陳名濤，肖小亭，程永奇，黃育忠，楊長毅

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州 510006)

鎂合金具有眾多優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，且室溫成形的鎂合金產(chǎn)品力學(xué)性能好，對設(shè)備要求低.但鎂合金作為密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)材料，其滑移系少，室溫下塑性變形容易破裂，從而限制了鎂合金室溫成形的發(fā)展［1-3］.目前，受設(shè)備的限制，大部分鎂合金室溫成形的研究主要在液壓機(jī)的恒速模式下進(jìn)行［4-6］，鮮有關(guān)于變速模式對鎂合金室溫成形研究方面的報(bào)道.

相比普通曲柄壓力機(jī)和液壓機(jī)，伺服壓力機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)速度和位移的可控，為鎂合金成形工藝提供了新的發(fā)展思路［7-8］.MATSUMOTO 等［9］采用伺服壓力機(jī)在高溫下進(jìn)行了鎂合金鐓粗實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，減速模式能使鎂合金成形極限提高30%.程永奇等［10］采用伺服模式進(jìn)行鎂合金反擠壓實(shí)驗(yàn)，獲得了較好的產(chǎn)品效果.本文作者前期采用機(jī)械伺服壓力機(jī)在變形溫度為300℃下進(jìn)行鎂合金鐓粗實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曲柄減速模式下有利于細(xì)化鎂合金晶粒，提高其力學(xué)性能［11］.因此，伺服壓力機(jī)在鎂合金塑性成形方面顯示其潛能.

本文基于伺服壓力機(jī)進(jìn)行鎂合金室溫壓縮實(shí)驗(yàn)研究，以曲柄勻速驅(qū)動(dòng)和曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)兩種模式進(jìn)行對比，研究鎂合金變速模式微觀組織和硬度變化，以期為鎂合金室溫變速成形工藝提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料采用鑄態(tài)鎂合金AZ31，其成分為Mg-3%Al-1%Zn.將鎂錠在400℃和10 h下進(jìn)行均勻化退火處理，沿鑄錠軸線取Φ10 mm×15 mm的圓柱試樣.采用GPS1100機(jī)械伺服壓力機(jī)進(jìn)行鎂合金室溫壓縮實(shí)驗(yàn).以曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式(A)和曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式(B)為變形速率進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)勻速驅(qū)動(dòng)模式和單向減速驅(qū)動(dòng)模式是基于壓力機(jī)曲柄轉(zhuǎn)速的恒定和變化而定，圖1為由曲柄轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為滑塊的變形速率-變形量曲線.變形量為 5%、10%、15%、20%、25%和30%.由圖1可以看到，變形量為30%時(shí)，試樣斷裂.壓縮后沿著軸線取試樣橫截面經(jīng)過磨光和拋光再進(jìn)行腐蝕后，在MR5000光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察，金相觀察區(qū)域(大變形區(qū))如圖2所示，腐蝕劑為4.2 g苦味酸+10 mL水+10 mL乙酸+100 mL無水乙醇.采用HV-1000維氏硬度計(jì)進(jìn)行試樣硬度檢測，每個(gè)試樣取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，加載壓力為0.98 N，保壓20 s，測量其對應(yīng)的棱形對角線長度，查表獲得硬度值.

圖1 兩種壓縮變形速率曲線

結(jié)合有限元對鎂合金在不同速度模式下壓縮行為進(jìn)行模擬分析，為減少模擬時(shí)間，壓縮試樣采用1/4簡化對稱模型.模型尺寸與壓縮實(shí)驗(yàn)尺寸一致，壓縮模具設(shè)置為剛性，最小網(wǎng)格單元體尺寸為0.325 mm.模具和試樣間的摩擦條件為剪切摩擦，摩擦系數(shù)為0.12，變形溫度設(shè)置為室溫.

圖2 金相觀察區(qū)域示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 變形量對微觀組織的影響

鎂合金鑄錠經(jīng)過均勻化處理后，晶粒粗大且不均勻，平均晶粒尺寸約為93 μm，第二相基本消失，均勻化處理后的微觀組織如圖3所示.

