铸态AZ31镁合金热变形行为研究

王海宇，帅美荣，2，唐佳伟，常彬彬，2，刘 鑫，2

(1.太原科技大学材料科学与工程学院，太原 030024;2.重型机械教育部工程研究中心，太原 030024)

镁合金是最轻的金属结构材料之一，具有良好的比强度、导热性、减震性能和电磁屏蔽性，资源丰富，广泛应用于航空航天、交通运输、电子仪器等方面，被誉为21世纪最具应用前景的绿色工程材料[1-3]。然而，室温下镁合金独特的密排六方晶体结构，致使变形时独立滑移系少，因而室温下塑性变形能力低，不利于生产实际应用[4]。因此，研究镁合金变形过程中的变形行为，掌握应力应变变化规律，对改善镁合金变形工艺和提高组织性能具有重要意义[5]。

近年来，国内外许多学者对镁合金热变形行为展开研究。黄光杰[6]等在温度范围为200～450 ℃、应变速率为0.001～1 s-1范围内对不同合金微观组织演变规律进行研究，得出AZ31镁合金的临界应变与变形条件的定量关系。王忠堂[7]等研究了AZ31镁合金温热变形时的本构方程，利用泰勒展开式，忽略高阶无穷小，大大简化了本构方程，在一定范围内具有较高的精度，但在高应变速率下会失真。Ahmad I.R.等[8]在较大的应变速率、较低温度范围内对AZ31B镁合金进行压缩实验，在扫描电镜观察后得出应变速率和温度对合金流动应力、淬火性能和延展性的影响。汪凌云等[9]研究了AZ31镁合金热变形时平均再结晶晶粒尺寸与Z参数之间的定量关系，并获得了热挤压下细晶镁合金管材。随着国内外众多学者对高温下镁合金变形性能的深入研究，建立高精度、形式简单的AZ31镁合金温热变形本构方程是亟待解决的问题[10-13]。鉴于此，本文在Gleeble3500热力模拟实验机上，对AZ31镁合金进行了热压缩实验，建立了AZ31 镁合金热变形过程中较为准确且形式简单的本构方程，在此基础上，建立应变相关的流动应力预测模型，为确定AZ31镁合金热加工工艺参数提供基本数据，为热加工工艺的合理制定提供指导。

1 实验过程

本次实验材料为AZ31镁合金，其化学成分如表1所示。按照国家标准，采用线切割机截取并进行机加工修磨为Φ8 mm*12 mm的圆柱。实验前将2根热电偶丝的一端焊接在试样的中间位置，另一端连接在温控热电偶上以便检测试样温度的变化，并在圆柱表面的两端涂上润滑剂(75%左右的石墨，20%46#机油，5%硝酸三甲苯脂)，以便减小压缩试样与平面压头之间因摩擦对实验的影响。在Gleeble3500热力模拟机上进行热压缩变形。变形温度分别为250 ℃，300 ℃，350 ℃，400 ℃，应变速率分别为0.005 s-1，0.05 s-1，0.5 s-1，试样升温速率为10 ℃/s，保温3 min，最大压缩量60%，变形后空冷。

表1 AZ31镁合金化学元素含量Tab.1 Chemical elements content of AZ31 magnesium alloy (ω/%)

2 实验结果

图1所示为AZ31镁合金在不同温度和应变速率时的应力-应变关系曲线。如图1所示，一开始，流动应力随应变的增加而增大，到达峰值后又缓慢降低，最后趋于稳定，这表明镁合金在高温压缩试验中发生了动态回复和再结晶，在峰值应变之前，加工硬化占主导作用，随着变形程度增加，位错密度不断增加，致使动态回复和再结晶的速率加快，其软化作用增强，当二者达到动态平衡时，应力趋于稳定[14]。从图1还可以看出，在同一温度下，峰值应力随应变速率的增加出现得越晚，这表明增大应变速率不利于镁合金的动态回复和再结晶；在同一应变速率下，温度越高，所得峰值应力越小，这表明升高温度有利于镁合金的动态回复和动态再结晶。

图1 铸AZ31镁合金热变形应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of AZ31 magnesium alloys under different conditions

3 流动应力预测模型

3.1 流动应力本构方程的建立

镁合金在热压缩变形条件下的本构关系是非线性的，因而没有适用所有情况的本构方程。实验时常基于Sellars和Tegart 提出的双曲正弦形式的Arrhenius方程[15]来建立本构模型。该方程有以下三种形式:

(1)

(2)

(3)

对式(1)及(2)两边取对数后求偏导可得：

(4)

(5)

对式(3)两边取对数后运算可得：

(6)

(7)

图2 不同条件下变量之间的线性拟合图Fig.2 Linear fitting relationships between different variables

对式(3)变形可得：

(8)

将实验数据及上式所求α、Q、n带入式(8)可得A=2.23×1015.

最终得到的铸态AZ31 镁合金热变形本构方程为：

3．2 流动应力预测模型的修正

将式(3)求反后可得：

(9)

实验过程中，材料流变应力受塑性变形热和摩擦热的影响，为补偿较宽温度范围内温度对应力的影响，为此，在公式中引入温度补偿应变速率因子Z参数，即：

(10)

对式(10)变形可以得出：

(11)

根据双曲正弦函数的定义，又有：

(12)

因此可以简化式(9)，用Z参数的函数来表述塑性变形过程中的镁合金流变应力，即：

(13)

将计算所得α，A带入式(13)中，得：

(14)

3.3 流动应力预测模型的验证

为了验证本文所得方程的准确性，将实验所得对不同温度、不同应变速率的流动应力与根据流动应力预测模型计算所得流动应力进行相关性验证，如图3所示。从图3可以看出实验值与理论值的相关程度较好，相关系数高达0.993，故本文所得流动应力预测模型具有较好的预测精度。

图3 预测值与实验值的相关性验证Fig.3 Relative validation between predicted values and experimental values

4 结论

(1)AZ31镁合金高温压缩时发生了动态回复和再结晶，适当升高温度或者降低应变速率均有利于动态回复和再结晶的进行。

(3)在不同应变速率、不同温度下，将计算流动应力值与实测流动应力值进行相关性验证，其相关系数达0.993，相关程度较好，表明本研究所建立的AZ31 镁合金流动应力预测模型具有较好的精度。