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        Mg-4Zn-2Y合金的高溫拉伸流變本構(gòu)關(guān)系

        2022-09-05 08:38:02翟傳田孫有平李旺珍何江美楊春洋
        金屬熱處理 2022年8期
        關(guān)鍵詞:變形

        翟傳田, 孫有平,3, 李旺珍,3, 何江美,3, 楊春洋

        (1. 廣西科技大學(xué) 機(jī)械與交通工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006;2. 廣西土方機(jī)械協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 柳州 545006;3. 廣西科技大學(xué) 廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 柳州 545006)

        鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、切削加工性優(yōu)良、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、阻尼減振性能好等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、電子通訊、汽車制造和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。由于純鎂在室溫下為密排六方結(jié)構(gòu),鎂合金在室溫下能夠啟用的滑移系少,塑性變形困難,因此鎂合金的高溫塑性變形能力受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

        國內(nèi)外學(xué)者[1-2]通過熱壓縮、熱拉伸、熱扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)研究了合金的高溫流變行為,并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了不同合金的本構(gòu)模型,并且完善和優(yōu)化了合金加工的工藝參數(shù)。王宏偉等[4]在研究ZK60(0.9Y+0.3Nd)合金的高溫塑性變形行為時(shí)發(fā)現(xiàn),在623~773 K范圍內(nèi),應(yīng)力指數(shù)隨著變形溫度的升高而增大,變形激活能隨著變形溫度和應(yīng)變速率的增加而增大。陳幼筠等[5]對ZK60鎂合金熱壓縮過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,基于變形溫度、應(yīng)變速率,構(gòu)建了ZK60合金高溫拉伸過程中的流變應(yīng)力本構(gòu)模型,發(fā)現(xiàn)較高的溫度以及低應(yīng)變速率會(huì)使流變應(yīng)力曲線的峰值應(yīng)力下降。Li等[6]在研究Mg95.21Zn1.44Y2.86Mn0.49合金的高溫壓縮行為時(shí)發(fā)現(xiàn),在350 ℃時(shí)合金內(nèi)開始發(fā)生不完全再結(jié)晶。Mg-Zn系合金屬于典型的高強(qiáng)度變形鎂合金[4],研究發(fā)現(xiàn)在鎂合金中添加釔能降低原子在鎂中的擴(kuò)散作用,析出的熱穩(wěn)定性高的彌散相粒子能有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),使鎂合金具有優(yōu)異的耐熱性和力學(xué)性能[7-10]。目前對Mg-Zn-Y合金的高溫性能研究的主要方式是熱壓縮,對于Mg-Zn-Y合金高溫拉伸方面的研究相對缺乏。

        因此,本文在變形溫度200、250、300、350及400 ℃以及應(yīng)變速率10-1、10-2、10-3、10-4s-1的條件下,對軋制態(tài)Mg-4Zn-2Y合金進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn),研究了變形溫度和應(yīng)變速率對合金流變應(yīng)力的影響規(guī)律,確定了軋制態(tài)Mg-4Zn-2Y合金高溫拉伸時(shí)的應(yīng)力指數(shù)和變形激活能,并構(gòu)建了本構(gòu)方程且繪制了熱加工圖,以期為后續(xù)熱加工試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        本文研究材料是通過半連續(xù)鑄造獲得的Mg-4Zn-2Y合金,規(guī)格為φ150 mm×200 mm,其實(shí)際化學(xué)成分如表1所示。在進(jìn)行高溫拉伸前,先對鑄態(tài)Mg-4Zn-2Y合金進(jìn)行440 ℃ × 12 h的均勻化處理,以達(dá)到消除低熔點(diǎn)共晶組織、改善枝晶偏析程度、降低合金變形抗力、提高合金塑性變形能力的目的。之后通過多道次變形軋制從10 mm軋制為2 mm,軋制溫度為450 ℃,每道次軋制前保溫10 min,每道次壓下量為0.5 mm。采用線切割沿軋制方向切割板材,制備拉伸試樣,試樣原始標(biāo)距為20 mm,厚度2 mm。

