AZ31B镁合金大应变循环变形行为研究

耿长建，师俊东，李晓欣，王志宏，滕佰秋

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

AZ31B镁合金大应变循环变形行为研究

耿长建，师俊东，李晓欣，王志宏，滕佰秋

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

为了研究A Z31B镁合金在大应变幅条件下的变形机制，开展了该合金在7.5%应变幅条件下的循环行为研究。结果表明：在拉伸阶段的最大应力值随着循环周次的增加而减小，而在压缩过程中的最大应力值随着循环周次的增加而增大，在整个循环过程中材料呈现循环应变硬化特性，拉应力是导致循环应变硬化的主要原因；随着循环周次增加，滞回曲线的不对称性基本不变。真应力-真应变滞回曲线在卸载和反向拉伸阶段出现3个拐点。在压缩过程中发生｛10-12｝孪生，反向拉伸过程发生去孪生行为，包申格效应对去孪生行为具有较大影响。研究表明：孪生-去孪生是大应变幅循环变形的主要变形机制；对拉伸、反向压缩过程的变形特征及机制的分析，可为低周疲劳行为的研究提供参考。

A Z31B镁合金；非对称；应变硬化；滞回曲线；孪生-去孪生

0　引言

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、铸造性能良好、电磁屏蔽能力较强以及易于再生利用等一系列优点，被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的材料”。其结构件在汽车、飞机、计算机、通讯等领域的应用日益广泛［1-3］。AZ31B变形镁合金因其延展率良好和强度较高，是目前应用最多的挤压变形镁合金。在不同加载方向下，AZ31B变形镁合金呈现各向异性。许多对镁合金在应变控制的低周疲劳的研究表明，加载方式和样品的织构对其疲劳性能具有重要影响［4-10］。研究表明，在镁合金低周疲劳过程中每周期都发生的孪生-去孪生行为对其疲劳起重要作用［11-14］。在以往研究中，大都加载对称性应变幅进行疲劳试验。在同一应变幅下，由对称性应变幅和非对称性应变幅控制的疲劳中产生的初始孪生种类、数量及产生机制大不相同。

为了更清楚地了解不同加载方式下的低周疲劳过程中塑性变形机制与疲劳行为之间的关系。本文研究了大应变幅条件下AZ31B镁合金的疲劳行为，对镁合金材料设计和应用具有重要意义。

1　试验材料和方法

试验采用的AZ31B镁合金属于Mg-Al-Zn系合金，是目前工业界使用较广泛的1种变形镁合金。合金中加入的Al元素可与Mg形成固溶体，提高了合金的力学性能；同时Al元素还可提高合金的耐腐蚀性，减小凝固时的收缩，改善合金的锻造性能，增强铸件强度。Zn是另1种有效的合金化元素，在镁合金内以固溶体形式存在，对合金性能的影响与Al相似，但Zn的质量分数高于2%时会导致热裂现象，因而应严格控制。加入Mn元素可提高镁合金的韧性，还能改善其耐腐蚀性能。铁、铜、镍等杂质元素会降低合金的耐腐蚀性能，应严格控制其含量。综上可知，该合金成本较低。AZ31B镁合金的名义成分见表1。

表1　AZ31B镁合金名义化学成分

将合金棒材加工成标距长度30 mm、标距直径6 mm、总长度90 mm的轴向光滑疲劳试样。EBSD样品的电解抛光液为10%HClO4+90%乙醇，电压为30～40V，电流为1～2 mA，电解抛光的温度为243 K。使用液氮作为制冷剂。抛光后，在酒精中反复冲洗以洗掉样品表面残留抛光液，吹干即可。在应变控制的低周试验中，三角波能保持应变速率在整个循环拉压过程中的状态保持不变；采用轴向加载方式在MTS试验机上进行试验。

2　试验结果

原始挤压AZ31B镁合金退火后显微组织如图1所示。从图中可见，样品晶粒为等轴组织，尺寸不均匀，平均尺寸为15 μm左右。

图1　挤压AZ31B镁合金显微组织

样品反极如图2所示。从图中可见，织构主要由强的＜10-10＞丝织构组分和较弱的＜11-20＞丝织构组分构成，｛0002｝晶面平行于挤压方向（ED）。

应力幅（Δσ/2）随循环周次变化曲线如图3所示。从图中可见，在循环变形的前5周期，应力幅值随循环周次的增加迅速增大，即合金产生了明显硬化。随着变形的发展，应力幅值的增大变得缓慢，直至样品断裂。由于循环变形时应变幅为7.5%，（采用如此大的应变幅是因为在大应变幅下镁合金的孪晶-去孪晶行为更加明显）如此大的应变量在循环变形中累积大量的塑性变形，造成材料损伤，因此至断裂时的循环周次较小，仅为68。

