蘇 靜，郭偉國，何可馨，鬲鈺焯

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072)

AZ31鑄造鎂合金的塑性流動特征及物理概念的本構(gòu)關(guān)系

蘇 靜，郭偉國，何可馨，鬲鈺焯

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072)

利用準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)以及Hopkinson壓桿裝置對AZ31鑄造鎂合金在不同應(yīng)變速率和不同溫度下的塑性流動性能進(jìn)行研究，結(jié)合金相顯微技術(shù)對試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行微觀分析。結(jié)果表明：在低應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，AZ31鎂合金發(fā)生明顯的由脆性到韌性的轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化溫度為473 K左右；當(dāng)應(yīng)變速率增加到1.2×104s?1時(shí)，會發(fā)生脆化現(xiàn)象，塑性變形能力變差?；谖⒂^分析，低應(yīng)變速率下晶體中孿晶的存在是促進(jìn)材料塑性變形增加的主要因素。而在高應(yīng)變速率下，動態(tài)再結(jié)晶和第二相粒子沉淀硬化顯著地影響金屬的塑性變形。結(jié)合系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果，基于熱激活位錯機(jī)制，建立一種物理概念的塑性流動本構(gòu)模型，對較高應(yīng)變速率和不同溫度下的流動應(yīng)力進(jìn)行模型預(yù)測。通過對比，模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

AZ31鎂合金；塑性流動；應(yīng)變速率；微觀機(jī)理；本構(gòu)關(guān)系

鎂合金具有密度低(約1.8 g/cm3)、比強(qiáng)度高、彈性模量大、減震性好、承受沖擊能力強(qiáng)、耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能良好等特點(diǎn)，成為航空器、航天器和火箭導(dǎo)彈等制造工業(yè)中最有前途、最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料[1?2]。

金屬鎂屬于典型的hcp結(jié)構(gòu)。以鎂為主要成分的AZ31鎂合金在室溫下的塑性變形能力較差，在低應(yīng)變速率下壓縮破壞應(yīng)變通常小于10%。目前，有關(guān)鎂合金塑性以及超塑性研究很多。稀土元素的加入，熱處理方式的改變均會影響鎂合金的塑性[3]。從微觀機(jī)理上分析，材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的變化是影響其塑性變形的根本原因，晶粒內(nèi)部的滑移、孿生以及晶界的移動都可影響鎂合金的塑性變形能力[4?5]。在高應(yīng)變速率下，材料的動態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致晶粒細(xì)化，也影響材料的塑性變形能力。晶粒細(xì)化是當(dāng)今材料領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。而在沖擊載荷作用下，鎂合金的高應(yīng)變速率、大變形行為和相關(guān)規(guī)律的研究較少[6?7]。對鎂合金本構(gòu)關(guān)系的研究，多數(shù)是建立在低應(yīng)變速率下不同溫度的情況[8?10]，而對高應(yīng)變速率下不同溫度的情況研究較少[11]。

本文作者首先對鑄造鎂合金AZ31在應(yīng)變速率從1.0×10?3到1.0×105s?1，溫度從77到600 K左右的塑性流動應(yīng)力—應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行研究，利用金相顯微鏡對變形試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，對變形機(jī)理進(jìn)行分析；然后，基于熱激活位錯動力學(xué)，建立適應(yīng)于較高應(yīng)變速率、不同溫度下的物理概念本構(gòu)模型，對模型預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)所用材料為鑄造鎂合金AZ31，準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)及5.0×103s?1時(shí)試樣尺寸為d 5 mm×5 mm，而1.2×104s?1時(shí)試樣尺寸為d 2 mm×2 mm，試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分如表1所列。

應(yīng)變速率為1.0×10?3～1.0×10?1s?1，溫度為77～573 K下的低應(yīng)變速率試驗(yàn)，采用CSS4410型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)過程中試樣通過兩根耐高溫陶瓷棒加載，試樣與陶瓷棒之間涂有三硫化二鉬以減少端面摩擦。試樣的變形通過試驗(yàn)機(jī)的位移傳感器測試。試驗(yàn)前，采用引伸計(jì)對位移傳感器進(jìn)行比對標(biāo)定。

對于應(yīng)變速率為1.0×103～1.2×104s?1，溫度為293～523 K的高應(yīng)變速率試驗(yàn)，采用可進(jìn)行高溫高應(yīng)變速率耦合的分離式Hopkinson壓桿裝置[11?12]。

為了對變形后的試樣進(jìn)行金相觀察，將變形后的試樣沿加載軸線方向切開，用硝酸?乙酸?草酸(硝酸1 mL，乙酸(99%) 1 mL，草酸1 g，蒸餾水150 mL)腐蝕液腐蝕15 s左右拋光，然后在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

