AZ31B镁合金高温热压缩行为分析

2017-09-25孙付涛

材料研究与应用 2017年3期

关键词：塑性变形再结晶镁合金

韩晨，孙付涛

中色科技股份有限公司，洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳 471039

AZ31B镁合金高温热压缩行为分析

韩晨，孙付涛

中色科技股份有限公司，洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳 471039

AZ31B镁合金；应变速率；变形行为；本构方程

镁合金是现代工业中应用较为广泛的、最轻的结构材料，具有较高的比强度和比刚度，良好的铸造、切削加工、导热、阻尼、电磁屏蔽性能和易于回收等优点，是实现构件轻量化和资源再利用的理想材料，在电子、通讯、航空航天、汽车制造等领域具有广阔的应用空间[1-2].

AZ31B镁合金是应用最广泛的变形镁合金品种，但由于其具有密排六方结构，使其室温下塑性加工较为困难，从而限制了其应用范围[3-5].为扩大AZ31B镁合金在工件制造中的应用，很多学者对镁合金的塑性变形行为进行了研究，但大都集中在板材成形方面，而对其体积成形的研究较少.

变形温度和应变速率是影响AZ31B镁合金变形的两个重要参数.本文通过对AZ31B镁合金高温压缩力学行为的研究，在分析加热温度、变形速度对AZ31B镁合金流动应力影响规律的基础上，建立了其热变形压缩时的本构方程，这为其体积成形与数值模拟研究提供了理论依据，也为其产品开发和生产提供了计算依据.

1 试验材料和方案

试验材料为AZ31B镁合金，其主要成分列于表1.将试样加工成D10 mm×15 mm圆柱体.为减小摩擦力的影响，进行压缩试验时在试样的两个端面涂敷润滑剂(石墨和机油).

表1 AZ31B镁合金化学成分

热压缩试验设备为gleeble-1500热模拟试验机. 热压缩试验中主要研究变形温度、应变速率对AZ31B镁合金变形过程中流变应力的影响.为分析温度对AZ31B镁合金压缩变形的影响，在280～440 ℃范围内对试样进行热压缩试验，温度间隔区间为40 ℃.为研究应变速率对AZ31B镁合金压缩过程的影响，分别以0.001，0.01，0.1 s-1的应变速率进行变形量ε=0.7的热压缩模拟试验.

2 试验结果与讨论

2.1 变形温度对镁合金塑性变形的影响

分别以应变速率为0.001，0.01，0.1 s-1，在不同温度下进行热压缩试验，试验结果如图1～3所示.由图1～3可知，在变形开始阶段随着变形量的增加，应力迅速上升.这是由于随变形量的增加，位错不断增加，位错间的交互作用增大了位错运动的阻力.超过某一变形量后，变形储存能转变成再结晶的驱动力.再结晶可以消除或改变变形过程中产生的织构进而发生动态再结晶软化.当软化速率和硬化速率平衡时，流动应力出现峰值.在应力达到峰值前，动态再结晶已经开始发生，但加工硬化仍占主导地位，使应力增加幅度减小.当应力达到极大值后，动态再结晶加快，流动应力开始下降.

图1 应变速率为0.001 s-1时镁合金的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves at strain rate of 0.001 s-1

图2 应变速率为0.01 s-1时镁合金的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves at strain rate of 0.01 s-1

图3 应变速率为0.1s-1时镁合金的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves at strain rate of 0.1s-1

镁合金是一种温度敏感材料，流动应力随温度升高而降低.由图1～3可知，当应变速率为0.001 s-1、变形温度为280 ℃时，其峰值应力为90 MPa；当变形温度升至440 ℃时，其峰值应力降至20 MPa.当应变速率为0.01 s-1时，440 ℃时的峰值应力约28 MPa，280 ℃时峰值应力为110 MPa.当应变速率为0.1 s-1时，360℃的最大流动应力仅为75 MPa， 320 ℃时最大流动应力增加到96 MPa.应变速率相同时，温度越高流变应力越低.这是由于在较低温度下变形时的加工硬化率较高，金属难以进行回复和软化，而变形温度越高空位原子的扩散和位错进行交滑移、攀移的驱动力越大，更易于发生动态再结晶.

2.2 应变速率对镁合金塑性变形的影响

应变速率对镁合金塑性变形的影响也很显著.分别在280，360 ℃时进行热压缩试验，试验结果如图4和图5所示.由图4和图5可知，在相同的变形温度下，当应变值一定时，应变速率越高，应力值越大.随着应变速率的增加，应力峰值增大.这说明随着应变速率的增大，镁合金不易发生动态再结晶.镁合金的动态形核是一个热激活过程，在高应变速率的条件下，变形组织没有足够的时间形核长大，核心形成的几率较低，因而再结晶不易进行.另一方面，加工硬化作用也随着应变速率的增大而增大.因此，再结晶软化与加工硬化二者的作用效果相互平衡时的峰值应力和峰值应变均将增大.动态再结晶是一个速率控制的过程，应变速率不仅影响新晶粒的形核，而且对再结晶晶粒的尺寸有很大影响.在生产中，通过升高变形温度、降低应变速率可使镁合金迅速达到动态再结晶状态，从而有利于镁合金的晶粒细化.

