潘文平

(荔浦師范學(xué)校 廣西 桂林 541000)

前言

近年來對鎂合金室溫下的動態(tài)力學(xué)性能的研究主要集中在一系列合金上[1～3]。文獻(xiàn)[4]研究了3種鍛造鎂合金(AZ31B、AZ61A、ZK60A)的動態(tài)拉伸性能與斷裂行為，初步結(jié)果表明在鎂合金變形過程中，其抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加而增加，具有正應(yīng)變速率敏感效應(yīng)，正應(yīng)變速率效應(yīng)可以使鎂合金在變形過程中吸收更多的能量。文獻(xiàn)[5]的研究反映了鎂合金的應(yīng)變敏感性歸功于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，位錯擴(kuò)展可能是由于鎂合金在低應(yīng)變速率下變形的控制機(jī)制。對鑄態(tài)均質(zhì)鎂合金的研究結(jié)果表明，應(yīng)變速率低于0.1S-1時(shí)，低溫下位錯擴(kuò)展是其變形的主導(dǎo)機(jī)制。當(dāng)應(yīng)變速率高于1000S-1時(shí)位錯滑移與孿生協(xié)同作用。在應(yīng)變速率低于496S-1時(shí)，變形主要以孿生的方式進(jìn)行，在應(yīng)變速率相對較高時(shí)，變形主要以滑移和孿生的方式進(jìn)行，而且應(yīng)變速率越高，滑移占的比例越大。研究表明，鎂合金在常溫沖擊時(shí)，其變形是以孿晶和晶粒細(xì)化相結(jié)合，高的沖擊速度可以得到更細(xì)的孿晶和晶粒，從而提高鎂合金動態(tài)屈服強(qiáng)度，同時(shí)提高其沖擊條件下的變形能力[6]。該項(xiàng)研究再次反映了孿生機(jī)制的存在。

國內(nèi)對鎂合金的沖擊性能研究起步晚[7]，報(bào)道少。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的劉長海等通過Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)和靶板侵徹實(shí)驗(yàn)技術(shù)對自制的AZ31鎂合金進(jìn)行了室溫下不同應(yīng)變速率的壓縮實(shí)驗(yàn)，分析了高應(yīng)變速率條件變形過程中合金的應(yīng)變率效應(yīng)。對壓縮后的試樣進(jìn)行了橫截面和縱截面的微觀分析，研究其塑性變形機(jī)制，對比了兩次實(shí)驗(yàn)后材料的組織變化。整個實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AZ31鎂合金在室溫下有明顯的正應(yīng)變率效應(yīng)，并出現(xiàn)了動態(tài)再結(jié)晶，試樣的破壞為沿45°的剪切方向破壞，其變形機(jī)制主要是由位錯滑移和晶界的滑動機(jī)制所控制，侵徹后的組織中出現(xiàn)了熔化快凝層、細(xì)晶層和形變層[8]。

中北大學(xué)的張星等采用SHPB實(shí)驗(yàn)對AZ31鎂合金進(jìn)行研究，探討了AZ31鎂合金在不同應(yīng)變速率下的力學(xué)響應(yīng)特性。結(jié)果表明，AZ31鎂合金的屈服和應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象均較明顯；且隨著應(yīng)變速率的增大，AZ31 鎂合金的強(qiáng)化程度和最大應(yīng)力值都不斷增大，而動態(tài)屈服強(qiáng)度卻變化不大；這說明隨著應(yīng)變速率的增大，AZ31鎂合金的變形能力是有限的，且應(yīng)變速率超過2000S-1時(shí)，合金會出現(xiàn)裂紋[9]。