AZ31鎂合金在低應(yīng)變速率、不同溫度下的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示。隨著溫度的升高，塑性流動應(yīng)力顯著下降，表現(xiàn)為明顯的溫度負(fù)敏感性。從77到373 K，材料的變形較小，應(yīng)變小于13%。而從473到573 K，隨著溫度的升高，材料軟化程度增加，材料的塑性應(yīng)變明顯增加。圖1(a)中，當(dāng)應(yīng)變速率為1.0×10?3s?1時(shí)，溫度上升至573 K時(shí)，變形應(yīng)變超過40%。圖1(b)中，當(dāng)應(yīng)變速率為1.0×10?1s?1，溫度上升至573 K時(shí)，最終破壞應(yīng)變超過35%。從圖1這可看出，473 K可以被認(rèn)為是AZ31鎂合金脆?韌轉(zhuǎn)變的臨界溫度。

圖1 AZ31鎂合金在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.1 True stress—strain curves of AZ31 magnesium alloy at different strain rates: (a) 1.0×10?3s?1; (b) 1.0×10?1s?1

2.2 動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2所示為高應(yīng)變速率(5.0×103s?1)下AZ31鎂合金典型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由于在試驗(yàn)過程中控制試樣的變形，圖中曲線的最大應(yīng)變點(diǎn)試樣并沒有破壞。在高應(yīng)變速率下，流動應(yīng)力呈現(xiàn)較平滑的應(yīng)變硬化穩(wěn)定區(qū)，此區(qū)也為應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化相持恒的過程。與低應(yīng)變速率情況(見圖1)相比，在高應(yīng)變速率下，流動應(yīng)力上升，呈現(xiàn)應(yīng)變速率敏感性。在1.2×104s?1的超高應(yīng)變速率下(見圖3)，試樣均在最大應(yīng)變點(diǎn)處破壞。此時(shí)AZ31鎂合金的塑性變形能力只有約10%左右，溫度升高到523 K，破壞應(yīng)變只有8%。且隨著溫度的升高，流動應(yīng)力出現(xiàn)下降。

圖2 應(yīng)變速率為5.0×103s?1時(shí)AZ31鎂合金塑性流動應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.2 True stress—strain curves of AZ31 magnesium alloy at strain rate of 5.0×103s?1

圖3 應(yīng)變速率為1.2×104s?1時(shí)AZ31鎂合金塑性流動應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.3 True stress—strain curves of AZ31 magnesium alloy at strain rate of 1.2×104s?1

圖4和5分別為AZ31鎂合金塑性流動應(yīng)力與溫度、塑性流動應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系。從圖4和5可以看出，AZ31鎂合金具有較強(qiáng)的溫度和應(yīng)變速率敏感性。圖4中，當(dāng)溫度由423 K升高到523 K時(shí)，流動應(yīng)力出現(xiàn)隨溫度升高而增加的現(xiàn)象，此現(xiàn)象可能是動態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象[13]。

圖4 應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)AZ31鎂合金在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力—溫度曲線Fig.4 True stress—temperature curves of AZ31 magnesium alloy at strain of 7.5%

圖5 應(yīng)變?yōu)?.5%、溫度為373 K時(shí)AZ31鎂合金真應(yīng)力—應(yīng)變速率曲線Fig.5 True stress—strain rate curve of AZ31 magnesium alloy at initial temperature of 373 K and fixed true strain of 7.5%

由以上分析可知：1) 在低應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，AZ31鎂合金發(fā)生明顯的由脆性到韌性的轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化溫度為473 K左右；2) 隨著應(yīng)變速率的升高，材料的塑性變形能力增強(qiáng)。而當(dāng)應(yīng)變速率增加至1.2×104s?1時(shí)，材料的塑性變形能力反而降低，出現(xiàn)脆化現(xiàn)象。

3 微觀機(jī)理分析

金屬塑性變形時(shí)滑移總是有利于沿著原子密排面和密排方向進(jìn)行。鎂是典型的密排六方(hcp)結(jié)構(gòu)，它在塑性變形時(shí)常會發(fā)生基面{0001}〈120〉的滑移以及錐面{102}〈101〉的孿生。

與其他金屬相比，鎂晶體只有3個幾何滑移系和2個獨(dú)立滑移系。鎂的滑移系較少是鎂合金不易產(chǎn)生宏觀屈服而容易在晶界處產(chǎn)生大量的應(yīng)力集中、從而塑性變形能力差的主要原因。此外，由于變形時(shí)易沿孿晶區(qū)域或大晶粒的基面{0001}產(chǎn)生局部穿晶斷裂，純鎂以及普通鑄造鎂合金具有脆化傾向。而純鎂的棱柱滑移面{100}〈110〉不活潑，只有在溫度升高時(shí)才可以被激活，使得鎂在高溫下的塑性變形能力增強(qiáng)。

