy under different conditions

由图4可知应变量为0.04时材料的功能转化效率从图的左上角到图的右下角不断的增加。该合金材料的功能转化效率在高应变速率的变形条件下的值较小，但是在低应变速率下出现了两个功能转化效率较高的位置。在AZ31镁合金的热拉伸变形过程中，材料内部的动态再结晶受不同的变形因素的影响，变形温度和应变速率都可以控制动态再结晶的发生，并且直接影响材料在变形过程后的镁合金的晶粒度的大小[13]。

图4 AZ31镁合金拉伸变形的热加工图Fig.4 Processing map of AZ31 magnesium alloy during hot tensile deformation process

图5 AZ31镁合金的拉伸组织Fig.5 Tensile microstructures of AZ31 alloy

3 结论

(1)比较AZ31镁合金压缩与拉伸的功能转化效率图可以发现，AZ31镁合金的压缩变形过程及拉伸变形过程中，随着温度的升高和应变速率的下降通过组织变化而耗散的功率都有增大的趋势。

(2)建立的AZ31镁合金的压缩与拉伸的加工图表明，在压缩过程中，出现两个不稳定的区域，一个位于低温高应变速率区;另一个位于高温中等应变速率区。在拉伸过程中，会在低温和高速的情况下出现失稳。

(3)AZ31镁合金在塑性变形行为过程中，在压缩变形过程中温度为320℃ ～360℃、应变速率为0.5 s-1～0.05 s-1时，且在拉伸变形过程中温度为350℃ ～400℃、应变速率为0.001 s-1～0.000 33 s-1时，材料的晶粒细化程度最高。

参考文献:

[1]FROES F H，ELIEZER D，AGHION E.The science technology and applications of magnesium[J].JOM，1998(9):30-33.

[2]曾小勤，王渠东，吕宜振，等.镁合金应用进展[J].铸造，1998(11):39-43.

[3]佟国栋.高性能镁合金的研究及其在汽车工业中的开发应用[D].长春:吉林大学，2011.

[4]朱亚哲，李宝成.镁合金的特点及其塑性加工技术研究进展[J].金属锻焊技术，2012(1):88-91.

[5]王宝刚，王旭，周吉学，等.耐热镁合金的研究进展[J].山东科学，2013，26(3):31-36.

[6]佟国栋.高性能镁合金的研究及其在汽车工业中的开发应用[D].长春:吉林大学，2011.

[7]PRASAD Y V R K，GEGEL H L，DORAIVELU S M，et al.Modeling of dynamic material behavior in hot deformation:Forging of Ti[J].Metallurgical Transactions A，1984，15:1883-1894.

[8]鲁世强，李靈，董显娟.动态材料模型的材料热加工:艺优化方法[J].中国有色金属学报，2007，17:890-896.

[9]PRASAD Y V R K.Dynamic Materials Model:Basis and Principles[J].Met Trans A，1996，A27:235-236.

[10]ZIEGLER H.Progress in solid mechanics[M].John Wile and Sons，New York，NY，1963.

[11]江海涛，陆春洁，段晓鸽，等.AZ31镁合金的热变形加工图及其应用[J].北京科技大学学报，2012(7):27-35.

[12]李权，程仁菊，姜山，等.AZ61镁合金高温塑性变形及加工图[J].材料保护，2013(S1):112-114.

[13]李亚宁，曹韩学，宋东福.挤压温度对AZ81镁合金组织与力学性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2013，33(9): 852-855.

Analysis on Processing Map of AZ31 Magnesium Alloy

WANG Qing，WANG Chong，CHANG Li-li，LIN Jin-bao，HUANG Qing-xue
(Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The deformation behavior of AZ31 magnesium alloy at high-temperature deformation process was systematically analyzed with adoption of processing map theory.The results showed that:dynamic recrystallization process，temperature rise and reduction of strain rate of AZ31 magnesium alloy during its plastic deformation process are in favor of formation and growth of dynamic recrystallization nucleation.Processing map theory was used to accurately analyze high-temperature plastic deformation behavior of AZ31 magnesium alloy and intuitively reflect the laws of organizational evolution and performance change under different conditions.The processing map gives the best material deformation conditions:compression deformation temperature is 320℃ ～360℃，strain rate is 0.5～0.05 s-1;tensile deformation temperature is 350℃ ～400℃ and strain rate is 0.001～0.000 33 s-1.

AZ31 magnesium alloy，high-temperature plastic deformation，rheological instability，processing map

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.012

1673-2057(2015)04-0300-04

2014-11-27

山西省UIT资助项目(2013241);太原科技大学UIT资助项目(2013241)

王庆(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为镁合金加工;通讯作者:常莉莉，E-mail:chingleelee@163.com