在循环变形过程中拉伸和压缩时的最大应力随循环周次的变化如图4所示，表明了循环过程中应力幅的变化。从图4（a）中可见，在拉伸过程中最大应力值随着循环周期的增加而减小，特别是在初始阶段，其减小速度较快。在压缩过程中最大应力绝对值随着循环周期的增加而增大，而在初始阶段，增加速度较快（如图4（b）所示）。由于在压缩过程中应力增大速度大于拉伸过程中的应力减小速度，故图3中应力幅随循环周次增加而增大，从而出现循环硬化现象。由此可以推断，循环应变硬化是因压缩变形过程中的形变强化所致。

图2　样品反极

图3　应力幅-循环周次曲线

图4　最大应力-循环周次曲线

不同循环周期的真应力-真应变滞回曲线如图5所示。从图中可见，在循环过程中滞回曲线呈非对称性。初始拉伸过程曲线与一般拉伸曲线基本一致，呈下凹状，随着循环变形的发展，其它循环周次拉伸过程曲线形状基本与初始拉伸过程曲线一致。而在初始卸载和反向压缩过程中，曲线开始出现3个拐点（图中A、B、C所示）。随着循环周次增加，滞回曲线非对称性无明显变化。

图5　不同周期下真应力-真应变滞回曲线

3　分析讨论

3.1循环变形组织

拉-拉大应变幅前2周期的金相组织如图6所示。在初次拉伸过程中，变形组织中出现孪晶（图6（a）），说明孪生机制在此变形过程中起重要作用。在卸载和反向压缩过程中，出现大量孪晶（图6（b）），而在随后的第2次拉伸过程中，大量孪晶消失（图6（c）），在第2次卸载和反向压缩中，又有大量孪晶产生（图6（d））。

图6　不同循环周次的变形组织

3.2循环变形过程中的孪生-去孪生机制

从前2周期的真应力-真应变滞回曲线（图5）中可见，在大应变幅下，在前2周期内循环变形滞回曲线已呈现不对称性，说明拉伸与压缩阶段的塑性变形机制有所不同，拉伸与压缩变形组织中孪晶数量的变化反映了这种差异。

初次拉伸、初次卸载压缩、第2次拉伸和第2次卸载压缩的变形组织的EBSD取向及其所对应的差取向分布如图7所示。从图7（a）中可见，在初次拉伸过程中产生的少量孪晶主要为｛10-12｝拉伸孪晶（蓝线所示），其余为｛10-11｝压缩孪晶（黄线所示）和｛10-12｝-｛10-11｝双孪晶（红线所示）；在接下来的初次卸载和压缩过程中出现的大量孪晶几乎全部为｛10-12｝拉伸孪晶（图7（b）），且有些孪晶穿过晶界，贯穿几个晶粒，说明在卸载和反向压缩过程中具有很强的孪生倾向。在第2次拉伸过程中，｛10-12｝拉伸孪生的数量急剧减少（图7（c）），说明在该拉伸过程中发生了去孪生行为，然后在第2次卸载和反向压缩过程中又产生了大量拉伸孪生（图7（d））。

图7　不同周次变形组织的取向成像及其相应的取向差分布

在循环变形过程中，孪晶的变化导致晶体取向分布的变化。初次拉伸、初次卸载压缩、第2次拉伸和第2次卸载压缩的变形组织的极图如图8所示，其中Z0对应ED，X0、Y0对应径向。从图8（a）中可见，经过初次拉伸后，变形组织的晶体取向分布无大的变化，为｛0001｝//ED。经卸载与反向压缩后，部分取向旋转至c-轴平行于拉伸轴位置（图8（b）），其原因是由于产生大量的｛10-12｝拉伸孪生（晶粒与基体间的＜11-20＞86°取向）所致。在第2次拉伸变形后，由于去孪晶的作用，取向回复到初始位置（图8（c）），由于测试时样品放置有些倾斜，因此与原始位置相比，取向有些偏斜）。在第2次压缩变形后，由于又产生大量拉伸孪晶，取向变化与第1次的压缩相似，孪晶晶粒的取向集中在c-轴与拉伸轴平行的位置（图8（d））。由上述过程可知，在大应变幅的循环变形中，｛10-12｝孪生-去孪生机制起重要作用。