以密排六方(hcp)多晶體鎂形成的鑄造鎂合金AZ31主要呈現(xiàn)hcp結(jié)構(gòu)的特征。由圖6可以看出：在低應(yīng)變速率下，當(dāng)溫度由83升高到373 K時(shí)，晶體內(nèi)部已經(jīng)有大量的孿晶生成，此時(shí)，孿晶成為影響材料塑性變形的主要因素之一。孿生可以改變晶粒的取向，促進(jìn)滑移的形成，并且可以釋放局部應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的形核。當(dāng)溫度升高到573 K時(shí)，晶體內(nèi)部的孿晶開始減少。由圖6(c)可以看出，部分晶界處已經(jīng)出現(xiàn)大量的細(xì)小晶粒，即出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。這主要是由于原始晶界對位錯運(yùn)動具有阻礙作用，使得晶界附近的位錯不斷塞積，位錯密度不斷增大。當(dāng)位錯密度達(dá)到某一臨界值時(shí)，再結(jié)晶晶粒優(yōu)先在晶界處形核。同時(shí)，由于動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用，流動應(yīng)力下降。

在高應(yīng)變速率情況下，AZ31鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可以看出：在應(yīng)變速率為1.0×103s?1、溫度為523 K、應(yīng)變?yōu)?2%的條件下(見圖7(a))，晶體內(nèi)部的孿晶逐步消失，且動態(tài)再結(jié)晶引起晶粒細(xì)化，隨著應(yīng)變速率的增大，晶粒細(xì)化程度逐漸增強(qiáng)；而在應(yīng)變速率為5.0×103s?1、溫度為523 K、應(yīng)變?yōu)?6%的條件下(見圖7(b))，晶粒的平均尺寸為3 μm左右，且細(xì)小晶粒分布均勻，動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用使得流動應(yīng)力下降；在應(yīng)變速率為1.2×104s?1、溫度為523 K、應(yīng)變?yōu)?%的條件下(見圖7(c))，晶體內(nèi)部同時(shí)出現(xiàn)大量的第二相沉淀硬化的斑點(diǎn)狀結(jié)晶。由于晶體內(nèi)部晶粒細(xì)化和沉淀硬化的共同作用，使得材料塑性變形能力減弱，應(yīng)變僅為8%。

4 熱激活物理概念的本構(gòu)關(guān)系

4.1 模型的建立

基于塑性流動熱激活過程的位錯運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)，結(jié)合材料的物理參數(shù)，建立一種物理概念的本構(gòu)

圖6 AZ31鎂合金在不同試驗(yàn)條件下的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructures of AZ31 magnesium alloy under different testing conditions: (a) T=83 K, ε=1.0×10?3s?1, ε=10%; (b) T= 373 K, ε=1.0×10?3s?1, ε=11%; (c) T=573 K, ε=1.0×10?3s?1, ε=30%; (d) T=523 K, ε=1.0×10?1s?1, ε=40%

圖7 AZ31鎂合金在高應(yīng)變速率下的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructures of AZ31 magnesium alloy at high strain rates: (a) T=523 K, ε=1.0×103s?1, ε=12%; (b) T=523 K, ε=5.0×103s?1, ε=16%; (c) T=523 K, ε=1.2×104s?1, ε=8%

模型來描述高應(yīng)變速率下鑄造鎂合金AZ31在不同溫度、不同應(yīng)變速率下的塑性流動應(yīng)力變化。首先，從金屬的位錯動力學(xué)角度考慮，金屬和大多數(shù)合金的流動應(yīng)力τ由兩部分組成：熱激活部分τ*(γ, γ, T)和非熱部分τa(γ)。總的流動應(yīng)力可表示為

非熱部分τa(γ)與由于位錯產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場、點(diǎn)缺陷、晶界和材料中雜質(zhì)相關(guān)，不依賴于溫度和應(yīng)變速率。它通常取某個高溫下的應(yīng)力，超出這個高溫后，流動應(yīng)力變化很小。借助唯像學(xué)理論，基于材料的應(yīng)力與應(yīng)變的指數(shù)關(guān)系特性，取

式中：a0，a1，…和n均為根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的參數(shù)。

熱激活部分τ*(γ,T)為短程障礙對位錯的阻力，是應(yīng)變速率、溫度和表征材料微觀結(jié)構(gòu)的一些內(nèi)參量的函數(shù)。為了建立τ*與γ,T之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)位錯必須克服的激活自由能為ΔG，基于位錯運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)原理，借鑒KOCKS等[14]提出的關(guān)系式：

