沙桂英, 孫曉光, 劉 騰,3, 朱宇宏, 馮曉剛

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110136;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001;3.美國(guó)韋恩州立大學(xué)機(jī)械工程系,密歇根州底特律 48202)

在航空、航天、汽車及其它軍事和民用工業(yè)領(lǐng)域,構(gòu)件經(jīng)常會(huì)遇到?jīng)_擊、高速碰撞、爆炸等動(dòng)態(tài)加載情況,構(gòu)件的失效與材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)。如：在高應(yīng)變率下,由于變形過(guò)程往往會(huì)產(chǎn)生絕熱效應(yīng),從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生熱軟化,這種熱軟化會(huì)引起材料產(chǎn)生絕熱剪切失穩(wěn)而導(dǎo)致構(gòu)件失效。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼、鈦及鈦合金、鋁合金、鎂合金以及復(fù)合材料等在高應(yīng)變率下的變形行為均有報(bào)道[1～8]。E.El-Magd等人[9]對(duì) AA7075,AZ80, Ti6Al4V等輕質(zhì)變形合金在不同溫度、不同應(yīng)變率下的拉伸、壓縮變形與斷裂行為進(jìn)行了較為深入的研究,探討了應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度對(duì)變形和斷裂應(yīng)力的綜合作用,結(jié)果表明：室溫下,在不同的確定的應(yīng)變、應(yīng)變率下三種合金都產(chǎn)生了變形局部化。胡昌明[10]等對(duì)高溫、高應(yīng)變率下 MB2鎂合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形機(jī)理的研究表明,在沖擊載荷下,MB2合金的變形表現(xiàn)在一定滑移方向的帶狀陣列的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象,其變形機(jī)理主要是一定滑移系上晶粒的長(zhǎng)大、滑移,斷裂破壞是由于一定滑移系上晶粒的長(zhǎng)大變形至一定的臨界值所致。Wu X L等人[11]在沖擊載荷作用下AZ31鎂合金變形行為研究中發(fā)現(xiàn)合金產(chǎn)生了變形局部化現(xiàn)象。由此可見(jiàn),鎂合金在高應(yīng)變下的變形機(jī)制比較復(fù)雜,需要加強(qiáng)深入的研究。另外,對(duì)鎂合金添加稀土進(jìn)行合金化一直是新型鎂合金開發(fā)研究的熱點(diǎn)之一,但對(duì)其高應(yīng)變率力學(xué)行為的研究則很少[12]。因此,研究稀土鎂合金在高應(yīng)變率下的變形行為與機(jī)制對(duì)其工程應(yīng)用具有重要的意義。本研究以Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金為對(duì)象,研究了添加少量稀土Sc對(duì)Mg-3Li合金在高應(yīng)變率下變形行為的影響,并探討了其影響機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)所用兩種合金的名義成分分別為 Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc,采用真空感應(yīng)爐熔煉、澆鑄。利用分離式Hopkinson壓桿進(jìn)行高應(yīng)變率沖擊壓縮實(shí)驗(yàn),應(yīng)變率在 103s-1量級(jí),試樣尺寸為 φ7 mm×8 mm。采用Matlab及Origin軟件對(duì)沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲取試樣在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。利用Olympus GX71光學(xué)顯微鏡觀察、分析合金顯微組織的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同合金的顯微組織

Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金的顯微組織如圖1所示。

圖1 Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of the Mg-3Li and Mg-3Li-1Sc alloys (a)Mg-3Li;(b)Mg-3Li-1Sc

可見(jiàn),Mg-3Li合金由單一的α相組成,晶粒較粗大、尺寸不均勻、形狀也不很規(guī)則,統(tǒng)計(jì)顯示其平均晶粒度約為220μm(圖1a)。加入少量Sc后,組織出現(xiàn)較明顯的變化,晶粒尺寸減小、均勻性改善,平均晶粒度約為160μm,且晶界較平直(圖1b)。此外,Mg-3Li-1Sc合金組織中存在大量細(xì)小的顆粒狀第二相,該相可基本確定為MgSc相[13]。

2.2 不同合金高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為

圖2示出了Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金在不同應(yīng)變率下沖擊后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖2可見(jiàn),Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為的應(yīng)變率效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率范圍內(nèi)表現(xiàn)出相同的規(guī)律。即：在 1350～3000s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),流動(dòng)應(yīng)力隨著應(yīng)變率的提高不斷升高,應(yīng)力-應(yīng)變行為表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng);而當(dāng)應(yīng)變率繼續(xù)升高至 3500s-1時(shí),兩種合金的流動(dòng)應(yīng)力均下降,合金的應(yīng)力-應(yīng)變行為表現(xiàn)出應(yīng)變率弱化效應(yīng)。而且,在 1350～3500s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),兩種合金的應(yīng)力-應(yīng)變行為均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。

圖2 不同合金在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Dynamic stress-strain curves of the tested alloys athigh strain rates (a)Mg-3Li;(b)Mg-3Li-1Sc

圖3 不同合金的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度-應(yīng)變率關(guān)系Fig.3 Dynamic yield strength of the Mg-3Liand Mg-3Li-1Sc alloys as function of strain rate