        拉伸試驗(yàn)的溫度分別為200、250、300、350及400 ℃,應(yīng)變速率分別為10-1、10-2、10-3及10-4s-1。通過公式換算,將應(yīng)變速率轉(zhuǎn)化為拉伸速率為120、12、1.2及0.12 mm/min,轉(zhuǎn)化公式如式(1)所示:

        (1)

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        圖1為Mg-4Zn-2Y合金的高溫拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從圖1可以發(fā)現(xiàn),高溫拉伸時(shí)的流變應(yīng)力大小與試驗(yàn)溫度以及應(yīng)變速率均有關(guān)系,熱變形溫度不變時(shí),材料的最大流變應(yīng)力會(huì)隨著應(yīng)變速率的增加而增大;在應(yīng)變速率不變時(shí),材料的最大流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高逐漸下降。其原因在于,在相同變形溫度下,隨著應(yīng)變速率的增加,拉伸速率較快,將會(huì)縮短發(fā)生相同應(yīng)變所需時(shí)間,會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)的位錯(cuò)密度急劇增大,引起晶界附近的應(yīng)力集中,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),滑移變形機(jī)制受到抑制[11],導(dǎo)致硬化作用更強(qiáng),同時(shí),由于原子的動(dòng)態(tài)回復(fù)速度較慢,導(dǎo)致較高的應(yīng)變速率下動(dòng)態(tài)回復(fù)不能立即完成,軟化作用弱,導(dǎo)致流變應(yīng)力增大;而在低應(yīng)變速率下,拉伸速度緩慢,給材料提供了足夠的成形時(shí)間,在變形過程中,動(dòng)態(tài)回復(fù)同時(shí)發(fā)生,足夠的變形時(shí)間使動(dòng)態(tài)回復(fù)進(jìn)行的更加充分,提高了軟化作用,導(dǎo)致流變應(yīng)力下降;而在相同應(yīng)變速率下,隨著變形溫度的升高,位錯(cuò)的滑移變得更加容易,應(yīng)力得到釋放,導(dǎo)致加工硬化減弱,同時(shí)在更高的變形溫度下,不僅會(huì)促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)的進(jìn)行,同時(shí)也會(huì)使得合金開始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,并且能夠提高動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核率,增強(qiáng)軟化作用,致使流變應(yīng)力下降。

        圖1 Mg-4Zn-2Y合金在不同變形溫度及應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

        合金的變形過程主要?jiǎng)澐譃?個(gè)階段:第1階段為加工硬化階段,隨著真應(yīng)變的增加,真應(yīng)力迅速增大,在這個(gè)階段應(yīng)變量較小,大量位錯(cuò)迅速產(chǎn)生,位錯(cuò)密度急劇增大,加工硬化作用明顯;第2階段為過渡階段,隨著真應(yīng)變的繼續(xù)增大,真應(yīng)力繼續(xù)緩慢增加到峰值,在這個(gè)階段,位錯(cuò)滑移導(dǎo)致位錯(cuò)重新組合,位錯(cuò)密度下降,同時(shí)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,提高了軟化作用,當(dāng)軟化作用與加工硬化作用相近時(shí),流變應(yīng)力達(dá)到峰值;第3階段為穩(wěn)態(tài)流變階段,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶以及動(dòng)態(tài)回復(fù)的軟化作用與加工硬化作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線幾乎為一條直線,隨著真應(yīng)變的增加,流變應(yīng)力維持在相對穩(wěn)定的區(qū)間;第4階段為斷裂階段,隨著真應(yīng)變的增加,流變應(yīng)力開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢,直至試樣斷裂。從圖1也可以看到,在較低溫度時(shí),如果應(yīng)變速率較大,幾乎觀察不到第3階段,例如在200 ℃下,應(yīng)變速率為10-1s-1時(shí),產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于第2階段擴(kuò)散頸縮的影響,流變應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度,材料發(fā)生了應(yīng)力軟化行為[12]。

