AZ91D镁合金薄板的单向拉伸实验研究

2024-01-05种习文邓沛然

模具技术 2023年6期

种习文,邓沛然,徐辉

(上海工程技术大学材料科学与工程学院,上海 201620)

0 引言

镁合金是一种具有优异性能的金属结构材料,它由镁和其他元素组成,具有低密度、高比强度和比刚度、出色的阻尼减震性能、良好的导热性和机械加工性能等优点,已经被广泛应用于航空航天、汽车、3C等多个领域[1-5]。随着社会生产力的快速发展,传统金属铁、铝、铜等金属的需求量不断增大,逐渐呈现供不应求的状态,作为重要有色金属之一的镁合金不仅是世界上最丰富的矿产资源之一,而且中国的镁资源储量排在全球第一,占比将近22.5%,大力发展镁产业不仅能够缓解其他金属资源的短缺问题,而且可以满足当今轻量化、环保化的发展需求。目前,镁合金成型的方式有铸造和变形两种,大部分镁合金零件的加工是通过铸造方式进行的,常用的是压铸工艺,比如汽车壳体、电气构件、机件壳罩等,但镁合金铸件容易出现各种各样的缺陷,比如疏松、夹渣、裂纹、气孔等,导致铸件晶粒粗大、力学性能差,严重影响其质量,很大程度上限制了镁合金的应用。通过塑性成型技术,伴随热处理技术的应用,变形镁合金可以获得更优良的力学性能,例如更高的强度和更好的延展性,从而满足各种工程零部件的需求。这类材料常用于制作薄板、锻件和挤压件等。一些常用的加工方式包括挤压、轧制、锻造和冲压等。但是,由于镁合金具有密排六方晶体结构(hcp),在(0001)基面上仅有两个独立的滑动系,使得镁合金塑性变形时位错的滑移变得极其困难,从而导致镁合金在常温下的塑性较低,但随着温度的升高,它的塑性会得到显著的提高。因此,研究镁合金的热成型可以为实际生产提供重要的参考[6-8]。本文深入探讨了AZ91D镁合金薄板(1mm)的单向拉伸性能,特别是在高温条件下的软化效应,并对拉伸试样的断口形态、断裂机理及过程进行了详细的分析。

1 实验材料

本次实验选择了1mm厚的AZ91D镁合金薄板,其化学组成如表1所示。然后使用电火花线切割机,沿板的轧制方向按照图1的尺寸切割成实验所需的拉伸试样。

图1 单向拉伸试样Fig.1 Uniaxial tensile specimen

表1 AZ91D镁合金化学组成(质量分数,%)

2 实验设备

在本次拉伸实验中,使用的是上海工程技术大学材料科学与工程学院的Gleeble-3800热模拟试验机,如图2所示,实验选择了8个温度条件,分别为25, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400℃,另外选择了1×10-1, 1×10-2, 1×10-3三种不同的应变速率,实验过程为:以20℃/s的升温速率将温度升至指定温度,保温3min后,以相应的应变速率对样品进行单向拉伸。

图2 Gleeble-3800热模拟试验机Fig.2 Gleeble-3800 thermal simulation testing machine

3 拉伸实验结果及分析

在不同温度下分别以3种不同的应变速率在热模拟试验机上对试样进行了单向拉伸实验,所有实验结果如图3和图4所示,根据实验结果总结出材料的单向拉伸特点如下。

(a) T=25℃

图4 不同应变速率时的真实应力应变曲线

(1) 拉伸试样在拉伸的过程中,存在冷作硬化和形状硬化效应,如果没有软化过程,材料的真实应力会随着应变的增大而不断增大,在引入温度这个因素之后,随着温度的升高,真实应力在达到峰值之后开始下降。当温度升高到250℃以上,真实应力应变曲线下降幅度变大,说明此时材料的软化效应很强烈。应力峰值对应着加工硬化和软化效应达到了平衡,材料的中高温变形是伴随着加工硬化和软化效应进行的。由于镁及镁合金在室温下基面上仅有两个可动的滑移系,位错的滑移不容易进行,所以镁及镁合金的变形以孪生为主。此外,由于镁合金层错能较低,扩展位错比较宽,容易导致位错缠结,形成位错密度更大的位错网络,但自身又很难挣脱出来,这就成了新的位错滑移障碍。随着温度的升高,原子运动能力增强,晶界的迁移扩散能力也随之增强,在晶界处塞积的位错密度降低,位错重新排列后继续进行滑移,材料变形的抗力降低,同时也出现了动态再结晶、动态回复和动态再结晶[9-10],导致材料出现了软化,温度越高,软化效应越强烈,尤其当温度升高到350℃以上,材料出现了稳态流动现象[11],应力应变曲线上出现了应力平台。

