王 慶，林金保，黃慶學，王 翀(太原科技大學，太原 030024)

鎂及鎂合金是在工程應用中最輕的金屬結構材料[1]。鎂合金具有比強度、比剛度高以及良好減振性、切削加工尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，尤其易于回收利用，具有環(huán)保特性[2]，在實際生產(chǎn)應用中具有廣闊的應用前景。研究AZ31鎂合金在高溫下的塑性變形為與該合金在高溫塑性變形過程中的真應力真應變，為制定AZ31鎂合金熱加工過程的工藝參數(shù)提供理論參考，為研究AZ31鎂合金的熱變形理論和塑性變形的數(shù)值模擬提供必要的實驗數(shù)據(jù)。

1 材料及試驗方法

實驗的材料為商用的AZ31鎂合金，為Mg-Al-Zn系合金，其化學成分(質量分數(shù))為：Al 2.5%-3.5%，Zn 0.6-0.4%，Mn 0.15-0.5%，Ca 0.05%，Ni 0.005%，F(xiàn)e 0.005%，Mg余。將材料通過線切割機床加工成Φ8×12 mm圓柱式實驗試樣，在Gleeble 1500熱模擬試驗機上對試樣進行單向熱壓縮實驗。壓縮溫度為473 K-673 K，溫度間隔為50 K，應變速率為0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1、3 s-1.壓縮前溫升速度為4 K/s，到額定溫度后保溫5 min.試樣相對壓下量為60%.

材料按照國標加工成如圖1所示的拉伸試樣，在UTM5305拉伸機上進行單向拉伸。實驗溫度與壓縮相同，應變速率分別為0.000 33 s-1，0.001 s-1，0.01 s-1，0.05 s-1.拉伸前溫升速度為5 K/s，到溫后保溫10 min.

圖1 熱拉伸試樣標準尺寸

2 實驗結果分析

2.1 真應力真應變曲線對比

如圖2、3所示為AZ31鎂合金在不同應變速率和不同溫度下熱變形的真應力-真應變曲線。AZ31鎂合金在熱變形過程中的真應力峰值隨應變速率變化而變化，表明該合金材料是應變速率敏感材料。在壓縮變形過程中AZ31鎂合金的真應力先升高至峰值然后降低至穩(wěn)態(tài)值。在拉伸變形過程中AZ31鎂合金的真應力值不斷增加，直至試樣拉斷。由于鎂合金為密排六方晶體結構的金屬材料，所以在壓縮拉伸熱變形過程中鎂合金的真應力明顯不同。在高溫低速的變形過程中AZ31鎂合金的真應力峰值消失。無論是在壓縮還是拉伸過程中，真應力都出現(xiàn)明顯的鋸齒形波動，說明在鎂合金在熱變形過程中存在動態(tài)回復。

圖2AZ31鎂合金熱壓縮變形過程中的真應力應變曲線

Fig.2Thetruestress-straincurveofAZ31Magnesiumalloyduringthermalcompressionprocess

圖3 AZ31鎂合金熱拉伸變形過程中真應力應變曲線

2.2 應變速率對真應力的影響

(1)

其中，s1和n1均為材料的常數(shù)，而在低溫、高速的變形條件下該合金的真應力與應變速率之間的關系可用冪指數(shù)關系描述:

(2)

式中，s2和β是材料常數(shù)。由于方程(1)僅適用于低應力水平和式(2)僅適用于高應力水平的局限性，本文采用了包括變形激活能Q和溫度T的修正后的雙曲正弦形式Arrhenius關系來描述AZ31鎂合金的熱變形行為[4-6]:

(3)

其中s，n與α是材料常數(shù)，R是氣體常數(shù)。由于式(3)可以同時描述AZ31鎂合金變形過程中的低應力和高應力，因而該式可用于描述不同變形條件下AZ31鎂合金的應力應變關系。材料常數(shù)α，β與n之間滿足:

α=β/n

(4)

由于AZ31鎂合金材料易發(fā)生動態(tài)回復，因此選用該材料的峰值應力值來描述變形過程中的真應力，假定在溫度確定時，該材料的變形激活能為一常數(shù)，則由式(1)～式(3)推導得:

(5)

(6)

(7)

圖4AZ31鎂合金壓縮變形過程中的真應力峰值與應變速率之間的關系

Fig.4TherelationshipbetweenthetruepeakstressandstrainrateduringAZ31magnesiumalloycompressiondeformationprocess

圖5 AZ31鎂合金拉伸變形過程中的真應力峰值與應變速率之間關系

圖5分別為在不同變形條件下AZ31鎂合金熱變形時應變速率與真應力峰值之間的關系曲線。通過實驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在變形溫度確定時，真應力峰值與應變速率之間的線性關系比較明顯。

