劉澤成，鄭小平，李紅斌，田亞強(qiáng)，陳連生

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

鎂合金可以通過提高幾種運(yùn)輸系統(tǒng)的能源利用率來解決生態(tài)問題，具有低密度、高比強(qiáng)度、高阻尼能力和高循環(huán)利用、良好的可加工性和環(huán)境友好性等優(yōu)良性能[1-5]，有望在輕量化設(shè)計(jì)至關(guān)重要的行業(yè)中用作結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。因此，AM60鎂合金被認(rèn)為是眾多行業(yè)的潛在候選材料，尤其是在交通運(yùn)輸和3C(計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)電子)領(lǐng)域，如：汽車、輕質(zhì)外殼等[6-10]。但鎂合金存在一些缺點(diǎn)，如延展性差、導(dǎo)熱性和電阻率低[11]。由于鎂合金具有六方密排(HCP)晶體結(jié)構(gòu)[12]，可參與變形的滑移系統(tǒng)數(shù)量有限，因此鎂合金在室溫下的成型性相對較差。鎂合金在變形過程中容易發(fā)生斷裂，這已經(jīng)成為鎂合金實(shí)際工程應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。在這種背景下，全面研究鎂合金在各種應(yīng)力狀態(tài)下的變形和斷裂是必不可少的。

近年來，單一金屬材料越來越具有局限性，航空航天、新能源、交通運(yùn)輸、汽車制造和建筑工程等行業(yè)要求材料具有更好的力學(xué)性能、成形性能，同時(shí)可持續(xù)發(fā)展政策也迫切需要材料的變革。通過各種復(fù)合技術(shù)手段將兩種不同化學(xué)性能不同物理性能不同力學(xué)性能的金屬板材制備成復(fù)合板材，組元金屬間突破機(jī)械結(jié)合形成冶金結(jié)合，稱為雙金屬復(fù)合板材。SPCC/AM60/SPCC雙金屬復(fù)合板采用鋼/鎂/鋼的堆疊形式，對鎂合金起到一定的保護(hù)作用，可抑制鎂合金表面裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)散，從而提高鎂合金的塑性變形能力。組元金屬SPCC提供優(yōu)良的抗沖擊性能[13,14]，AM60鎂合金又具有抗震減噪、抗輻射等性能優(yōu)點(diǎn)[15]。為了準(zhǔn)確反映SPCC/AM60/SPCC雙金屬復(fù)合板高溫下的熱變形行為特性，對復(fù)合板的塑性成形工藝研究提供理論與試驗(yàn)依據(jù)。使用Gleeble-3500熱模擬機(jī)對SPCC/AM60/SPCC雙金屬復(fù)合板進(jìn)行熱拉伸試驗(yàn)，分析變形溫度和變形速率對復(fù)合板熱變形行為的影響。組元金屬的斷裂失效形式和復(fù)合界面的結(jié)合狀況對復(fù)合板的拉深成形行為具有重大影響。使用掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進(jìn)行表征，結(jié)合熱拉伸試驗(yàn)獲得的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析變形溫度和應(yīng)變速率對組元金屬斷裂模式、復(fù)合板結(jié)合狀態(tài)的影響，為SPCC/AM60/SPCC雙金屬復(fù)合板的塑性成形研究打下良好的基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用鋼板選用目前市場上使用率較大的家電、汽車用SPCC鋼，屬于普通低碳鋼，往往需要經(jīng)過“冶煉-熱軋-酸洗-冷軋-精整”軋制成厚度小于4 mm的薄鋼板，也稱為冷軋薄鋼板。其冷軋工序不需要預(yù)熱在室溫條件下進(jìn)行，所以軋制板材表面沒有氧化鐵皮，鋼板沒有發(fā)生再結(jié)晶，經(jīng)冷軋后的板材表面平整光滑。選用的鎂合金為AM60鎂合金，具有強(qiáng)度高、塑性成型能力強(qiáng)等特點(diǎn)。SPCC的主要化學(xué)成分是C 0.06%、Si 0.03%、Mn 0.06%、Fe余量，AM60鎂合金的主要化學(xué)成分為Al 5.6%、Mn 0.3%、Zn 0.2%、Mg余量。選用軋制板材，板材厚度為1 mm。采用同步軋制工藝將SPCC鋼板與AM60鎂合金板材結(jié)合制備出鋼/鎂/鋼復(fù)合板，試樣切割成長度為90 mm、寬度為30 mm的尺寸。軋制前，鋼板進(jìn)行一次退火，加熱至750 ℃保溫1 h。退火后酸洗，用丙酮沖刷干凈后使用砂紙將鋼板和鎂板打磨至劃痕一致，按照鋼/鎂/鋼的順序堆疊組合，頭部鉆孔后使用細(xì)鐵絲固定。將固定好的復(fù)合樣品放置于分體式加熱爐預(yù)熱30 min，軋制溫度定為380 ℃。保溫結(jié)束立即進(jìn)行一道次軋制，總壓下率為50%。機(jī)加工復(fù)合板制備出拉伸試樣，拉伸試樣尺寸規(guī)格如圖1所示，厚度是1.5 mm。