式中：0＜p≤1和1≤q＜2定義了短程障礙對位錯的阻力構(gòu)型，可以很好地描述塑性流動曲線的構(gòu)型；τ?為在0 K時(shí)的臨界應(yīng)力；G0是位錯依靠自身的熱能克服障礙的激活自由能。而塑性應(yīng)變速率與ΔG的關(guān)系式借助于Orowan方程描述：

將式(2)和(3)合并得到

對于fcc 和hcp結(jié)構(gòu)材料，材料的微觀結(jié)構(gòu)會隨溫度的變化而顯著變化，具體表現(xiàn)為位錯密度隨塑性應(yīng)變呈增長趨勢。根據(jù)位錯積累對流動應(yīng)力的影響，NEMAT-NASSER和LI[15]提出了一個修正式：

式中：f(γ,T)=1+a0[1?反映的是微觀結(jié)構(gòu)演化(主要是位錯密度)對流動應(yīng)力的影響。由于位錯密度與累積應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，通過應(yīng)變(單值增加)來等效反映位錯密度的變化；a0取決于材料初始的微觀結(jié)構(gòu)；Tm為熔點(diǎn)溫度。

結(jié)合式(5)，hcp金屬的塑性流動關(guān)系通式可以由式(4)和流動應(yīng)力非熱部分τa(γ)統(tǒng)一表示為

臨界溫度Tc由下式確定：

4.2 本構(gòu)模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

結(jié)合式(6)和(7)，根據(jù)AZ31鎂合金的物理參數(shù)，對于AZ31鎂合金材料，其本構(gòu)模型如下：

圖8所示為在不同應(yīng)變速率、不同溫度下的模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比。由圖8可以看出：試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果基本一致；在高應(yīng)變速率1.2×104s?1時(shí)存在較大的誤差。而由以上變形機(jī)理的微觀分析可以知道，在此應(yīng)變速率下，晶體內(nèi)部出現(xiàn)大量沉淀析出物，即在一定程度上變形機(jī)理發(fā)生了改變?？傮w上，本模型可以較好地應(yīng)用于AZ31鎂合金材料在高應(yīng)變速率下塑性流動應(yīng)力的預(yù)測。

5 結(jié)論

1) 在低應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，AZ31鎂合金發(fā)生明顯的由脆性到韌性的轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化溫度為473 K左右；當(dāng)應(yīng)變速率增加到1.2×104s?1時(shí)會發(fā)生脆化現(xiàn)象，合金的塑性變形能力變差。

2) 由變形機(jī)理的分析可知，在低應(yīng)變速率下，晶體中孿晶的存在是促進(jìn)材料塑性變形增強(qiáng)的主要因素；而在高應(yīng)變速率下，動態(tài)再結(jié)晶和第二相粒子沉淀硬化將顯著影響金屬塑性變形。

3) 本文作者建立的基于物理概念的位錯動力學(xué)本構(gòu)模型可以較好地預(yù)測鑄造鎂合金AZ31在高應(yīng)變速率不同溫度下的塑性流動應(yīng)力。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖8 不同溫度、不同應(yīng)變速率下模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.8 Comparison of model predictions with experimental results at different temperatures and different strain rates: (a) 1.0×103s?1; (b) 3.0×103s?1; (c) 5.0×103s?1; (d) 1.2×104s?1

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(編輯 陳衛(wèi)萍)

Plastic flow characteristics and physical conception constitutive relation for AZ31 cast magnesium alloy

SU Jing, GUO Wei-guo, HE Ke-xin, GE Yu-zhuo
(School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The plastic flow properties of cast magnesium alloy AZ31 were studied at different strain rates and temperatures by using quasi-static testing machine and Hopkinson pressure bar equipment. The microstructure analysis of deformed specimen was carried out by means of the metallography microscope technique. The results show that, at lower strain rates, the transformation of AZ31 alloy from brittleness to toughness occurs with increasing temperature, and the transformation temperature is about 473 K. The brittleness phenomenon happens with increasing strain rate to 1.2×104s?1, and the plastic deformation capability becomes weak. Based on the microstructure analysis, the key factor of the plastic deformation enhancement at low strain rates is due to the existence of twinning in the crystal. At higher stain rates, however, the dynamic recrystallization and second phase particle precipitation hardness strongly affect the metal plasticity. Based on the thermal activation dislocation mechanism, paralleled with the system testing results, a plastic flow constitutive model with the physical conception was established. The model was used to predict the plastic flow stress at different temperatures and higher strain rates. According to comparing results, good agreement between the model predictions and experimental results is obtained.

AZ31 magnesium alloy; plastic flow; strain rate; microstructure mechanism; constitutive relation

TG146.2+2

A

1004-0609(2011)01-0044-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10872169)；爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(KFJJ08-11)；國家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(613116)

2010-03-04；

2010-06-15

郭偉國，教授，博士；電話：13630283272；E-mail: weiguo@nwpu.edu.cn