圖3 鎂合金均勻化處理后組織

圖4是兩種變形速率下不同變形量的鎂合金組織形貌，可以看到，當(dāng)變量為5%時(shí)，如圖4(a)和(f)，少量粗大晶粒內(nèi)部產(chǎn)生寬度較大的孿晶組織，多組孿晶基本平行且數(shù)量較少.隨著變形量的增大，孿晶細(xì)而長，且密度增大，多組平行孿晶相互交錯(cuò)，形成一定角度.變形量為25%時(shí)，細(xì)長的平行孿晶交錯(cuò)纏結(jié)布滿整個(gè)組織形貌.

作為密排六方結(jié)構(gòu)的材料，鎂合金在室溫下可以啟動(dòng)的滑移系少，孿生則使得晶粒轉(zhuǎn)向?yàn)橛欣∠颍龠M(jìn)新的滑移和孿生進(jìn)行.與滑移相似，需要達(dá)到一定的臨界切應(yīng)力才能發(fā)生孿晶，通常孿晶所需臨界切應(yīng)力比滑移的大，因此，應(yīng)力集中處多為孿生發(fā)生的區(qū)域［12］.當(dāng)變形量小時(shí)，應(yīng)力集中程度弱，同時(shí)，與細(xì)晶相比，粗晶內(nèi)位錯(cuò)滑移程度大，晶界附近的應(yīng)力集中更為明顯，導(dǎo)致變形程度小時(shí)，少量孿晶產(chǎn)生于粗大晶粒內(nèi).隨著變形量增大，應(yīng)力集中加劇以及晶粒轉(zhuǎn)向更多趨于有利于進(jìn)一步孿生的發(fā)生，使得孿晶數(shù)量增多［13-14］.

圖4 兩種變形速率下不同變形量的組織形貌

此外，從孿晶形貌上可分為拉伸孿晶和壓縮孿晶，拉伸孿晶形貌通常為透鏡凸起狀，壓縮孿晶形貌通常為窄帶扁平狀［4，15］.圖 4(a)和(f)所示為拉伸孿晶，圖4(d)和(i)為壓縮孿晶.有研究表明［16］:孿晶為拉伸孿晶，因其位錯(cuò)芯寬，可動(dòng)性較強(qiáng)，易于發(fā)生;孿晶為壓縮孿晶，位錯(cuò)芯細(xì)，發(fā)生所需能量高，可動(dòng)性差，使得該孿晶只能向長度方向生長.因此，變形量由小變大，應(yīng)力集中逐漸加劇，使得孿晶形貌和數(shù)量產(chǎn)生上述不同的影響效果.

2.2 變形速率對微觀組織的影響

孿生通常在低溫和高應(yīng)變速率下發(fā)生，除溫度和變形量外，變形速率對鎂合金孿生組織具有重要影響.圖1所示為壓縮速度曲線，試樣變形速率較高，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式(B)是基于曲柄勻速模式驅(qū)動(dòng)模式(A)下進(jìn)行減速.對比圖4(a)和(f)，變形量均為5%時(shí)，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下孿晶寬度大，長度較短;曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式下孿晶長而細(xì).變形速率大，應(yīng)力集中更嚴(yán)重，為孿生提供能量更多，圖5(a)與(b)和圖6(a)與(b)為通過有限元分析所得兩種速度模式下，在變形初期試樣等效應(yīng)變速率和等效應(yīng)力分布云圖，金相觀察區(qū)域?qū)?yīng)的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變速率均明顯集中，曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式下觀察區(qū)域的等效應(yīng)變速率較高，約為2.38 s-1，使得產(chǎn)生窄帶扁平狀的孿晶趨勢增強(qiáng);曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式對應(yīng)的等效應(yīng)變速率較小，約為1.9 s-1，在此階段則趨于產(chǎn)生凸起狀孿晶，寬而短.隨著變形繼續(xù)進(jìn)行，孿晶形貌由透鏡狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長孿晶，曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式下孿晶分布較為散亂，不同方向的孿晶交錯(cuò);而曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下孿晶分布較為規(guī)律，多組平行孿晶相互交叉，孿晶致密且數(shù)量多.