圖1 拉伸試樣尺寸

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對流變應(yīng)力的影響

復(fù)合板不同變形溫度、應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖2 復(fù)合板的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖2可知：溫度對AM60鎂合金的高溫流變行為影響顯著，復(fù)合板的延伸率δ和峰值應(yīng)力σ隨溫度變化而變化。從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，復(fù)合板峰值應(yīng)力表現(xiàn)出下降趨勢。而延伸率則明顯增大，固定應(yīng)變速率為0.1 s-1，變形溫度350 ℃時(shí)延伸率增加至8.5 %，相比于250 ℃的3.2 %提高了一倍，表明溫度越高AM60鎂合金塑性成型性能越高。這是由于高溫激活了AM60鎂合金非基面滑移系，參與滑移和交滑移的滑移系增多，從而增加復(fù)合板滑移系數(shù)量。

2.2 應(yīng)變速率對流動(dòng)應(yīng)力的影響

2.3 應(yīng)變速率敏感性指數(shù)

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m的大小反應(yīng)材料流變應(yīng)力對應(yīng)變速率的敏感性，指數(shù)m受多種因素影響，如：變形溫度、變形速度等。指數(shù)m通過公式(1)求出：

σ=C×εm

(1)

式(1)中σ是流動(dòng)應(yīng)力，這里只研究峰值應(yīng)力，ε是應(yīng)變速率。同時(shí)取對數(shù)得： lnσ= lnC+mlnε

(2)

計(jì)算出lnσ和lnε的數(shù)值，對lnσ和lnε進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖3所示，斜率即m值。應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m隨溫度升高而升高，250 ℃、300 ℃、350 ℃下分別是0.005 86、0.006 09、0.006 42，可見溫度越高復(fù)合板延伸率越好，越有利于拉伸成型。

圖3 lnσ-lnε擬合曲線

2.4 變形溫度對斷口形貌的影響

恒定應(yīng)變速率為0.001 s-1，250～350 ℃變形溫度區(qū)間的SPCC鋼基體和AM60鎂合金基體的拉伸斷口形貌，如圖4所示。

圖時(shí)不同溫度下SPCC鋼基體和AM60鎂合金基體的拉伸斷口形貌

如圖4(a)～(f)所示，隨著變形溫度升高，組元金屬SPCC基體斷口處韌窩呈現(xiàn)小而密集的趨勢，而AM60鎂合金基體的拉伸斷口形貌特征由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。變形溫度250 ℃時(shí)，AM60鎂合金基體斷口形貌出現(xiàn)解理平面，平面上呈河流花樣，韌窩幾乎不可見，此時(shí)AM60鎂合金基體為脆性斷裂；SPCC鋼基體的斷裂區(qū)域由韌窩和撕裂棱組成，其中部分韌窩包裹著第二相粒子，如圖4(d)所示。撕裂棱上開始出現(xiàn)韌窩，同時(shí)部分區(qū)域出現(xiàn)零星幾個(gè)孔洞，此時(shí)SPCC鋼基體出現(xiàn)韌性斷裂。變形溫度提高到300 ℃時(shí)，SPCC鋼基體以韌性斷裂為主，韌窩細(xì)化并且數(shù)量增加，撕裂棱上出現(xiàn)更多細(xì)小密集的韌窩。同時(shí)，第二相粒子數(shù)目減少，部分離開韌窩暴露在外面，如圖4(e)所示；AM60鎂合金基體的斷口形貌與250 ℃下區(qū)別不大，依然出現(xiàn)解理平面，表現(xiàn)出河流花樣的特征，以脆性斷裂為主。當(dāng)變形溫度進(jìn)一步提高至350 ℃時(shí)，SPCC鋼基體的拉伸斷口幾乎都是韌窩。韌窩繼續(xù)在撕裂棱上進(jìn)一步生長呈現(xiàn)出密集細(xì)小的狀態(tài)，韌窩數(shù)量明顯增多演變得最小深度最淺，同時(shí)，孔洞縮小，第二相粒子進(jìn)一步減少,如圖4(f)所示；AM60鎂合金基體轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，表現(xiàn)出韌性斷裂形貌，開始出現(xiàn)撕裂棱和韌窩，推測是由于鎂合金在350 ℃時(shí)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使部分晶粒細(xì)化。復(fù)合板中SPCC鋼層厚比遠(yuǎn)大于AM60鎂合金，且SPCC強(qiáng)度較大，復(fù)合板拉伸變形過程中SPCC占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，可以認(rèn)為SPCC/AM60/SPCC雙金屬復(fù)合板在250 ℃以上發(fā)生變形時(shí)整體以塑性變形為主，通過圖2復(fù)合板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出相同的規(guī)律。

