耿長建，武保林，劉 芳，佟文偉，韓振宇

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110136）

0 引言

鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、鑄造性能較好、電磁屏蔽能力較強(qiáng)以及易于再生利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿颓巴镜牟牧稀?。其結(jié)構(gòu)件在汽車、飛機(jī)、計(jì)算機(jī)、通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1-3]。AZ31B變形鎂合金具有良好的延展率和較高的強(qiáng)度，是目前應(yīng)用最廣泛的擠壓變形鎂合金，在不同的加載方向下呈現(xiàn)各向異性。文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為不同的孿生變形機(jī)制是鎂合金呈現(xiàn)各向異性的主要原因。通常認(rèn)為，在平行于晶粒的c-軸有拉應(yīng)變時產(chǎn)生{10-12}拉伸孿生，而在平行于晶粒的c-軸有壓應(yīng)變時產(chǎn)生{10-11}壓縮孿生[6-10]。另外，位錯滑移也是變形鎂合金的重要變形機(jī)制。何種變形機(jī)制起主導(dǎo)作用與晶粒取向、應(yīng)變速率等因素具有密切關(guān)系。

在鎂合金構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常承受沖擊與循環(huán)等動態(tài)載荷的作用，因此研究變形鎂合金的動態(tài)力學(xué)行為與組織結(jié)構(gòu)之間關(guān)系，對其結(jié)構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)及合理使用具有重要指導(dǎo)意義。本文利用Hopkinson壓桿，研究了大氣壓為0.2和0.5MPa下AZ31B鎂合金擠壓棒材的徑向與軸向動態(tài)沖擊力學(xué)行為，并討論了相關(guān)機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用的AZ31B鎂合金屬于Mg-Al-Zn系合金，是目前工業(yè)界使用較廣泛的1種變形鎂合金。其中加入的Al元素可與Mg形成固溶體，提高了合金的力學(xué)性能；同時Al元素還可提高合金的耐腐蝕性，減小凝固時的收縮，改善合金的鍛造性能，增強(qiáng)鑄件強(qiáng)度。Zn是另1種有效的合金化元素，在鎂合金內(nèi)以固溶體存在，對合金性能的影響與Al相似，但當(dāng)Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2%時會出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象，因而應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。加入Mn元素可提高鎂合金的韌性并改善其耐腐蝕性能。合金中的鐵、銅、鎳等雜質(zhì)元素會降低合金的耐腐蝕性能，應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。AZ31B的名義成分見表1。

表1 AZ31B鎂合金名義化學(xué)成分

電子背散射衍射樣品的電解拋光液為10%HClO4+90%乙醇，電壓為30~40V，電流為1~2mA，電解拋光的溫度為243K。使用液氮作為制冷劑。試驗(yàn)設(shè)備為：JEOL，JSM-7001F和JEOL，JSM-6500F掃描電子顯微鏡。

分別沿原始退火擠壓棒材的擠壓方向（軸向）和垂直擠壓方向（徑向）切取棒材，加工成直徑為8mm，高10mm的快速沖擊樣品。

沖擊試驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿（Split HopkinsonPressureBar，SHPB）裝置，如圖1所示。

圖1 Hopkinson壓桿沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

SHPB是目前應(yīng)用最為廣泛的測試高應(yīng)變率下力學(xué)特征的試驗(yàn)裝置[11-13]；可以用來測試材料在應(yīng)變率為102~104s-1內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其主要特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)材料的高應(yīng)變率變形，同時保持材料內(nèi)部的動態(tài)應(yīng)力平衡或者材料內(nèi)軸向應(yīng)力梯度接近于零。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊變形前金相組織及織構(gòu)

原始擠壓AZ31B鎂合金退火后顯微組織如圖2所示。從圖中可見樣品晶粒為等軸組織，尺寸不很均勻，平均尺寸為15μm。

圖2 原始擠壓AZ31B鎂合金退火后顯微組織

原始擠壓AZ31B鎂合金退火后織構(gòu)如圖3所示。從退火后棒材擠壓ED反極圖（圖3（a））中可見，織構(gòu)主要由較強(qiáng)的<10-10>絲織構(gòu)組分和較弱的<11-20>絲織構(gòu)組分構(gòu)成，2種組分的{0002}晶面都平行于ED。沿徑向切取拉伸樣品，其軸向反極圖可以根據(jù)退火后擠壓棒材的反極圖推斷，如圖3（b）所示。其軸向分別沿<0001>-<11-20>和<0001>-<10-10>晶體學(xué)取向三角形的2個邊均勻分布，強(qiáng)度級別對應(yīng)圖3（a）。

