余 琨, 蔡志勇, 薛新穎, 陳福文, 譚 欣, 胡亞男

(中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

半連續(xù)鑄造AZ31B鎂合金的熱壓縮變形行為

余 琨, 蔡志勇, 薛新穎, 陳福文, 譚 欣, 胡亞男

(中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

針對半連續(xù)鑄造的AZ31B鎂合金，采用Gleeble?1500熱/力模擬機(jī)在變形溫度為473~723 K、應(yīng)變速率為0.01~10 s?1、最大變形量為80%條件下進(jìn)行熱/力模擬研究；結(jié)合熱變形后的顯微組織，分析合金力學(xué)性能與顯微組織之間的關(guān)系。結(jié)果表明：當(dāng)變形溫度一定時，流變應(yīng)力和應(yīng)變速率之間存在對數(shù)關(guān)系，并可用包含Arrheniues項(xiàng)的Z參數(shù)描述半連續(xù)鑄造的AZ31B鎂合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力行為；實(shí)驗(yàn)合金在523 K時開始發(fā)生動態(tài)回復(fù)；隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，動態(tài)再結(jié)晶開始對AZ31B合金的變形行為產(chǎn)生明顯影響，在變形溫度623 K以上的各種應(yīng)變速率下，AZ31B鎂合金易變形。

AZ31B鎂合金；熱壓縮變形；流變應(yīng)力；組織演變

半連續(xù)鑄造(SC)獲得AZ31B鎂合金鑄錠進(jìn)行熱軋加工是目前最常采用的一種鎂合金板材的熱加工方式。經(jīng)過熱軋變形的鎂合金比一般壓鑄等其它工藝生產(chǎn)的鎂合金，具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的力學(xué)性能，可以滿足更多結(jié)構(gòu)件的需求[1?4]。但是，由于鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)屬于密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)，造成其壓力加工性能差，尤其在板材軋制過程中成品率低，限制了鎂合金板材的工業(yè)化應(yīng)用[5?6]。

為了研究AZ31B鎂合金的熱變形行為，研究其在不同溫度和不同應(yīng)變速率條件下的流變應(yīng)力變化規(guī)律是很重要的。流變應(yīng)力是描述鎂合金塑性變形性能的一個基本量，并對鎂合金變形行為的數(shù)值分析有重要作用。 ZHANG等[7]對熱變形過程中的各種動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制進(jìn)行了研究，并分析了變形條件對熱變形過程的影響。SIVAPRAGASH等[4]研究了ZE41A鎂合金熱變形過程的流變應(yīng)力行為，提出了修正過的流變模型并將模型與變形行為聯(lián)系起來分析組織演變。欒娜等[8]描述了變形溫度對流變應(yīng)力、顯微組織和變形機(jī)制的影響。王忠堂等[9]在溫度523~623 K、應(yīng)變速率0.01~1.0 s?1下進(jìn)行了熱模擬實(shí)驗(yàn)研究并得到了簡單的模型。但當(dāng)前對鎂合金的模擬研究多采用較低的應(yīng)變速率，分析變形過程的組織變化及其對合金性能的影響[3]，針對SC AZ31B鎂合金板材軋制過程的塑性變形本構(gòu)關(guān)系的研究則很少。為此，本文作者結(jié)合工廠生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)變形參數(shù)的選擇，對典型的SC AZ31B鎂合金在473~723 K高溫條件下的塑性變形行為進(jìn)行熱/力模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系建立SC AZ31B鎂合金高溫流變應(yīng)力的本構(gòu)方程，尤其是針對熱壓縮變形過程中高應(yīng)變速率條件下的流變應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和流變應(yīng)力行為進(jìn)行研究，得到SC AZ31B鎂合金熱變形過程的材料參數(shù)，并結(jié)合熱變形后的顯微組織，分析合金力學(xué)性能與顯微組織變化的關(guān)系。由于相關(guān)參數(shù)選擇更接近實(shí)際的生產(chǎn)工藝，因此，為合理制定AZ31B鎂合金板材熱軋制、擠壓和鍛造擠壓、鍛造和軋制等塑性變形加工工藝參數(shù)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用SC AZ31B鎂合金的化學(xué)成分見表1。合金經(jīng)(673 K, 16 h)均勻化退火后加工成直徑為 10 mm，高為15 mm的試樣。以石墨+機(jī)油作為潤滑劑減小試樣兩端與壓頭的摩擦力。熱模擬試驗(yàn)在Gleeble?1500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變速率為0.01、0.1、1、5和10 s?1，變形溫度為473、523、573、623、673和723 K，最大變形量為80%。采用Polyvar-MET金相顯微鏡觀察合金顯微組織。