2.5 應(yīng)變速率對斷口形貌的影響

始終選取250 ℃作為變形溫度，不同應(yīng)變速率下表征復(fù)合板的拉伸斷口形貌，研究不同應(yīng)變速率對SPCC/AM60/SPCC雙金屬復(fù)合板組元金屬熱變形的影響，表征結(jié)果如圖5所示。0.1 s-1和0.01 s-1應(yīng)變速率下的SPCC鋼基體斷口形貌進(jìn)行對比，可以看出0.01 s-1應(yīng)變速率下SPCC鋼基體韌窩數(shù)量明顯變多，撕裂棱上開始出現(xiàn)小型韌窩，應(yīng)變速率0.1 s-1時(shí)，幾乎沒有小型韌窩沿撕裂棱出現(xiàn)。同時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變速率下均出現(xiàn)了第二相粒子以及少量孔洞，如圖5(a)和圖5(b)所示。結(jié)合圖4(d)，應(yīng)變速率降至0.001 s-1時(shí)，對比0.01 s-1應(yīng)變速率下SPCC鋼基體的斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，韌窩數(shù)量進(jìn)一步增加，小型韌窩沿撕裂棱不斷出現(xiàn)，韌窩變淺變小。AM60鎂合金基體與應(yīng)變速率關(guān)系不大，不同應(yīng)變速率下均為脆性斷裂?？梢缘贸鼋Y(jié)論，變形溫度250 ℃時(shí)，SPCC/AM60/SPCC雙金屬復(fù)合板整體韌窩數(shù)量隨應(yīng)變速率降低而增多，即應(yīng)變速率越低成型性能越好。

圖5 變形溫度250 ℃時(shí)SPCC鋼基體和AM60鎂合金基體不同應(yīng)變速率的斷口形貌

2.6 變形溫度對結(jié)合強(qiáng)度的影響

當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s-1時(shí)，不同變形溫度下SPCC/AM60/SPCC雙金屬多層復(fù)合板斷口形貌如圖6所示。不同變形溫度下復(fù)合板界面整體均表現(xiàn)出開裂的情況，沒有良好的結(jié)合層。從圖6(a)可以看出，變形溫度250 ℃時(shí)，復(fù)合板界面分離最為嚴(yán)重，開裂現(xiàn)象明顯，結(jié)合情況最差。變形溫度提高至300 ℃時(shí)，復(fù)合板界面裂縫縮小，結(jié)合情況得到明顯改善，斷口呈撕裂狀，如圖6(b)所示。變形溫度來到350 ℃時(shí)，界面結(jié)合情況進(jìn)一步得到改善，裂縫幾乎消失不見，界面結(jié)合狀態(tài)最好，如圖6(c)所示。當(dāng)變形溫度為250 ℃及以上變形時(shí)，復(fù)合板界面結(jié)合情況隨變形溫度變化而變化，溫度提高界面分層現(xiàn)象減弱，裂縫減小。即，變形溫度升高，復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度提高。

圖時(shí)復(fù)合板不同溫度的斷口形貌

3結(jié)論

(1)同等應(yīng)變速率下，延伸率隨變形溫度升高而升高，而峰值應(yīng)力則降低。同等變形溫度下，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大，而延伸率反之。

(2)計(jì)算出復(fù)合板不同應(yīng)變速率下的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m，且m值隨溫度增大表現(xiàn)出增大的趨勢。

(3)復(fù)合板拉伸試樣250 ℃及以上變形時(shí)發(fā)生頸縮現(xiàn)象，結(jié)合斷口形貌，可以認(rèn)為復(fù)合板在250 ℃及以上發(fā)生拉伸變形時(shí)以塑性變形為主。同時(shí)復(fù)合板結(jié)合情況隨溫度升高而改善，350 ℃時(shí)結(jié)合情況最好，應(yīng)變速率越低成形性能越好。