圖5(c)和圖6(c)為試樣在曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式下25%變形量的等效應(yīng)變速率和等效應(yīng)力云圖，可以看到，檢測區(qū)域的等效應(yīng)變速率仍高達(dá)1.71 s-1，等效應(yīng)力為370 MPa.這表明試樣變形過程中應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，孿生容易發(fā)生，導(dǎo)致晶粒內(nèi)孿晶基本保持一個(gè)方向，僅有少量孿晶相互交叉;另一方面，由于速度較快，晶粒取向來不及轉(zhuǎn)為有利于進(jìn)一步孿生發(fā)生的方向，使得孿生無序發(fā)生.圖5(d)和圖6(d)是曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下，試樣的等效應(yīng)變速率和等效應(yīng)力云圖，可以看到，檢測區(qū)域變形速率小于0.15 s-1，且等效應(yīng)力減小，整個(gè)過程中減速幅度較大，每個(gè)晶粒內(nèi)多組可能發(fā)生的孿晶系具有足夠的時(shí)間進(jìn)行孿生，因此，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式出現(xiàn)多組平行孿晶相交現(xiàn)象.劉天模和夏偉軍等［5-6］采用不同恒定變形速率進(jìn)行了鎂合金室溫壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著變形速率的增高，孿晶致密，孿晶基本保持一致方向.而在低速下，多組平行孿晶交叉.

圖5 試樣等效應(yīng)變速率分布云圖(s-1)

圖6 試樣等效應(yīng)力分布云圖(MPa)

2.3 變形速率對試樣硬度的影響

圖7為兩種速度模式下試樣硬度和變形量變化曲線，可以看到，兩種速度模式下硬度變化呈現(xiàn)先增大后減少再增大的趨勢.這可能是由于在變形初期，變形速率大，加工硬化程度迅速上升，導(dǎo)致硬度增大.變形速度降低，孿生應(yīng)力提高，從而一定程度抑制了孿生的發(fā)生，硬度則降低［15］.變形量的增加，速度控制對硬度的貢獻(xiàn)并不是主要因素，兩種速度模式下硬度值趨于一致.與曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式相比，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下硬度總體較小.這是因?yàn)樗钁?yīng)力隨著變形速率減小而提高［17］，因此，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下孿生取代滑移進(jìn)行的幾率減小，孿生產(chǎn)生的傾向減小，則材料硬度在曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下整體較小.

圖7 兩種速度模式下硬度變化

圖8為有限元分析得到的兩種速度模式下試樣壓縮所需載荷變化圖.由圖8可知，試樣壓縮所需的載荷迅速增加至約4 000 N，隨著變形繼續(xù)進(jìn)行，載荷增加速率減緩.變形量小于10%時(shí)，兩種速度模式下試樣壓縮所需要的載荷基本相等.曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式和曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下試樣所需最大載荷分別約為11 800和10 800 N，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下試樣壓縮所需載荷整體較小.結(jié)合上述硬度變化可知，曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式和單向減速驅(qū)動(dòng)模式在最終成形階段硬度基本達(dá)到相同，這表明在獲得相同性能前提下，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式有利于降低試樣的成形力，降低設(shè)備噸位要求，有助于能源節(jié)約.

圖8 兩種速度模式下壓縮載荷變化(有限元分析結(jié)果)

3 結(jié) 論

1)在曲柄勻速驅(qū)動(dòng)和曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)兩種模式下，變形初期主要在粗大晶粒內(nèi)形成少量平行的拉伸孿晶，隨著變形量增大，應(yīng)力集中加劇，孿晶密度增大，孿晶數(shù)量增多且相互交叉.

2)曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下，變形試樣微觀組織呈現(xiàn)多組平行孿晶相互交叉，孿晶分布較為規(guī)律，孿晶形貌由透鏡凸起狀轉(zhuǎn)變窄帶扁平狀;曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式下，試樣少量平行孿晶相互交叉，分布較為集中，孿晶形貌以窄帶扁平狀的壓縮孿晶為主.

3)與曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式相比，曲柄單向減速驅(qū)動(dòng)模式下壓縮試樣整體硬度較小，但最終變形階段其硬度與曲柄勻速驅(qū)動(dòng)模式下基本相等，試樣壓縮所需的載荷較小.采用單向減速模式有利于在保證性能前提下，節(jié)約能源.

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