石寶東，彭 艷，韓 宇，劉子龍（1.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

AZ31鎂合金軋制板材各向異性力學(xué)性能研究

石寶東1，2，?，彭 艷1，2，韓 宇1，2，劉子龍1，2
（1.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

摘 要：在幾種厚度的AZ31鎂合金軋制板材上沿不同方向取樣進(jìn)行常溫單向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了AZ31鎂合金軋制板材的各向異性力學(xué)性能。基于晶體塑性理論，探討了織構(gòu)對金屬板材宏觀各向異性的影響。分析表明，軋制鎂合金板材具有明顯的各向異性力學(xué)性能及拉壓不對稱性。在軋制（RD）方向的抗壓及抗拉屈服強(qiáng)度明顯小于橫向（TD），各個(gè)方向的抗拉屈服強(qiáng)度明顯大于抗壓屈服強(qiáng)度。不同軋制工藝對板材的力學(xué)性能影響較顯著，主要表現(xiàn)在屈服應(yīng)力不同和延伸率不同?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果與晶體塑性理論，本文從多角度分析了軋制工藝對AZ31鎂合金各向異性力學(xué)性能及拉壓不對稱性行為的影響。

關(guān)鍵詞：AZ31鎂合金；軋制板材；各向異性；孿生；織構(gòu)

0　引言

由于具有比強(qiáng)度和比剛度高、密度低、抗腐蝕、電磁屏蔽性好等特點(diǎn)，鎂及鎂合金日益廣泛地應(yīng)用于交通、家電以及通訊領(lǐng)域［1?5］。目前鎂合金產(chǎn)品以壓鑄件為主，變形產(chǎn)品較少。然而，鑄造鎂合金的力學(xué)性能不夠理想，產(chǎn)品尺寸形狀受到制約，且容易產(chǎn)生鑄造缺陷，導(dǎo)致其使用范圍受到很大局限［6］。和傳統(tǒng)的鑄造鎂合金相比，軋制鎂合金的力學(xué)性能大大提高。但是由于軋制加工工藝導(dǎo)致鎂合金晶體取向以及其自身對稱性較差的特點(diǎn)，使得鎂合金軋板經(jīng)常表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性行為［7］。這種行為會導(dǎo)致鎂合金各個(gè)方向力學(xué)性能有很大差異，在軋制過程中只能采用小壓下量、多道次、多次熱處理等工藝降低各向異性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。因此，設(shè)備投入和單位能耗偏大，次品率過高，進(jìn)而提高了軋制鎂合金的生產(chǎn)成本，制約了其發(fā)展與使用［8］。

對此，國外材料研究工作者已經(jīng)針對軋制鎂合金的力學(xué)性能、加工工藝、化學(xué)成分與顯微組織之間的關(guān)系展開了一系列研究［9?13］。其中，各向異性行為對后續(xù)加工變形工藝具有重要影響，針對AZ31鎂合金軋制板材不同厚度各向異性行為的研究尚不多見，因此，本文以軋制鎂合金為研究對象，針對各向異性行為，試驗(yàn)確定了4種不同厚度AZ31鎂合金軋制板材沿不同方向的力學(xué)性能，研究了AZ31鎂合金軋制板材在室溫下各個(gè)方向的屈服行為，并分析了軋制工藝、顯微組織與AZ31鎂合金的各向異性力學(xué)性能及拉壓不對稱性行為的關(guān)系。

1　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用的AZ31軋制板材有4種規(guī)格列于表1，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）列于表2。

表1　實(shí)驗(yàn)用AZ31軋制板材規(guī)格Tab.1　Geometry of the specimens of AZ31　mm

表2　實(shí)驗(yàn)用AZ31軋制板材化學(xué)成分Tab.2　Chemical composition of AZ31 rolling sheet　%

對于厚度h＝4 mm、6 mm、8 mm的板材，按照ASTM［14?15］標(biāo)準(zhǔn)選用平板試件進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，標(biāo)距段長度50 mm。對于厚度h＝14 mm的板材采用d＝12 mm的圓柱形試件進(jìn)行單向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮試件標(biāo)距段長度20 mm。分別在TD?RD平面內(nèi)沿著與板材RD方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的方向切取試樣。見圖1，試樣尺寸見表3。

圖1　單向拉伸試件取樣示意圖Fig.1　Schematic figure of the specimens of tensile test

表3　單向拉伸（壓縮）試件尺寸Tab.3　Gauge of the specimens for tensile and compressive test mm

在INSPECT TABLE100電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，采用位移加載模式，加載速度為1 mm/min。在W1300電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單向壓縮實(shí)驗(yàn)，同樣采用位移加載模式，加載速度為1 mm/min。