毛萍莉等通過采用SHPB壓桿實(shí)驗(yàn)研究了擠壓態(tài)的AZ31B鎂合金在496-2120S-1應(yīng)變速率下的高速變形行為，并借助金相顯微鏡對變形后的合金組織演變規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，AZ31B 鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線在不同應(yīng)變速率下幾乎完全重疊，這說明AZ31B鎂合金不屬于應(yīng)變速率敏感的材料；但其顯微組織中表現(xiàn)出與應(yīng)變速率較大的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)應(yīng)變速率較小時(shí)，孿晶差不多構(gòu)成了該合金的全部組織，此時(shí)AZ31B鎂合金主要以孿生方式進(jìn)行變形；合金組織中孿晶數(shù)量隨著應(yīng)變速率增大而不斷減小，此時(shí)AZ31B鎂合金除了發(fā)生孿晶變形，柱面滑移和錐面滑移等變形方式也存在[10～13]。

中北大學(xué)的李保成等通過研究ZK60鎂合金在沖擊載荷條件下的變形和破壞形式，發(fā)現(xiàn)在沖擊載荷下，塑性變形過程中合金內(nèi)形成了大量很細(xì)小的孿晶，使ZK60鎂合金在沖擊狀態(tài)下的動態(tài)屈服強(qiáng)度提高了很多，變形量高達(dá)22%，表明了ZK60鎂合金具有良好的抗沖擊性能，在低的應(yīng)變下負(fù)的應(yīng)變率敏感性源于孿生應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滑移并且在低的應(yīng)變區(qū)域(該區(qū)域中來自于孿生應(yīng)力的貢獻(xiàn)對總的流變應(yīng)力較顯著)下高應(yīng)變速率下孿晶的活性稍微更高[14]。

從已有的研究結(jié)果來看，鎂合金具有良好的沖擊性能。但是關(guān)于沖擊變形機(jī)制以及鎂合金的應(yīng)變率效應(yīng)、應(yīng)變硬化等認(rèn)識還不是很清楚，還需要對其進(jìn)一步研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

車輪是應(yīng)用鎂合金作為替代新材料的典型部件，通過減重可以大幅度地改善坦克、汽車等性能，如對于汽車，車輪減重是其它非轉(zhuǎn)動構(gòu)件效果的5～8倍。然而，車輪是極為重要的安全部件，除對晶粒度、氣密性、表面質(zhì)量及耐蝕性有一定要求，還要求高沖擊性能、疲勞性能等主要的機(jī)械性能。本文即以塑性成形的AZ80鎂合金負(fù)重輪為對象，測試了準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能。

本試驗(yàn)研究的材料是AZ80鎂合金，其成分見表1。

表1 AZ80鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量%)

表2 AZ80鎂合金負(fù)重輪的力學(xué)性能

材料或構(gòu)件的狀態(tài)直接影響其動態(tài)力學(xué)性能及變形機(jī)制，為了掌握鎂合金負(fù)重輪的初始狀態(tài)，測試了其準(zhǔn)靜態(tài)條件下的力學(xué)性能。表2是AZ80鎂合金負(fù)重輪的力學(xué)性能，可以看出，由于擠壓過程中幅板與輞部變形程度的差異，輞部抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均高于幅板，而且延伸率差別不大。

1.2 試樣制備

AZ80合金準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)壓縮試樣均從擠壓成形的負(fù)重輪上幅板中心層切取，由于Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)對沖擊試樣的高徑比一般要求為0.5、1.0、1.5，本次沖擊實(shí)驗(yàn)中選用的試樣高徑比大小為1.0。

AZ80鎂合金負(fù)重輪的實(shí)物照片如圖2.1所示。動態(tài)壓縮試樣分別沿與幅板徑向成0°方向切取，為敘述方便。首先用鋸條在幅板上沿0°方向切成長方體的棒材，然后用線切割把切取下來的試樣分別加工成Ф6×6的試樣。

測試前，所有試樣兩端均經(jīng)過細(xì)砂紙研磨，并保證試樣的端面與圓柱軸線垂直，使其受力更加均勻。在壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用石墨油脂混合物作為潤滑劑，以減少試樣端面與壓頭之間的摩擦力。