圖3 原始擠壓AZ31B鎂合金退火后織構(gòu)反極

2.2 快速沖擊曲線

分別沿?cái)D壓退火后棒材的徑向與軸向切取動態(tài)沖擊樣品，沖擊真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖4所示。在大氣壓為0.2、0.5MPa下，徑向沖擊樣品的沖擊應(yīng)變速率分別為840、1080s-1；軸向樣品的沖擊應(yīng)變速率分別為815、1231s-1。從圖中可見，屈服強(qiáng)度、總應(yīng)變量、斷裂強(qiáng)度均隨著應(yīng)變速率的增加而增加；在同一沖擊氣壓下，軸向樣品屈服強(qiáng)度、總應(yīng)變量、斷裂強(qiáng)度均高于徑向樣品對應(yīng)的值。

2.3 變形后組織

氣壓載荷為0.2、0.5MPa沖擊后徑向和軸向樣品的變形組織如圖5所示。從圖中可見，徑向樣品和軸向樣品孿生的數(shù)量均隨著氣壓載荷的增加而增加；在同一氣壓載荷下，軸向樣品中孿生的數(shù)量比徑向樣品中的多。

圖4 沖擊氣壓載荷為0.2MPa和0.5MPa時應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 氣壓載荷為0.2、0.5MPa時徑向和軸向樣品變形組織

動態(tài)沖擊后變形組織的EBSD取向成像及取向差分布如圖6所示。從圖中可見，樣品中孿生的數(shù)量隨著應(yīng)變速率的增加而增加，且大部分為{10-12}拉伸孿生。與圖5金相圖中的結(jié)果一致。

圖6 快速沖擊后變形組織的取向成像及其相應(yīng)的取向差分布

3 分析討論

3.1 快速沖擊應(yīng)變速率敏感性

材料應(yīng)變速率對流變應(yīng)力值的影響通?？梢杂眯拚蟮腃owper-Symonds公式來描述

式中：σ0、σy、σu分別為靜態(tài)應(yīng)力、屈服強(qiáng)度和最大應(yīng)力值；為應(yīng)變速率；C 和P 為材料應(yīng)變速率敏感性常數(shù)；k 為描述材料應(yīng)變速率敏感性的應(yīng)變硬化參數(shù)。

根據(jù)式（1），若流變應(yīng)力值隨著應(yīng)變速率的增加而減小，則P 應(yīng)該為負(fù)值。

同樣，材料的應(yīng)變速率敏感性參數(shù)k 或β 也可以用下式[13-15]描述

式中的壓應(yīng)力σ2和σ1可以通過計(jì)算得到，先根據(jù)沖擊試驗(yàn)求出平均應(yīng)變速率2、1，在2種應(yīng)變速率下相同的應(yīng)變處計(jì)算對應(yīng)的流變應(yīng)力值即為σ2和σ1。

為了獲取2種樣品應(yīng)變速率敏感性的定量信息，依據(jù)文獻(xiàn)[16]的計(jì)算方法，對2種樣品快速沖擊應(yīng)變?yōu)?.02處計(jì)算各自的應(yīng)變速率敏感性因子值，結(jié)果見表2。表明2種樣品隨著沖擊載荷（或應(yīng)變速率）的增加，其流變應(yīng)力值和總應(yīng)變量均增加，合金均表現(xiàn)出正的應(yīng)變速率敏感性，徑向沖擊樣品的應(yīng)變速率敏感性值大于軸向沖擊樣品的，其原因與樣品的織構(gòu)有關(guān)。一般而言，位錯變形過程表現(xiàn)為正的應(yīng)變速率敏感性，而孿生表現(xiàn)為負(fù)的應(yīng)變速率敏感性，由于徑向沖擊樣品的織構(gòu)特征，位錯滑移起主要作用，因此其應(yīng)變速率敏感性大于軸向沖擊樣品的。

表2 應(yīng)變?yōu)?.02時2種樣品應(yīng)變速率敏感性因子β值

3.2 孿生及Schmid因子變形機(jī)制

通常當(dāng)晶粒的c-軸與壓縮方向平行時，與壓縮孿晶相比較，由于具有更小的臨界剪切應(yīng)力值（CRSS）因此錐面滑移更易啟動。此時，無法激活基面滑移、柱面滑移以及{10-12}拉伸孿晶，主要原因是這些變形模式的施密特因子值都很小，甚至為負(fù)值。但對于那些c-軸方向偏離ND 方向的晶粒而言，上述的基面滑移、柱面滑移以及拉伸孿晶可能被激活，因?yàn)榛婊扑璧呐R界剪切應(yīng)力值是鎂合金變形模式中最小的。位錯滑移依靠原子擴(kuò)散來進(jìn)行，相比孿晶的切變過程，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孿晶的生成速度。一般來說，隨著應(yīng)變速率的增加，通過滑移產(chǎn)生的位錯越來越多堆積在晶界上，不僅促使晶粒內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，還可引起晶界附近的集中應(yīng)力增大，局部集中應(yīng)力達(dá)到產(chǎn)生孿生的臨界值時，就會在變形晶粒內(nèi)部或相鄰晶粒內(nèi)部產(chǎn)生孿晶。因此，隨著應(yīng)變速率的增加（本次試驗(yàn)中的應(yīng)變速率為815~1231 s-1），鎂合金材料會更多地以孿生的方式變形，導(dǎo)致鎂合金的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加而急劇增加。