        當(dāng)變形溫度超過350 ℃時(shí),合金的流變應(yīng)力在迅速增大之后呈現(xiàn)出波浪狀的流變特征,主要原因是在這個(gè)變形溫度下,合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,較高的變形溫度提供動(dòng)態(tài)再結(jié)晶需要的能量,促進(jìn)晶粒形核與長大,而低應(yīng)變速率使得這個(gè)過程有了足夠的時(shí)間去發(fā)生晶粒的形核與長大,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生,將增強(qiáng)軟化作用,而再結(jié)晶晶粒長大后又要發(fā)生變形導(dǎo)致硬化作用,軟化作用與硬化作用交替進(jìn)行導(dǎo)致這種現(xiàn)象的產(chǎn)生,且曲線呈現(xiàn)上升趨勢,說明合金晶粒長大速度更快,加工硬化占優(yōu)勢。

        3 本構(gòu)方程的建立

        3.1 本構(gòu)方程的選取

        在低應(yīng)力水平下用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述,即:

        (2)

        在高應(yīng)力水平下用冪函數(shù)的形式進(jìn)行描述,即:

        (3)

        式中:A1、n1、α、A2、β為與溫度無關(guān)的材料常數(shù),且常數(shù)β、α、n1滿足α=β/n1。

        (4)

        式中:

        故,在整個(gè)應(yīng)力區(qū)間都可采用雙曲正弦函數(shù)的關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行描述,即:

        (5)

        在高溫條件下,材料更容易受到溫度的影響,會(huì)促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,增強(qiáng)軟化作用,降低變形抗力??梢圆捎肸ener和Hollomon提出的Zener-Hollomon參數(shù)[5,16]來表征考慮溫度影響的流變應(yīng)力σ與應(yīng)變行為:

        (6)

        式(6)中:Z為應(yīng)變速率因子;A為材料結(jié)構(gòu)因子;n為應(yīng)力指數(shù)。

        3.2 材料參數(shù)的數(shù)值求解

        對式(2)、(3)、(5)的兩邊分別取對數(shù),得:

        (7)

        (8)

        (9)

        圖2 Mg-4Zn-2Y合金的峰值流變應(yīng)力和應(yīng)變速率的關(guān)系

        材料的變形激活能Q是可以反映材料發(fā)生塑性變形難易程度的參數(shù)。一般用變形激活能Q的大小來反映材料變形的難易程度[17],Q的數(shù)值越小, 說明材料越容易發(fā)生塑性變形[14]。假設(shè)變形激活能Q在任一確定溫度的附近基本不發(fā)生變化。

        對式(9)求偏微分,可得變形激活能Q的計(jì)算公式:

        (10)

        圖3 不同應(yīng)變速率下Mg-4Zn-2Y合金的ln[sinh(ασ)]-1/T關(guān)系曲線

        3.3 材料結(jié)構(gòu)因子A的數(shù)值求解

        對方程(6)的兩邊分別取對數(shù),變形得到:

        lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

        (11)

        將材料常數(shù)α以及對應(yīng)的峰值應(yīng)力代入到式(11),采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸擬合得到lnZ與ln[sinh(ασ)]的關(guān)系曲線,如圖4所示。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)以及曲線,可知應(yīng)力指數(shù)n為擬合曲線的斜率, lnA是擬合曲線的截距。因此,可以得到材料的結(jié)構(gòu)因子A=2.05×1020,n=8.09。該擬合曲線的擬合優(yōu)度R2=0.944,具有較好的擬合效果。

        圖4 Mg-4Zn-2Y合金的lnZ與ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線

        3.4 流變本構(gòu)關(guān)系的建立

        Mg-4Zn-2Y合金的高溫力學(xué)性能參數(shù)如表2所示,將表2中的參數(shù)代入到式(5),得到Mg-4Zn-2Y合金用雙曲正弦函數(shù)修正的Arrhenius關(guān)系表示的流變應(yīng)力方程(12):