2　結(jié)果與分析

2.1試件取向?qū)η?yīng)力及硬化行為的影響

實(shí)驗(yàn)測得室溫下AZ31軋制板材沿7個(gè)方向進(jìn)行單向拉伸與單向壓縮的屈服應(yīng)力如圖2所示，抗拉與抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

對比發(fā)現(xiàn)，這3種實(shí)驗(yàn)板材拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度變化趨勢基本一致：TD方向的拉伸屈服強(qiáng)度大于RD方向的拉伸屈服強(qiáng)度，TD方向的壓縮屈服強(qiáng)度小于RD方向的壓縮屈服強(qiáng)度。該現(xiàn)象源于鎂合金在軋制階段形成了很強(qiáng)（0001）的織構(gòu)［16］，使初始晶粒取向有利于產(chǎn)生拉伸孿生的試件，其屈服強(qiáng)度較低。由于AZ31鎂合金室溫塑性變形機(jī)制是（0001）基面滑移和（10?12）錐面（拉伸）孿生［12］，當(dāng)外加應(yīng)力垂直于（0001）基面時(shí)，基面滑移系無法啟動(dòng)，使屈服強(qiáng)度升高而塑性降低。由于（10?12）孿晶會導(dǎo)致晶粒沿C軸方向發(fā)生變形，所以當(dāng)壓應(yīng)力垂直于基面時(shí)，拉伸孿晶也較難產(chǎn)生，垂直于基面方向的屈服強(qiáng)度較大。鎂合金在軋制時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)可以近似簡化為ND方向受壓，RD 及TD方向受拉。研究發(fā)現(xiàn)，在軋制過程中鎂合金會形成強(qiáng)烈的（0001）基面織構(gòu)［12，18］，大部分晶粒C軸指向ND方向，小部分晶粒C軸指向TD方向，只有極少的晶粒C軸朝向RD方向，如圖4所示。而RD方向變形量大于TD方向變形量，使得小部分C軸未完全轉(zhuǎn)向垂直板面方向的晶粒大多指向TD方向，經(jīng)過熱軋后鎂合金板材（0002）晶面朝向TD方向的幾率明顯大于朝向RD方向的幾率。因此，TD方向受拉時(shí)容易產(chǎn)生拉伸孿晶，從而導(dǎo)致了鎂合金在TD方向的拉伸屈服強(qiáng)度小于RD方向的拉伸屈服強(qiáng)度。

圖2　不同厚度不同方向AZ31鎂合金初始屈服面Fig.2　Initial yield surfaces of AZ31 with different thickness and different directions

圖3　不同厚度AZ31鎂合金單向拉伸、壓縮強(qiáng)度Fig.3　UTS（UCS）of AZ31 Mg alloy with different thickness and different directions

圖4　軋制AZ31板材的織構(gòu)［19］Fig.4　Texture of AZ31 rolling sheet

研究［19?20］認(rèn)為，HCP金屬的硬化機(jī)制主要有兩類：一是隨著應(yīng)變增加拉伸孿晶對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，從而產(chǎn)生硬化；二是拉伸孿晶使晶體取向轉(zhuǎn)變，由軟取向轉(zhuǎn)向硬取向，從而產(chǎn)生硬化。對比同為HCP結(jié)構(gòu)的AZ31與α鈦，其晶胞軸比c/a極為相近（1.623 5和1.633），但是前者的加工硬化率明顯高于后者，如圖5所示。因此，鎂合金的硬化機(jī)制不能簡單由以上兩點(diǎn)原因進(jìn)行解釋。其根本原因是材料基體內(nèi)部位錯(cuò)密度迅速增加，位錯(cuò)纏結(jié)在一起，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶滯后發(fā)生，呈現(xiàn)出較高的加工硬化現(xiàn)象。

圖5　AZ31與α鈦應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5　Comparison of stress?strain curve between AZ31 and α Ti

2.2拉壓不對稱性

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AZ31板材在拉伸和壓縮時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線與強(qiáng)度極限存在明顯不對稱性，如圖6所示。拉伸曲線與其他常規(guī)金屬拉伸時(shí)應(yīng)力曲線相似，由曲線可以推斷為韌性斷裂失效［21］。壓縮曲線在加載初期為線彈性，屈服后進(jìn)入塑形變形階段，首先表現(xiàn)為上凹型，塑性變形累積到一定程度后曲線轉(zhuǎn)為上凸型，推斷為剪切應(yīng)力引起的斷裂失效［22］。

圖6　AZ31鎂合金拉伸?壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對比Fig.6　Strength differential effect of AZ31 Mg alloy

該拉壓不對稱行為亦稱為Strength Differential effect（即SD效應(yīng)）。研究表明，當(dāng)進(jìn)行單向拉伸且加載方向垂直于C軸時(shí)，壓縮孿晶的產(chǎn)生會顯著增加，而在單向壓縮應(yīng)力垂直于C軸時(shí)沒有這種現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了SD效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，拉伸和壓縮時(shí)的屈服應(yīng)力基本一致，這是由于當(dāng)加載方向垂直于C軸時(shí)AZ31鎂合金中基面滑移最先開動(dòng)，而基面滑移不會表現(xiàn)出拉壓非對稱行為，因此，屈服應(yīng)力也沒有表現(xiàn)出拉壓非對稱性。