(2) 在同一温度下,当应变速率为1×10-1时,应力峰值最大,这是因为随着变形速率的增加,会导致位错来不及攀移,在晶界处会出现严重的位错塞积,驱动变形继续进行需要更大的外力作用,而随着应变速率的降低,应力峰值减小,材料延伸率增大,塑性提高。但是,在较高温度下时,变形速率过快会抑制动态回复和动态再结晶所引起的软化效应,导致在较高温度下时,随着应变速率的增大,真实应力应变曲线向上、向右移动,应力峰值对应的应变增大。

(3) 当温度较低时,随着应变速率的改变,流动应力应变曲线变化趋势大致相同,而当温度升高到250℃以上,由于材料发生了动态再结晶,软化效应进一步加强,材料表现出明显的应变速率敏感性。

(4) 图5为材料的屈强比随温度变化的趋势图,从图中可以看出,随着温度升高,屈强比先降低后升高,说明温度超过200℃以后,随温度升高,屈服强度下降的幅度要低于抗拉强度下降的幅度,材料会逐渐出现稳态流动现象,此时材料内部流动应力会变得更加均匀,从而使材料内部的变形也更加均匀,使材料在高温下具有较好的塑性。另外,在同一温度下,应变速率增大,屈强比降低,材料的延伸率升高。

图5 屈强比随温度变化趋势图Fig.5 The variation trend of yield ratio with temperature

4 金相组织分析

选择原始试样以及应变速率为1×10-3时,25, 100, 150, 200,250 300, 350℃温度下的拉伸试样,用金相显微镜对原始材料和不同温度下拉伸试样断口处的显微组织进行了观察,如图6所示,低温下,晶粒沿着拉伸方向伸长,组织中出现大量的孪晶,晶体发生孪生过程后自身的取向发生了改变,使得一些不利位置的滑移系变化到更容易发生滑移的位置,促进了晶体进一步的滑移和变形。因此,镁合金在低温下的塑性变形是以滑移和孪生双重机制来实现的。在250℃时,有许多细小的新晶粒出现在晶界附近,呈现出“项链”结构,这是典型的再结晶特征[12-13],说明该温度下已经发生了动态再结晶。温度继续升高达到300℃时,晶粒进一步长大,再结晶晶粒会逐渐吞噬原始晶粒,晶粒度明显降低,新的小晶粒出现在晶界附近,这表明,随着变形的进行,在原再结晶晶粒内部会产生新的位错,位错不断滑移导致新的位错塞积,从而促使原再结晶组织晶粒晶界弓出形核,继续产生了新的无畸变的等轴新晶粒。在350℃时仍继续发生着再结晶过程,就这样不断地出现形核、长大、再形核、再长大,说明在材料变形过程中,动态再结晶在持续发生着。

(a) 原始晶粒

5 断口形貌分析

从图7可以看出,在不同的温度条件下,拉伸试样的断口形态表现出明显的韧窝断裂特征,在常温下,韧窝的数量较少、且浅,但随着温度的上升,韧窝的数量和深度都会增加,呈现出明显的韧窝聚集性断裂特征[14];此外,随着变形的增加,微孔壁也会变得越来越薄,最终导致韧窝以撕裂的方式相互连接。当温度上升时,150℃时会出现较大的韧窝。这是因为在应力持续作用下,组织中产生的显微孔洞不断聚集,形成更大的孔洞。此外,还会产生新的小孔洞,这些孔洞会继续扩大,直到材料断裂。而当温度升高到200℃时,韧窝的数量增多,深度也加深,这表明此时材料的塑性较好。温度升高到250℃时,韧窝数量减少,并且大部分都比较浅,这是由于发生了动态再结晶,随着大量无畸变等轴新晶粒的生成,材料内位错密度降低,位错塞积减少,位错塞积导致的应力集中减少,导致材料在断裂时形成的微孔数量减少,进而导致韧窝数量变少。300℃时,因为颈缩比较强烈,断口面积快速减小,再加上伴随着动态再结晶的持续进行,只出现几个比较深的韧窝。350℃和400℃时,几乎看不到韧窝形貌,因为此时材料塑性变形方式完全以晶界滑移和扩散性蠕变为主。