表1 SC AZ31B鎂合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of SC AZ31B magnesium alloy (mass fraction, %)

2 結(jié)果與分析

2.1 流變應(yīng)力分析及本構(gòu)方程的建立

SC AZ31B鎂合金在不同變形條件下的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示。峰值流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低，隨著應(yīng)變速率的增大而升高，并且隨著變形溫度的升高峰值應(yīng)力所對應(yīng)的真應(yīng)變有所提前，最大真應(yīng)變接近1。變形溫度和應(yīng)變速率是對流變應(yīng)力的影響最明顯的物理量，變形溫度的升高或應(yīng)變速率的降低直接帶來應(yīng)力的降低。在實(shí)際的高溫變形過程中，絕大多數(shù)變形功轉(zhuǎn)化成熱量，直接影響其材料的塑性變形和相變、析出、動態(tài)回復(fù)及動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)應(yīng)變速率增加時，單位變形的時間縮短，導(dǎo)致動態(tài)再結(jié)晶需要的軟化過程的時間不足，應(yīng)變硬化相對加劇，合金的臨界切應(yīng)力升高，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力也相應(yīng)升高[10?12]。

采用包括變形激活能Q和變形溫度T的雙曲正弦形式修正Arrhenius關(guān)系來描述這種熱激活穩(wěn)態(tài)變形行為[13]：

式中:A，α和n均為與溫度無關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K；Q為變形激活能，kJ/mol。

假定AZ31B鎂合金在熱壓縮時流變應(yīng)力和應(yīng)變服從這些規(guī)律，并假定在溫度一定時，變形激活能是一個常數(shù)，由式(1)可得：

式(2)在低應(yīng)力水平(ασ<0.8)下接近lnε˙=lnA1+nln σ；在高應(yīng)力水平(ασ>1.2)下接近lnε˙=lnA2+βσ[14]。其中：A1，A2，n和β均為與溫度無關(guān)的常數(shù)；α，β和n之間存在關(guān)系：α＝β/n。

式中:A、α、n均為與溫度無關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

由式(3)可得到：

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(4)中可繪出ln[sinh(ασ)]—1000/T關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知，兩者呈線性關(guān)系，證明了SC AZ31B鎂合金高溫變形時流變應(yīng)力σ和變形溫度T之間可用包含Arrheniues項(xiàng)的Z參數(shù)描述高溫壓縮變形時的流變應(yīng)力行為。

圖1 SC AZ31B鎂合金在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress—strain curves of SC AZ31B alloy at different strain rates: (a) ε˙=0.01 s?1; (b) ε˙=0.1 s?1; (c) ε˙=1 s?1; (d) ε˙=5 s?1; (e) ε˙=10 s?1

圖2 SC AZ31B鎂合金熱壓縮流變應(yīng)力和應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.2 Relationship between stress and strain rate for SC AZ31B magnesium alloy: (a) lnε˙—σ; (b) lnε˙—lnσ

圖3 SC AZ31B鎂合金峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系Fig.3 Peak stress and steady-state flow stress as function of temperature reciprocal

變形溫度和應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響可由圖4直觀表示。由以上討論可知，SC AZ31B鎂合金在高溫塑性變形過程中流變應(yīng)力—應(yīng)變速率—變形溫度滿足雙曲正弦關(guān)系。由式(2)可得：

將Q的平均值代入式(3)可得SC AZ31B鎂合金的熱加工參數(shù)Z的近似表達(dá)式：

高溫穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力對應(yīng)變不敏感，因此，忽略應(yīng)變的影響，根據(jù)計(jì)算所得σ和n的平均值可得用Z參數(shù)表示的峰值應(yīng)力σ、應(yīng)變速率ε˙和溫度T的本構(gòu)關(guān)系式：

圖4 流變應(yīng)力—變形溫度—應(yīng)變速率關(guān)系曲線Fig.4 Curves of flow stress—temperature—strain rate

圖5 變形激活能與變形溫度、應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.5 Connection of apparent activation energy with deformation temperature and strain rate