1.3 力學(xué)性能測試

1.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測試

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測試是在AG-25TA型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，AG-25TA型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)主要由液壓機(jī)、高精度傳感器、伺服控制系統(tǒng)等組成，該機(jī)采用液壓加力，油缸下置，液晶顯示測力，主體與測力計(jì)分置的設(shè)計(jì)，具有操作方便，工作穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)精度高,加載平穩(wěn)的特點(diǎn)。整機(jī)外型簡潔，試驗(yàn)空間可調(diào)整。測量采用高精度傳感器，檢測結(jié)果數(shù)字曲線顯示，并可直接存儲,數(shù)據(jù)處理，打印出結(jié)果及曲線，具有聯(lián)網(wǎng)等功能。

1.3.2 動態(tài)壓縮力學(xué)性能測試

動態(tài)壓縮力學(xué)性能測試是在分離式Hopklnson壓桿(SHPB)下進(jìn)行的，如圖1。 SHPB的基本原理是在導(dǎo)桿應(yīng)力波作用的脈寬范圍形成試件的沖擊響應(yīng)，利用粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片記錄下應(yīng)變脈沖計(jì)算材料的動態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)。根據(jù)測量信號頻率不同，目前在動態(tài)應(yīng)變測量中主要采用兩種測試系統(tǒng)：第一種是由應(yīng)變片、動態(tài)應(yīng)變儀、光線示波器組成的測試系統(tǒng)，第二種是由應(yīng)變片、寬頻帶放大器(超動態(tài)應(yīng)變儀)、瞬態(tài)波形存儲器(記憶示波器)組成的測試系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)采用第一種。

沖擊試樣夾在輸入桿和輸出桿之間，子彈經(jīng)過加壓后，撞擊在輸入桿和輸出桿上，應(yīng)變率大小主要通過調(diào)整變化高壓氮?dú)獾膲簭?qiáng)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。為保證測試數(shù)據(jù)的精確性，應(yīng)變片對稱貼在輸入桿、輸出桿離試樣相同距離的部位。并在輸入桿、輸出桿和試樣的接觸面上均勻涂抹一層黃油，以降低試樣和導(dǎo)桿之間的摩擦力，避免使沖擊試樣處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置

本次試驗(yàn)采用如圖1所示的氣壓槍裝置，并用高速攝影機(jī)記錄下沖擊的過程。試驗(yàn)中，通過變化高壓氮?dú)獾膲簭?qiáng)來調(diào)節(jié)應(yīng)變速率。采用長度為200 mm 的子彈，通過調(diào)整注氣壓力以實(shí)現(xiàn)不同的加載應(yīng)變率，采用了1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa 三種注氣壓力分別實(shí)現(xiàn)應(yīng)變速率1340S-1、2020S-1、3100S-1下的沖擊變形。在此裝置中，輸入桿和輸出桿材料截面尺寸完全相同，試樣夾在輸入桿和輸出桿之間。為了保證輸入桿和輸出桿的同心相撞，必須要調(diào)整兩桿的加工精度。輸入桿和輸出桿上的波形通過Topview2000搜集，然后再用D-Wave軟件處理數(shù)據(jù)。

1.4 金相組織觀察

金相分析是材料科學(xué)領(lǐng)域的一門專業(yè)技術(shù)，是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，其主要內(nèi)容是指在光學(xué)顯微鏡下對材料的組織形貌、晶粒尺寸大小、分布規(guī)律等進(jìn)行鑒別與測定，它是研究金屬材料低倍組織最常用的實(shí)驗(yàn)手段。

通過ZEISS數(shù)碼光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，主要觀察不同加載條件下AZ80鎂合金的晶粒形貌，包括晶粒變形、尺寸和剪切帶等。制備金相試樣包括切樣、磨樣、拋光、腐蝕四個基本步驟。首先取尺寸合適的金相試樣并確定觀察面；然后利用不同規(guī)格的金相砂紙對觀察面進(jìn)行粗磨、細(xì)磨；再進(jìn)行拋光，直至觀察面上無任何劃痕；最后用腐蝕液對觀察面進(jìn)行腐蝕后即可在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。腐蝕液選用配比為2.5%苦味酸+2.5%冰乙酸+85%乙醇10%水侵蝕后，針對不同試樣，腐蝕時(shí)間從數(shù)秒到幾十秒不等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖擊試樣力學(xué)性能分析