图8　不同周次变形后极图

3.3滞回曲线

一般来说，材料在非对称应变循环变形条件下的应力变化与对称应变循环变形条件下的应力变化有差异。材料在拉-拉循环变形条件下（Ra=0）的应力随应变变化如图9所示。从图中可见，在小应变幅下的拉伸开始阶段，首先发生弹性形变，然后是弹塑性变形至a点。卸载后，发生回弹，应力降为零，但残留有小的塑性应变。此时，若将应变回复到零，需要有压缩应力形成反向加载，所需压缩应力的大小取决去残留塑性应变的大小和反向压缩过程中材料的屈服应力大小。由于在小应变幅下发生的塑性应变极小，所以从a到b的应力-应变曲线为线性，该过程为弹性应变。在接下来的循环变形过程中，应力-应变响应将沿着图中所示的红色直线在a、b之间往复进行。然而在大应变幅下的循环变形过程中，在拉伸初始阶段发生弹性应变后，从a到c发生较大的弹塑性应变。卸载后，发生回弹，应力降为零，但残留的塑性应变比较大，若将应变回复至零，需要较大的压缩应力。但在该过程中有可能发生塑性屈服，屈服应力的大小取决于塑性变形的大小和是否发生包申格效应［15-17］。在理想情况下，从c到d发生弹性应变，在d点发生屈服，而从d到e为弹塑性应变。在接下来的卸载和反向拉伸过程中，应力-应变曲线从e到f为线性，为弹性过程，而从f到c为非线性，为弹塑性过程，由f到c，构成c-d-e-f-c滞回曲线。

图9　小应变幅和大应变幅下第1周期滞回曲线

4　结论

（1）在拉-拉大应变幅循环变形过程中，在拉伸过程中的最大应力值随着循环周次的增加而减小。

（2）拉-拉大应变幅下真应力-真应变滞回曲线在卸载和反向拉伸阶段出现3个拐点。

（3）在大应变幅下，在前2周期内循环变形滞回曲线已经呈现不对称性，说明拉伸与压缩阶段的塑性变形机制有所不同，在压缩过程中产生孪生行为，在拉伸过程中产生去孪生行为。

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（编辑：赵明菁）

Cyclic Deformation Behavior of AZ31B Magnesium Alloy at Large Amplitude

GENG Chang-jian，SHI Jun-dong，LI Xiao-xin，WANG Zhi-hong，TENG Bai-qiu
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

In order to research the deformation mechanism of material under large amplitude conditions，the cyclic deformation behavior of an extruded AZ31B magnesium alloy with the fiber texture components was investigated under tensile-tensile asymmetric strain loading at 7.5%amplitude.It was found that the maximum tensile stress decreased with the increase of cyclic number，while the maximum compressive stress increased，the alloy presented cyclic strain-hardening characteristics in the whole cycle.The cyclic hardening was resulted from tensile deformation；the asymmetry of the hysteresis loop basically unchanged during the whole cyclic.Three turning points appeared during unloading and reversal tension process on the true stress-true strain curves.｛10-12｝tension twinning was activated in compressive process and its detwinning happened in reversal tension process，Bauschinger effect has a greater impact on the detwinning.It was found from deformed microstructures that twinning-detwinning is dominant plastic deformation at the high amplitude.Through the analysis of the deformation characteristics and mechanism of stress and reversal tension process，it can provide reference for the research of low cycle fatigue behaviors.

AZ31B magnesium alloy；asymmetric；cyclic hardening；hysteresis loop；twinning-detwinning

V 216.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.016

2015-03-30基金项目：国家自然科学基金（51171120，90202001）资助

耿长建（1980），男，博士，从事金属材料性能及其微观变形机制研究工作；E-mail：gengchangjian2008@163.com。

引用格式：耿长建，师俊东，李晓欣，等.AZ31B镁合金大应变循环变形行为研究［J］.航空发动机，2016，42（1）：79-83.GENG Changjian，SHI Jundong，LI Xiaoxin，et al.Cyclicdeformation behavior of AZ31B magnesium alloy at large amplitude［J］.Aeroengine，2016，42（1）：79-83.