挤压态AZ31镁合金室温拉伸力学各向异性研究
2018-07-10林金保王心怡任伟杰
林金保， 王心怡， 任伟杰， 李 倩
(太原科技大学 应用科学学院， 山西 太原 030024)
镁合金具有密度小、 比强度和比刚度高， 减震性好且电磁屏蔽性能优越等优点， 在交通、 通讯和航空航天等领域有广阔的应用前景[1-4]. 但镁合金在热变形后易形成变形织构， 导致明显的力学各向异性[5-7]. 近年来， 国内外学者对镁合金力学各向异性进行了大量的研究， 取得了一定的进展. 林等[8]结合实验和模拟手段对挤压态镁合金轴向拉-压不对称性力学行为进行了研究， 结果表明， 挤压丝织构决定了镁合金在室温轴向拉-压变形过程中各变形机制相对活动量存在明显区别， 从而产生了显著的轴向拉-压不对称性. Kabirian 等[9]在不同温度和应变速率下对挤压态AZ31镁合金沿与挤压轴成不同角度的压缩力学行为进行了研究， 发现拉伸孪生对镁合金变形过程中力学各向异性起重要影响.
目前， 国内外学者对变形镁合金轴向拉-压不对称性和沿不同角度压缩各向异性研究得较多， 但是对变形镁合金沿不同角度拉伸力学行为研究得很少， 尤其对挤压态镁合金沿与挤压轴成不同角度方向拉伸力学行为研究得更少. 本文基于室温三向取样拉伸实验研究了挤压态AZ31镁合金的力学行为， 从微观变形机制的角度分析了挤压态镁合金宏观拉伸各向异性产生的机理.
1 实验方法
实验材料为直径33 mm的挤压态AZ31镁合金棒材. 图 1 为挤压态镁合金试样初始组织图和初始极图，TD为挤压方向， 可以看出， 挤压态镁合金初始极图具有典型的丝织构分布.
图 1 挤压态AZ31镁合金初始组织与极图Fig.1 Initial structure and pole diagram of the extruded AZ31 magnesium alloy
图 2 所示为0°， 45°和90°三个方向取样拉伸实验原理图. 室温拉伸在PLD-10力学性能试验机上进行， 片状拉伸试样标距为15 mm×2 mm×1.5 mm， 拉伸实验应变速率统一为10-3s-1. 纵截面金相组织观察选用LEICA DM 2700 M型光学显微镜， XRD测试采用XPert Pro MRD 型X射线衍射仪.
图 2 挤压态镁合金三向取样拉伸实验原理图Fig.2 Squeezed magnesium alloy three direction sampling tensile schematic diagram
2 结果与分析
图 3 所示为挤压态AZ31镁合金三向取样拉伸真实应力-应变曲线实验结果， 表 1 为实验对应的力学性质统计数据.
图 3 室温三向取样拉伸真实应力-应变曲线Fig.3 The true stress-strain curves in three-directional tension of extruded AZ31 magnesium alloyat room temperature
表 1 挤压态AZ31镁合金室温三向取样拉伸力学性质
3 织构演变分析
3.1 实验测试
对于挤压态镁合金而言， 轴向拉伸时，c轴处于压应力状态， 有助于压缩孪生的开启， 但是， 压缩孪生临界剪切应力很高， 而此时拉伸孪生又很难启动， 所以， 轴向拉伸时， 挤压态镁合金内部晶粒取向整体不会发生太大变化， 仍为基面丝织构分布[8]. 而沿45°和90°方向拉伸时， 孪生开启的模式相似， 本文只对90°拉伸情况进行具体分析. 图 4 为90°拉伸8.0%时横切面显微组织和极图情况， 从组织图(图 4(a))中可以发现， 当变形量为 8.0% 时， 出现了大量透镜状组织， 根据文献[14]分析及形貌观察可以得出， 这些组织为拉伸孪晶. 从实验观测的极图中也可以看到， 当变形量为 8.0% 时， {0002}基面在两极处出现了大量投影， 这也说明了晶粒取向发生了突变， 结合显微观察和XRD测试可以得出， 挤压态镁合金在受到与挤压轴呈90°方向拉应力作用时， 部分晶粒取向发生了大角度突变.
图 4 挤压态镁合金90 拉伸8.0%时的横截面显微组织和极图测试情况Fig.4 Cross sectional microstructures and measured pole figures after 8.0% tensile deformation along the 90 °
3.2 理论分析
图 5 所示为挤压态镁合金沿90°方向拉伸过程中， 某晶粒取向演变示意图.d,e为极射投影点.
图 5 挤压态AZ31镁合金90°拉伸过程晶粒取向演变示意图Fig.5 Schematic illustration of grain orientation evolution tensile along the 90 degree direction in extruded AZ31 Magnesium alloys
从图中可以看出， 本文选取的初始晶粒a的{0002}基面法向平行于拉应力方向并与挤压轴垂直， 当受到90°拉应力作用时， 该初始晶粒的c轴处于拉应力状态， 此时有利于拉伸孪生的开启， 但是该初始晶粒在6个孪生变体中都有可能发生取向突变， 本节只是在图中针对其中2个变体进行了分析， 其它4个孪生变体可以依此类推. 从图中可以看出， 拉伸孪晶使晶粒转动了 86.3°， 结合图4(b)实验极图发现， 理论上推导的晶粒a到晶粒b取向突变结果同实验结果相符. 本实验间接证明了在变形过程中， 拉伸孪生变体的选择同样满足施密特(Schmid)准则.
4 结 论
1) 挤压态AZ31镁合金三向取样拉伸塑性变形初期， 主导变形机制虽然都是基面滑移， 但是基面滑移开启所对应的Schmid因子不同， 导致了三向取样拉伸屈服强度各向异性.
2) 随着应变量的增加， 0°拉伸主导变形机制变为柱面滑移， 而45°和90°拉伸仍然以基面滑移为主， 从而导致了变形后期0°拉伸流变应力远远高于45°和90°拉伸情况.
3) 挤压态镁合金初始丝织构分布， 决定了其沿不同方向拉伸变形时不同机制导致的相对变形量和变形抗力各不相同， 引起了宏观拉伸力学性能的各向异性.