2.1.1 應(yīng)變速率敏感性分析

對原始數(shù)據(jù)用origin軟件進(jìn)行處理，得到合金在不同沖擊速度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如2所示。由圖可見，在低應(yīng)變率和高應(yīng)變速率下，所有被測的試樣壓縮曲線都表現(xiàn)出典型的彈塑性特征，即壓縮初始階段為彈性變形階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增加成線性迅速上升，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)某一值，即屈服應(yīng)力時(shí)，則進(jìn)入塑性變形階段，其切線斜率比彈性變形階段小。

圖2 不同應(yīng)變速率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可以看出，AZ80 鎂合金在應(yīng)變速率為1340S-1時(shí)的斷裂應(yīng)變與其他應(yīng)變速率有很大不同，應(yīng)變速率為1320S-1時(shí)，合金的斷裂應(yīng)變約為0.08，而其他應(yīng)變速率的斷裂應(yīng)變均在0.12～0.16范圍內(nèi)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)，應(yīng)變速率為0.001S-1、0.1S-1、1S-1的試樣在彈性變形和塑性變形過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出平行的趨勢；而在動態(tài)壓縮時(shí)，應(yīng)變速率為1320S-1、2020S-1、3100S-1的試樣在彈性變形和塑性變形過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出近乎重合的趨勢。

圖2反映了應(yīng)變速率對AZ80鎂合金壓縮最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的影響?？梢钥闯?，動態(tài)壓縮時(shí)的最大應(yīng)力比準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)明顯增大，但最大應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動態(tài)壓縮時(shí)，其最大應(yīng)變均隨應(yīng)變速率增大而增大，但動態(tài)壓縮時(shí)的最大應(yīng)變沒有表現(xiàn)出比準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)增大的現(xiàn)象。因此，AZ80鎂合金在壓縮時(shí)，最大應(yīng)力和應(yīng)變對應(yīng)變速率的變化不敏

2.1.2 應(yīng)變率效應(yīng)

應(yīng)變速率效應(yīng)是指隨著應(yīng)變速率的變化，材料屈服強(qiáng)度發(fā)生變化，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上移或下移。如果隨著應(yīng)變速率的提高，屈服強(qiáng)度增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上移，則稱為正應(yīng)變速率效應(yīng)，反之，則稱為負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng)。由圖3可以看出，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)，屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增大而減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線下移，表現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng)；而在動態(tài)壓縮時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在變形的初始階段近乎重合，有明顯的斷裂延遲現(xiàn)象。

(a)

(b)

2.1.3 應(yīng)變硬化現(xiàn)象

應(yīng)變硬化現(xiàn)象就是不像應(yīng)力-應(yīng)變曲線那樣在載荷達(dá)到最大值后轉(zhuǎn)而下降，而是繼續(xù)上升直至斷裂，這說明金屬在塑性變形過程中不斷地發(fā)生加工硬化，從而外加應(yīng)力必須不斷增高，才能使變形繼續(xù)進(jìn)行。從圖3中可以看出，所有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服后應(yīng)力都繼續(xù)增大直至斷裂，因此所測的試樣進(jìn)入塑性階段后均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

在沿與負(fù)重輪幅板徑向成0°方向沖擊時(shí)，分析比較AZ80鎂合金準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):

1)試樣在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線均明顯表現(xiàn)出彈塑性特征，曲線沒有出現(xiàn)明顯的屈服臺階。

2)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)合金表現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng)，動態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)變速率不敏感。