2.2 顯微組織演變

圖6所示為SC AZ31B鎂合金變形前和變形后的組織形貌，合金中存在β(Mg17Al12)或β(Mg17(Al , Zn)12相。從圖6(a)可看到，該第二相呈斷續(xù)塊狀分布在α(Mg)基體晶界上與枝晶網(wǎng)胞間。在T=523 K，=0.01 s?1時，壓縮后合金的組織比較粗大，而且晶粒內(nèi)存在大量的孿晶(見圖6(b))。但孿生所引起的晶體變形量不會很大[15]，晶粒尺寸與鑄態(tài)的晶粒尺寸相當(dāng)；隨著應(yīng)變速率的升高(=5 s?1)，原始晶粒發(fā)生破碎，變形后的晶粒較細(xì)小，孿晶發(fā)生在幾個晶粒之間(見圖6(c))。低溫下鎂合金變形機(jī)制主要為基面滑移和孿生[16]，因此，低溫條件下應(yīng)力水平高，材料難于變形。但在523 K下動態(tài)回復(fù)剛剛開動，圖6(b)中出現(xiàn)的鋸齒狀晶界為典型的動態(tài)回復(fù)開動的部位[16]。

圖6 SC AZ31B鎂合金變形前、后的組織形貌Fig.6 Microstructures of SC AZ31B magnesium alloys before and after hot-work deformation: (a) Before deformation; (b)T= 523 K, ε˙=0.1 s?1; (c)T= 523 K, ε˙=5 s?1; (d)T= 673 K, ε˙=1 s?1; (e)T= 673 K, ε˙=5 s?1

隨著變形溫度的升高，動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶提供的軟化過程成為此時材料變形的主要機(jī)制[16]。合金在T=673 K變形后，再結(jié)晶組織非常明顯(見圖6(d)和(e))。在該變形溫度下，材料的應(yīng)力水平低并且很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段，易于變形；應(yīng)變速率越低，再結(jié)晶過程的時間越長，原子的熱激活過程增強(qiáng)，原始晶粒被消耗得越多，形成完全再結(jié)晶區(qū)域也就越大；同時，位錯的活動能力也增強(qiáng)，軟化過程更為突出。在較高應(yīng)變速率(ε˙=5 s?1)下，變形后的晶粒比在較低應(yīng)變速率(ε˙=5 s?1)下的小很多，再結(jié)晶進(jìn)行得不充分，部分晶粒甚至不到10 μm。

3 結(jié)論

1) SC AZ31B鎂合金的峰值流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低，隨著應(yīng)變速率的增大而增加，并且應(yīng)力峰值所對應(yīng)的真應(yīng)變隨著變形溫度的升高而有所提前。

2) 當(dāng)變形溫度一定時，流變應(yīng)力和應(yīng)變速率之間存在對數(shù)關(guān)系，平均線性相關(guān)系數(shù)大于0.97。用包含Arrheniues項(xiàng)的Z參數(shù)描述SC AZ31B鎂合金在高溫壓縮變形時的流變應(yīng)力行為。變形激活能隨著變形溫度和應(yīng)變速率的增加而增加，合金的激活能在523~573 K出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折后升高得較快。用Z參數(shù)表示的峰值應(yīng)力σ、應(yīng)變速率ε˙和溫度T的本構(gòu)關(guān)系式為：

3) SC AZ31B鎂合金在T=523 K時開始發(fā)生動態(tài)回復(fù)；隨著變形溫度的升高、應(yīng)變速率的降低，動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得更充分；在T≥623 K時，合金易變形。

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(編輯 楊 華)

Hot-compressive deformation behavior of semi-continuous cast AZ31B magnesium alloy

YU Kun, CAI Zhi-yong, XUE Xin-ying, CHEN Fu-wen, TAN Xin, HU Ya-nan
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The deformation behaviors of AZ31B magnesium alloy at different strain rates of 0.01?10 s?1and different deformation temperatures of 473?723 K were investigated by using Gleeble-1500 simulator with a maximum strain of 80%. The microstructure of the experimental alloy was studied after the hot-compression procedure. The result shows that the relationship among the peak flow stress, strain rate and temperature can be described byZparameter containing Arrheniues item. The strain rate and the deformation temperature are the key parameters affecting the alloy deformation activation energy. Dynamic recovery starts at the temperature of 523 K. With increasing the temperature or decreasing the strain rate, the dynamic recrystallization procedure has great influence on the deformation behavior. The alloy is easy to deform at the temperature above 623 K.

AZ31B magnesium alloy; hot-compressive deformation; flow stress; microstructure evolution

TG146.2

A

中國?美國?加拿大聯(lián)合國際合作資助項(xiàng)目“鎂質(zhì)車體前端結(jié)構(gòu)研究與開發(fā)”(MFERD)

2009-11-27；

2010-03-02

余 琨，副教授, 博士；電話：13975808242；E-mail：kunyugroup@163.com

1004-0609(2010)11-2075-06