根據(jù)對試驗數(shù)據(jù)的擬合，可得熱壓縮過程中的n1=14.159 9和β=0.125 5，從而根據(jù)式(4)得到α=0.008 9 MPa-1.熱拉伸過程中的n1=22.67和β=0.336 2，得到α=0.014 8 MPa-1采用實驗數(shù)據(jù)求得的α值，重新繪制真應變真應力的雙曲正弦關系圖，從擬合圖4(c)、5(c)來看，應變速率與真應力峰值符合線性關系。當變形溫度上升時，直線斜率會隨溫度的變化而變化，也說明變形激活能不是隨溫度變化而不變。

2.3 變形溫度對真應力的影響

AZ31鎂合金在變形過程中的真應力，通常由AZ31鎂合金在不同變形溫度、變形速率和變形程度下，熱變形過程中的峰值應力值的大小來衡量。由定義Zener-Hollomon的參數(shù)，可以得到:

(8)

當應變速率確定并保持不變時，假定變形溫度在小范圍內變化時AZ31鎂合金的變形激活能保持不變，對方程(8)取對數(shù)可得:

(9)

由此可得峰值應力與溫度之間的關系:

(10)

圖6所示為根據(jù)實驗溫度和真應力峰值繪制得到的ln[sinh(ασ)]-1 000/T之間的曲線關系。如圖6可知，變形溫度和真應力峰值呈較好的線性關系，由此證明AZ31鎂合金在熱變形過程中變形溫度和真應力峰值之間滿足Arrhenius曲線關系，可以用Z參數(shù)來描述AZ31鎂合金在熱變形過程中時的真應力真應變行為。

圖6AZ31合金的ln[sinh(ασ]與103/T的關系

Fig.6Therelationshipbetweenln[sinh(ασ)]and103/TofalloyAZ31

2.4 流變應力方程的建立

變形激活能是受AZ31鎂合金材料組織結構及變形過程中的工藝參數(shù)等不同的變形因素的影響，是描述AZ31鎂合金在高溫變形過程中重排原子的難易程度的一個微觀物理量。變形速率減小時，合金內位錯遷移速率的升高導致位錯密度減小，使位錯的滑移不受阻，不會引起晶界附近的應力集中，從而降低材料的變形激活能[11]。

由于變形溫度和應變速率對AZ31鎂合金的變形激活能有直接影響，利用式(3)可得：

(11)

由式(8)可推出：

sinh(ασ)=(Z/s)1/n

(12)

由定義雙曲正弦函數(shù)推導得:

sinh-1(ασ)=ln[ασ+(ασ2+1)1/2]

(13)

由此，可將真應力表示成參數(shù)Z的函數(shù)：

σ=1/αln{(Z/s)1/n+[(Z/s)2/n+1]1/2}

(14)

根據(jù)式(8)，得到壓縮、拉伸參數(shù)Z分別為：

Z=εexp[132.28×103/(RT)]
Z=εexp[255.26×103/(RT)]

根據(jù)式(3)，得到該合金的流變應力方程分別為：

ε=7.01×1020[sinh(0.0089σ)]9.664·
exp[-132.38×103/(RT)]
ε=5.54×1034[sinh(0.0148σ)]15.8·
exp[-255.26×103/(RT)]

根據(jù)式(14)，熱變形流變應力方程分別為：

σ=112.359ln{[Z/(7.01×1020)]1/9.664+
[(Z/(7.01×1020))2/9.664+1]1/2}
σ=67.567ln{[Z/(5.54×1034)]1/15.8+
[(Z/(5.54×1034))2/15.8+1]1/2}

3 結論

(1)AZ31鎂合金在473-673K進行熱變形時，應變速率和變形溫度對真應力產(chǎn)生明顯影響。AZ31鎂合金在變形過程中真應力峰值隨溫度、應變速率的變化而變化。在高速低溫的變形情況下，熱拉伸AZ31鎂合金的真應力值不斷增加，不存在穩(wěn)態(tài)應力值。在低速高溫的變形情況下AZ31鎂合金變形過程中的真應力峰值消失。在壓縮拉伸的熱變形過程中AZ31鎂合金的真應力明顯不同。無論是在壓縮還是拉伸變形過程中，真應力都出現(xiàn)明顯的鋸齒形波動，說明在AZ31鎂合金的熱變形過程中存在動態(tài)回復。

(2)AZ31鎂合金熱變形的真應力行為可用包含Arrhenius項的Zener-Hollomon 參數(shù)來描述。該合金的熱變形激活能：壓縮變形激活能為Q=132.38 kJ/mol，拉伸變形激活能為Q=255.26 kJ/mol，熱壓縮變形的真應力方程為：

ε=7.01×1020[sinh(0.0089σ)]9.664×

exp[-132.38×103/(RT)]

熱拉伸變形的真應力方程為：

ε=5.54×1034[sinh(0.0148σ)]15.8×

exp[-255.26×103/(RT)]

參考文獻：

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