由圖3所示的Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度-應(yīng)變率變化曲線可知,在相同應(yīng)變率下,Mg-3Li-1Sc合金的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度均明顯高于Mg-3Li合金。尤以3000s-1應(yīng)變率時(shí)最為突出,Mg-3Li合金的屈服應(yīng)力僅為122MPa,而Mg-3Li-1Sc的屈服應(yīng)力則達(dá)到了180MPa,提高約48%。這說(shuō)明少量Sc的加入能明顯提高M(jìn)g-3Li合金在高應(yīng)變率條件下的變形抗力。但隨著應(yīng)變率的繼續(xù)提高,二種合金的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力均下降。從實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣的宏觀表現(xiàn)來(lái)看,Mg-3Li合金在3500s-1應(yīng)變率下沖擊后試樣表面已出現(xiàn)了裂紋;而Mg-3Li-1Sc合金在整個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率范圍內(nèi)試樣均無(wú)宏觀裂紋產(chǎn)生,顯示出了較好的沖擊變形能力。因此,少量Sc的加入使Mg-3Li合金沖擊抗力明顯提高的同時(shí)仍保持良好的沖擊變形能力。

2.3 不同合金高應(yīng)變率沖擊后的顯微組織

圖4示出了兩種合金在不同應(yīng)變率下沖擊后的顯微組織變化。

圖4 兩種合金經(jīng)不同應(yīng)變率沖擊變形后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the tested alloys impacted at different strain rates (a)Mg-3Li,3000s-1; (b)Mg-3Li,3500s-1;(c)Mg-3Li-1Sc,3000s-1;(d)Mg-3Li-1Sc,3500s-1

通常,具有密排六方結(jié)構(gòu)的多晶鎂合金的塑性變形方式是以滑移和孿生為主,滑移主要為{0001}基面滑移和柱面滑移,而孿生最先發(fā)生在錐面[14]。在高應(yīng)變率沖擊條件下,由于加載時(shí)間極短,試樣的變形過(guò)程在瞬間即告完成。雖然基面滑移較易進(jìn)行,但因變形速度快,所以在沖擊變形過(guò)程中很容易產(chǎn)生孿晶。從圖 4a,b可見(jiàn),當(dāng)應(yīng)變率在 3000s-1時(shí), Mg-3Li合金的沖擊變形組織內(nèi)晶粒產(chǎn)生明顯變形,且晶內(nèi)出現(xiàn)部分孿晶,局部區(qū)域沿與沖擊應(yīng)力呈45o方向產(chǎn)生了較明顯的裂紋;當(dāng)應(yīng)變率達(dá)3500s-1時(shí),合金晶體內(nèi)裂紋進(jìn)一步發(fā)展。而由圖 4c,d可知,在3000s-1應(yīng)變率下沖擊后,Mg-3Li-1Sc合金組織中的晶粒變形更加明顯,晶內(nèi)孿晶也增多,局部區(qū)域只產(chǎn)生了不連續(xù)的、細(xì)的微裂紋,直到 3500s-1應(yīng)變率時(shí)才出現(xiàn)了明顯的裂紋,且裂紋的特征與 Mg-3Li合金有所區(qū)別,有些裂紋的擴(kuò)展路徑偏離了與沖擊應(yīng)力呈 45o的方向,顯示出該合金抵抗裂紋擴(kuò)展的能力有所提高。

另外,在Mg-3Li合金加入少量的Sc起到了細(xì)化晶粒、均勻化組織的作用,這也是Mg-3Li-1Sc合金在高應(yīng)變率變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度提高而提高沖擊變形抗力的一個(gè)重要原因。與此同時(shí),Sc在Mg-3Li-1Sc合金中形成了具有立方結(jié)構(gòu)的MgSc相,該相彌散分布在基體中,可起到較好的第二相強(qiáng)化和協(xié)調(diào)變形作用。當(dāng)擴(kuò)展的裂紋遇到第二相時(shí),可改變裂紋的擴(kuò)展方向而在一定程度上緩解應(yīng)力集中,從而提高該合金的變形能力、減輕其脆化傾向。

綜上所述,在 1350～3000s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),因加工硬化隨應(yīng)變率的提高不斷增強(qiáng),Mg-3Li合金和Mg-3Li-1Sc合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為均表現(xiàn)出了較明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng);而當(dāng)應(yīng)變率繼續(xù)升高至3500s-1時(shí),兩種合金由于組織內(nèi)產(chǎn)生的裂紋損傷導(dǎo)致合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為表現(xiàn)出了應(yīng)變率弱化效應(yīng)。而且,在 1350～3500s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),由于少量Sc的加入,使Mg-3Li-1Sc合金組織細(xì)化及形成細(xì)小彌散的MgSc相,由此產(chǎn)生的強(qiáng)化使Mg-3Li-1Sc合金表現(xiàn)出了更高的沖擊變形抗力。

3 結(jié)論

(1)在1350～3000s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),Mg-3Li合金和Mg-3Li-1Sc合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為均表現(xiàn)出了較明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng);而當(dāng)應(yīng)變率繼續(xù)升高至 3500s-1時(shí),兩種合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為又表現(xiàn)出了應(yīng)變率弱化效應(yīng)。合金組織內(nèi)產(chǎn)生的裂紋損傷是合金動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變率弱化效應(yīng)的主要原因。

(2)在 1350～3500s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),Mg-3Li-1Sc合金的沖擊變形抗力顯著高于Mg-3Li合金。主要是由于少量Sc的加入,使Mg-3Li-1Sc合金的組織細(xì)化和形成了細(xì)小彌散的MgSc相的綜合強(qiáng)化所致。

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