由于{10-12}拉伸孿生的CRSS遠(yuǎn)低于柱面滑移和錐面滑移及{10-11}壓縮孿生的CRSS，隨著應(yīng)變量的增加，拉伸孿生在滑移屈服前被激發(fā)，由于拉伸孿生的CRSS高于基面滑移的，在徑向樣品中拉伸孿生在滑移屈服后被激活。當(dāng)應(yīng)變速率足夠大時，位錯滑移來不及進(jìn)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于樣品的宏觀變形，造成大量的拉伸孿生開動。

鎂合金的孿生變形機(jī)制取決于形變晶粒取向與加載作用力方向間的關(guān)系，即Schmid因子[17]。研究[18]發(fā)現(xiàn)，{10-11}壓縮孿生變體中接近一半都具有較低的Schmid因子（0.15~0.30），5%的壓縮孿生變體具有非常低的Schmid因子，初次孿生變體不完全以Schmid因子的大小順序來決定[17，19]。但統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生孿生的變體的Schmid因子普遍高于其它變體的。為了討論孿生變形機(jī)制，本文計(jì)算了拉伸孿生和壓縮孿生的Schmid因子在取向空間中的分布。在此，選擇在較大取向范圍內(nèi)具有高Schmid因子的（-1012）[10-11]和（0-111）[0-11-2]2個變體來討論孿晶變形機(jī)制的情況。2種變體的Schmid因子分布如圖8所示。從圖中可見，Schmid因子與加載作用力的方向有密切關(guān)系，在較低的tanθ/2范圍（θ 為反極角），（-1012）[10-11]拉伸孿生具有較高的Schmid因子；在較高的tanθ/2范圍，（0-111）[0-11-2]壓縮孿生具有較高的Schmid因子。由此可推斷，在高tanθ/2范圍內(nèi)有利于拉伸孿生開動；在低tanθ/2/2范圍內(nèi)，有利于壓縮孿生開動；而在中間范圍，2種孿生模式都可能開動。因此，如果只考慮Schmid因子的影響，上述2種孿生可同時被激活。但Schmid因子并不是惟一決定因素，還應(yīng)考慮2種孿生模式具有不同的CRSS。{10-12}拉伸孿生的CRSS較低，而{10-11}壓縮孿生的CRSS卻非常高[20]，因此，在相同的Schmid因子條件下，拉伸孿生只需較低剪切應(yīng)力就能被激活，拉伸孿生在較大晶粒取向范圍內(nèi)都可開動，而壓縮孿生只限于極小晶粒取向范圍內(nèi)開動。這就解釋了為什么在較高應(yīng)變速率下有大量拉伸孿生產(chǎn)生而只有少量壓縮孿生產(chǎn)生。需要強(qiáng)調(diào)的是，材料發(fā)生形變時，因初次孿生模式和孿生變體的選擇（Primarytwinningandits variantselection）機(jī)制所考慮的問題不同，在考慮初次孿生模式選擇問題時，不僅要考慮變形晶粒的取向或Schmid因子，也應(yīng)考慮2種孿生的CRSS差異。

圖8 Schmid因子的分布

2種樣品初始的晶粒取向差別對合金應(yīng)變速率敏感性的也有一定影響。徑向樣品的應(yīng)變速率敏感性大于軸向樣品的。這主要是由于徑向樣品中晶粒c-軸方向靠近沖擊方向的晶粒數(shù)量多于軸向樣品的。

4 結(jié)論

（1）在動態(tài)沖擊條件下，材料的屈服強(qiáng)度、總應(yīng)變量、抗拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變速率的增加而增加；

（2）合金呈現(xiàn)各向異性，即徑向沖擊的應(yīng)變速率敏感性高于軸向沖擊的；

（3）動態(tài)沖擊變形有利于孿生模式的開動，徑向沖擊和軸向沖擊產(chǎn)生的孿生開動情況不同，這是導(dǎo)致應(yīng)變速率敏感性呈現(xiàn)各向異性的主要原因。

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