王海宇，帥美榮，2，唐佳偉，常彬彬，2，劉 鑫，2

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024;2.重型機(jī)械教育部工程研究中心，太原 030024)

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有良好的比強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、減震性能和電磁屏蔽性，資源豐富，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、電子儀器等方面，被譽(yù)為21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的綠色工程材料[1-3]。然而，室溫下鎂合金獨(dú)特的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，致使變形時(shí)獨(dú)立滑移系少，因而室溫下塑性變形能力低，不利于生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用[4]。因此，研究鎂合金變形過(guò)程中的變形行為，掌握應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，對(duì)改善鎂合金變形工藝和提高組織性能具有重要意義[5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鎂合金熱變形行為展開(kāi)研究。黃光杰[6]等在溫度范圍為200～450 ℃、應(yīng)變速率為0.001～1 s-1范圍內(nèi)對(duì)不同合金微觀組織演變規(guī)律進(jìn)行研究，得出AZ31鎂合金的臨界應(yīng)變與變形條件的定量關(guān)系。王忠堂[7]等研究了AZ31鎂合金溫?zé)嶙冃螘r(shí)的本構(gòu)方程，利用泰勒展開(kāi)式，忽略高階無(wú)窮小，大大簡(jiǎn)化了本構(gòu)方程，在一定范圍內(nèi)具有較高的精度，但在高應(yīng)變速率下會(huì)失真。Ahmad I.R.等[8]在較大的應(yīng)變速率、較低溫度范圍內(nèi)對(duì)AZ31B鎂合金進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，在掃描電鏡觀察后得出應(yīng)變速率和溫度對(duì)合金流動(dòng)應(yīng)力、淬火性能和延展性的影響。汪凌云等[9]研究了AZ31鎂合金熱變形時(shí)平均再結(jié)晶晶粒尺寸與Z參數(shù)之間的定量關(guān)系，并獲得了熱擠壓下細(xì)晶鎂合金管材。隨著國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)高溫下鎂合金變形性能的深入研究，建立高精度、形式簡(jiǎn)單的AZ31鎂合金溫?zé)嶙冃伪緲?gòu)方程是亟待解決的問(wèn)題[10-13]。鑒于此，本文在Gleeble3500熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上，對(duì)AZ31鎂合金進(jìn)行了熱壓縮實(shí)驗(yàn)，建立了AZ31 鎂合金熱變形過(guò)程中較為準(zhǔn)確且形式簡(jiǎn)單的本構(gòu)方程，在此基礎(chǔ)上，建立應(yīng)變相關(guān)的流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型，為確定AZ31鎂合金熱加工工藝參數(shù)提供基本數(shù)據(jù)，為熱加工工藝的合理制定提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)材料為AZ31鎂合金，其化學(xué)成分如表1所示。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用線切割機(jī)截取并進(jìn)行機(jī)加工修磨為Φ8 mm*12 mm的圓柱。實(shí)驗(yàn)前將2根熱電偶絲的一端焊接在試樣的中間位置，另一端連接在溫控?zé)犭娕忌弦员銠z測(cè)試樣溫度的變化，并在圓柱表面的兩端涂上潤(rùn)滑劑(75%左右的石墨，20%46#機(jī)油，5%硝酸三甲苯脂)，以便減小壓縮試樣與平面壓頭之間因摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。在Gleeble3500熱力模擬機(jī)上進(jìn)行熱壓縮變形。變形溫度分別為250 ℃，300 ℃，350 ℃，400 ℃，應(yīng)變速率分別為0.005 s-1，0.05 s-1，0.5 s-1，試樣升溫速率為10 ℃/s，保溫3 min，最大壓縮量60%，變形后空冷。

表1 AZ31鎂合金化學(xué)元素含量Tab.1 Chemical elements content of AZ31 magnesium alloy (ω/%)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為AZ31鎂合金在不同溫度和應(yīng)變速率時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。如圖1所示，一開(kāi)始，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大，到達(dá)峰值后又緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定，這表明鎂合金在高溫壓縮試驗(yàn)中發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，在峰值應(yīng)變之前，加工硬化占主導(dǎo)作用，隨著變形程度增加，位錯(cuò)密度不斷增加，致使動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的速率加快，其軟化作用增強(qiáng)，當(dāng)二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，應(yīng)力趨于穩(wěn)定[14]。從圖1還可以看出，在同一溫度下，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加出現(xiàn)得越晚，這表明增大應(yīng)變速率不利于鎂合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶；在同一應(yīng)變速率下，溫度越高，所得峰值應(yīng)力越小，這表明升高溫度有利于鎂合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖1 鑄AZ31鎂合金熱變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of AZ31 magnesium alloys under different conditions

3 流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型

3.1 流動(dòng)應(yīng)力本構(gòu)方程的建立

鎂合金在熱壓縮變形條件下的本構(gòu)關(guān)系是非線性的，因而沒(méi)有適用所有情況的本構(gòu)方程。實(shí)驗(yàn)時(shí)?；赟ellars和Tegart 提出的雙曲正弦形式的Arrhenius方程[15]來(lái)建立本構(gòu)模型。該方程有以下三種形式:

(1)

(2)

(3)

對(duì)式(1)及(2)兩邊取對(duì)數(shù)后求偏導(dǎo)可得：

(4)

(5)

對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù)后運(yùn)算可得：

(6)

(7)

圖2 不同條件下變量之間的線性擬合圖Fig.2 Linear fitting relationships between different variables

對(duì)式(3)變形可得：

(8)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及上式所求α、Q、n帶入式(8)可得A=2.23×1015.

最終得到的鑄態(tài)AZ31 鎂合金熱變形本構(gòu)方程為：

3．2 流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型的修正

將式(3)求反后可得：

(9)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，材料流變應(yīng)力受塑性變形熱和摩擦熱的影響，為補(bǔ)償較寬溫度范圍內(nèi)溫度對(duì)應(yīng)力的影響，為此，在公式中引入溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率因子Z參數(shù)，即：

(10)

對(duì)式(10)變形可以得出：

(11)

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義，又有：

(12)

因此可以簡(jiǎn)化式(9)，用Z參數(shù)的函數(shù)來(lái)表述塑性變形過(guò)程中的鎂合金流變應(yīng)力，即：

(13)

將計(jì)算所得α，A帶入式(13)中，得：

(14)

3.3 流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所得方程的準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)所得對(duì)不同溫度、不同應(yīng)變速率的流動(dòng)應(yīng)力與根據(jù)流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型計(jì)算所得流動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證，如圖3所示。從圖3可以看出實(shí)驗(yàn)值與理論值的相關(guān)程度較好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.993，故本文所得流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型具有較好的預(yù)測(cè)精度。

圖3 預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Relative validation between predicted values and experimental values

4 結(jié)論

(1)AZ31鎂合金高溫壓縮時(shí)發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，適當(dāng)升高溫度或者降低應(yīng)變速率均有利于動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的進(jìn)行。

(3)在不同應(yīng)變速率、不同溫度下，將計(jì)算流動(dòng)應(yīng)力值與實(shí)測(cè)流動(dòng)應(yīng)力值進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.993，相關(guān)程度較好，表明本研究所建立的AZ31 鎂合金流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型具有較好的精度。