图4 280℃镁合金的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves at 280℃

图5 360℃镁合金的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves at 360℃

应变速率对镁合金塑性变形的影响还表现在变形机制上.由静态变形逐渐过渡到较大应变速率时，可以发现镁晶内滑移、晶界滑动和孪生都会发生.在应变速率较小时，晶内滑移量较小，主要变形机制是晶界滑动和孪生.在高应变速率下，金属镁中出现较多的滑移，包括沿基面的滑移和沿非基面的滑移.

Zener-Hollomon常数综合了应变速率和温度的影响，被广泛应用于分析热变形的晶粒尺寸.

(1)

增大Z参数可以获得晶粒细化的效果.因此理论上可以通过增加应变速率和降低温度来细化晶粒.在同一温度下，应变速率较低时，金属原子可充分扩散，合金中的储能较少，使得再结晶驱动力减小，因而只能在某些高能量起伏区(如变形量较大处)形核.再结晶的形核率较低，不过由于应变速率低，再结晶回复可以充分进行，故应力峰值较小.当应变速率较高时，产生同样变形所需的时间较短，部分区域来不及抵消和合并，位错增多，再结晶形核位置多，导致晶粒细化.

在一定条件下进行塑性变形时，AZ31B镁合金经历了一个动态再结晶的过程，其组织随着变形程度的加深有规律地变化，变形温度和应变速率对动态再结晶有很大影响.提高变形温度和降低应变速率，有利于再结晶的发生；降低变形温度及提高应变速率可以得到更细小的晶粒组织.因此，在进行镁合金塑性加工时，应综合考虑变形温度、应变速率的影响，以得到均匀细小的晶粒组织.

3 本构方程的建立

低应力情况下(ασ<0.8时)：

(2)

高应力情况下(ασ>1.2时)：

(3)

所有应力下：

(4)

(5)

式(5)中：A，n，α，Q—材料常数；A—结构因子(s-1)；α—应力水平参数(MPa-1)；n—应力指数；Z—物理意义是温度补偿的应变速率因子.

为了研究材料在变形时的力学行为，需要了解与应变速率和变形温度有关的流变应力的变化规律，由公式(5)可得：

sinh(ασ)=(Z/A)1/n.

(6)

根据双曲函数的定义可知：

sinh-1(ασ)=ln[ασ+(ασ2+1)1/2].

(7)

(8)

由式(4)和式(8)可知，只要知道A，Q，α，n等材料参数，便可求得材料在任意变形条件下的流变应力值.式(4)和式(8)未考虑应变对流变应力的影响，AZ31B镁合金高温变形时，在稳态变形阶段，应力值对应变是不敏感的，因此可以忽略应变的影响，求各参数的值.

分别对式(2)，式(3)两边取对数得：

(9)

(10)

图6 峰值应力与应变速率的关系(a)lnσ与的关系曲线；(b)σ与的关系曲线Fig.6 Relation betwwen peak stress and strain rate(a)Relation curves of lnσ and ln； (b)Relation curves of σ and ln

由式(9)和式(10)可知，取图6(a)中五条直线斜率的平均值，可得n1=9.191；图6(b)中的五条回归直线基本平行，取五条直线斜率的平均值，可得β=0.1326，则α值为：α=β/n=0.015.

对式(4)两端取自然对数可得式(11)：

(11)

假定变形激活能与温度无关，可以得到：

(12)

式(12)中：c=lnA-Q/RT.

对式(4)两端进行微分得：

(13)

根据式(12)和式(13)作图，如果所作的曲线在对数坐标上成直线，那么根据直线的斜率，并结合前面得到的常数n以及气体常数R，即可求得变形激活能Q.

对式(5)两端取自然对数，可得：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)].(14)

将Q带入式(4)中求得Z值，作ln[sinh(ασ)]-lnZ关系曲线，如图8所示.

由图8得到的直线截距即为lnA的值，斜率为n值，那么可求得材料常数A=7.59×109，n=4.91.将所求得的常数，代入式(4)可得到AZ31B镁合金本试验条件下的本构方程式(15).该方程可以用来预测变形过程中的流变应力数值，为后续塑性加工工艺的选择及参数的确定提供了依据.

图7 ln[sinh(ασ)]与应变速率及温度的关系(a)1/T与ln[sinh(ασ)]的关系曲线；(b)ln[sinh(ασ)]与的关系曲线Fig.7 Relation between ln[sinh(ασ)] and strain rate and tempreture(a)Relation curves of 1/T and ln[sinh(ασ)]；(b)Relation curves of ln[sin(ασ)]and ln

图8 ln[sinh(ασ)]-lnZ的关系曲线Fig.8 Relation curve of ln[sinh(ασ)] and lnZ

AZ31B镁合金的热压缩流变应力方程为：

(15)

其中Z参数可表示为：

(16)

(17)

4 结论

在一定温度下，AZ31B镁合金的流变应力随应变速率的增加而增大，达到峰值后，流变应力逐渐减小并趋于稳定.当应变速率一定时，流变应力随着温度的升高而降低.在高应变速率和较低的变形温度下，AZ31B镁合金均呈现出流变应力增大的现象.

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AnalysisofthedeformationbehaviorofAZ31Bmagnesiumalloybyhotcompressionathightemperature

HAN Chen，SUN Futao

China Non-ferrous Metals Processing Technology Co.，Ltd.，Luoyang Engineering and Research Institute for Non-ferrous Metals Processing，Luoyang 471039，China