3)所測試樣進(jìn)入塑性變形階段后均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

2.2 沖擊試樣微觀組織分析

圖4 原狀態(tài)的微觀組織

圖4為不同應(yīng)變率下沖擊后AZ80鎂合金的微觀組織?？梢钥闯?在低應(yīng)變率下，沒有觀測到孿晶組織，如圖4(a)～(c)。與原狀態(tài)的組織對比，也沒有明顯的變化，如圖4。在高應(yīng)變率下可以看到更細(xì)的孿晶和晶粒，如圖3.4(d)～(f)。應(yīng)變率為1320S-1時(shí)，沖擊后AZ80鎂合金呈現(xiàn)細(xì)晶組織特點(diǎn)；在應(yīng)變率增加到2020S-1時(shí)，組織中出現(xiàn)了明顯的孿晶組織特點(diǎn)；當(dāng)應(yīng)變率增加到3100S-1時(shí)，得到更細(xì)更密的晶粒和孿晶組織，如圖6。

對比圖5(a)和圖6，即AZ80 鎂合金分別在應(yīng)變速率1S-1和3100S-1壓縮后試樣的組織?？梢钥闯?，應(yīng)變速率為1S-1沒有觀測到孿晶組織，當(dāng)應(yīng)變速率為3100S-1時(shí)，觀測到了明顯的孿晶組織，但沒有觀測到動態(tài)再結(jié)晶。這是由于變形速率很快，動態(tài)再結(jié)晶晶粒來不及長大，因此其再結(jié)晶所形成的晶粒很小以至于被其他組織所掩蓋，從而無法觀測到。

AZ80鎂合金在相對較高的應(yīng)變率下沖擊時(shí)，其變形是以孿晶和晶粒細(xì)化相結(jié)合，高沖擊速度可以得到更細(xì)的孿晶和晶粒，從而提高鎂合金動態(tài)屈服強(qiáng)度，同時(shí)提高其沖擊條件下的變形能力。其中滑移現(xiàn)象在晶體中較為常見。對于鎂合金，由于其密排六方晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在室溫下滑移系數(shù)量很少，且滑移是在當(dāng)剪應(yīng)力大于臨界分切應(yīng)力值τ0時(shí)在一定滑移系上進(jìn)行的。當(dāng)外力在孿生方向的分切應(yīng)力τ高于臨界分切應(yīng)力值τ0時(shí)，會出現(xiàn)孿生。一般情況下，孿生的臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移的臨界分切應(yīng)力，只有在滑移非常難進(jìn)行時(shí)，晶體才以孿生的方式變形。鎂的晶體結(jié)構(gòu)屬于密排六方，對稱性低、室溫下滑移系少，當(dāng)晶體取向不利于滑移時(shí)，通常以孿生的方式進(jìn)行塑性變形。從圖中也可看出，隨著應(yīng)變率的提高，合金內(nèi)部孿晶越來越明顯。

(a)0.001S-1 (b)0.1S-1 (c)1S-1 (d) 1320S-1 (e)2020S-1 (f)3100S-1

圖6 應(yīng)變率為3100S-1時(shí)的細(xì)小晶粒和孿晶組織

通過以上分析可見，在沿與負(fù)重輪幅板徑向成0°方向沖擊時(shí)，低應(yīng)變率加載條件下沒有觀測到孿晶組織，高應(yīng)變率加載條件下觀測到了明顯的孿晶組織。

3 結(jié)論

在沿與負(fù)重輪幅板徑向成0°方向壓縮時(shí)，通過分析比較AZ80鎂合金壓縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

1)在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮時(shí)試樣均發(fā)生了不同程度的斷裂；

2)試樣在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線均明顯表現(xiàn)出彈塑性特征，曲線沒有出現(xiàn)明顯的屈服臺階；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)鎂合金表現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變速率效應(yīng)，動態(tài)壓縮時(shí)應(yīng)變速率不敏感；所測的試樣進(jìn)入塑性變形階段后均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象；

3)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)沒有觀測到孿晶組織，動態(tài)壓縮時(shí)觀測到了明顯的孿晶組織。