        表2 Mg-4Zn-2Y合金的高溫力學(xué)性能參數(shù)

        (12)

        將材料變形激活能Q的平均值代入式(6)可得到不同熱變形溫度以及應(yīng)變速率下Z值的表達(dá)式:

        (13)

        根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義,將流變應(yīng)力表達(dá)為式(14):

        (14)

        將α、n及A的值代入式(14),得到用Z參數(shù)表示的峰值應(yīng)力與溫度和應(yīng)變速率的本構(gòu)關(guān)系為:

        (15)

        3.5 繪制熱加工圖

        熱加工圖描述了不同的溫度及不同應(yīng)變速率下材料的塑性變形能力,有利于優(yōu)化熱加工工藝?;趧?dòng)態(tài)材料模型(DMM)的熱加工圖被廣泛應(yīng)用于描述合金的熱變形行為,其由能量耗散圖和失穩(wěn)圖兩部分疊加組成[18]。

        (16)

        (17)

        圖5 Mg-4Zn-2Y合金的熱加工圖

        4 斷口形貌

        圖6 Mg-4Zn-2Y合金在200 ℃及不同應(yīng)變速率下的斷口形貌(a~d)及第二相粒子的EDS圖譜(e)

        圖7 Mg-4Zn-2Y合金在250 ℃及不同應(yīng)變速率下的斷口形貌

        圖8 Mg-4Zn-2Y合金在300 ℃及不同應(yīng)變速率下的斷口形貌

        圖6~圖10為Mg-4Zn-2Y合金在不同變形溫度及應(yīng)變速率下的斷口形貌,可以看到材料斷裂處分布著大量大小不一樣的韌窩,可以判斷Mg-4Zn-2Y合金的斷裂方式主要為韌性斷裂,可以明顯地看到破碎的第二相顆粒出現(xiàn)在部分韌窩的底部如圖6(a)中點(diǎn)A,根據(jù)EDS分析(見圖6(e)),這些第二相粒子主要為W相(Mg3Zn3Y2)。比較相同變形溫度下的斷口形貌,可以發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變速率的降低,韌窩的深度增加。主要原因是應(yīng)變速率增加,合金的加工硬化占優(yōu)勢,塑性變形能力較差,斷裂后的韌窩大且淺。由于韌性斷裂是一種高能吸收的延性斷裂,在相同應(yīng)變速率下,隨著變形溫度的升高,動(dòng)態(tài)回復(fù)以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用增強(qiáng),合金的伸長率提高,塑性變形能力增強(qiáng),可以吸收更多的能量有利于韌窩的形成與長大,多個(gè)小的韌窩彼此鏈接成為大的韌窩,單個(gè)韌窩中的第二相粒子數(shù)目增多,隨著變形溫度的升高,韌窩變深。

        圖10 Mg-4Zn-2Y合金在400 ℃及不同應(yīng)變速率下的斷口形貌

        5 結(jié)論

        1) Mg-4Zn-2Y合金在高溫拉伸時(shí)的流變應(yīng)力與變形溫度以及應(yīng)變速率均有關(guān)系:變形溫度保持不變時(shí),Mg-4Zn-2Y合金的最大流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低;在應(yīng)變速率保持不變時(shí),Mg-4Zn-2Y合金的最大流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低。

        3) 隨著變形溫度的升高以及應(yīng)變速率的降低,功率耗散系數(shù)η值逐漸增大,并在572.15 K×10-4s-1處達(dá)到峰值;隨后,隨著變形溫度的繼續(xù)升高以及應(yīng)變速率的降低,η值逐漸降低。通過熱加工圖確定Mg-4Zn-2Y 合金的可加工區(qū)域?yàn)?72.15~545.00 K,10-3~10-4s-1和545.00~672.15 K,10-4~10-1s-1,最佳加工區(qū)域?yàn)?45~610 K,10-3~10-4s-1。

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