2.3變形機(jī)理對AZ31板材各向異性行為的影響

2.3.1室溫下AZ31鎂合金變形機(jī)制

純鎂及大部分鎂合金具有密排六方（HCP）晶體結(jié)構(gòu)。室溫時(shí)（0001）基面滑移和（10?12）錐面（拉伸）孿晶是其主要塑性變形機(jī)制?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，鎂合金中最容易開動(dòng)的孿晶類型是（10?12）錐面（拉伸）孿晶，而軸比與外力作用方向是決定孿晶能否發(fā)生的兩個(gè)關(guān)鍵因素：當(dāng)c/a＜1.732時(shí)，要發(fā)生孿晶變形，需要施加加載方向平行于基面的壓應(yīng)力或垂直于基面的拉應(yīng)力。（0001）基面與外加應(yīng)力垂直時(shí)，基面滑移系無法開動(dòng)，材料塑性下降而屈服應(yīng)力上升。由于（10?12）孿晶會導(dǎo)致晶粒沿C軸方向發(fā)生變形，所以當(dāng)應(yīng)力垂直于基面時(shí)，拉伸孿晶也較難產(chǎn)生，垂直于基面方向的屈服強(qiáng)度較大。

2.3.2AZ31鎂合金的織構(gòu)形成及強(qiáng)化機(jī)制

由于滑移系分布在基面上，鎂合金變形后易產(chǎn)生較強(qiáng)的基面織構(gòu)［23］。鎂合金塑性變形時(shí)，晶粒在外加應(yīng)力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。晶體轉(zhuǎn)動(dòng)方向與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，對于鎂合金，在外力作用下，會產(chǎn)生力偶導(dǎo)致晶粒旋轉(zhuǎn)，然后逐漸轉(zhuǎn)向硬取向，即基面與主壓應(yīng)力平行。在拉應(yīng)力狀態(tài)下其滑移方向轉(zhuǎn)向拉伸方向，在壓應(yīng)力作用下其滑移方向轉(zhuǎn)向與壓應(yīng)力垂直。

鎂合金在軋制時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)可以簡化為ND方向受壓，RD及TD方向受拉［24］，如圖7所示。研究認(rèn)為［19?21］，鎂合金在經(jīng)過軋制后會形成很強(qiáng)的（0001）基面織構(gòu)，這種織構(gòu)的形成是由于變形過程中基面滑移和錐面孿晶導(dǎo)致的晶體取向定向改變所致［25］。主要特點(diǎn)是：（RD）軋制面平行于（0001）基面，織構(gòu)強(qiáng)度隨著板厚減小及軋制溫度降低而升高。冷軋比熱軋?jiān)谧冃螘r(shí)能開動(dòng)的滑移系更少，易形成更強(qiáng)烈的織構(gòu)?？紤]到軋制時(shí)板材沿RD方向伸長大于TD方向，因此基面法向（C軸）更傾向于TD方向，而拉應(yīng)力垂直于基面或壓應(yīng)力平行于基面時(shí)，基面滑移較難開動(dòng)，進(jìn)一步導(dǎo)致了RD方向的拉伸屈服應(yīng)力與壓縮屈服應(yīng)力均小于TD方向。

圖7　軋制過程中AZ31鎂合金受力與變形示意圖Fig.7　Schematic figure of the stress state of AZ31 under rolling

3　結(jié)論

1）AZ31鎂合金軋制板坯拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度變化趨勢基本一致：TD方向的拉伸屈服強(qiáng)度大于RD方向的拉伸屈服強(qiáng)度，TD方向的壓縮屈服強(qiáng)度小于RD方向的壓縮屈服強(qiáng)度。

2）鎂合金在變形時(shí)比α鈦硬化率高，其主要原因是材料內(nèi)部基體位錯(cuò)數(shù)量增加迅速，位錯(cuò)堆積較嚴(yán)重，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶滯后發(fā)生，呈現(xiàn)出較高的加工硬化現(xiàn)象。

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Investigation on anisotropic mechanical behavior of AZ31 Mg alloy rolling sheet

SHI Bao?dong1 2PENG Yan1 2HAN Yu1 2LIU Zi?long1 2
1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China 2.School of Mechanical Engineering Yanshan University Qinhuangdao Hebei 066004 China

AbstractThe anisotropic mechanical properties of wrought AZ31 alloy sheet with different thickness were studied by uniaxial ten?sion and compression tests at room temperature along different directions.The influence of the texture on the macroscopic anisotropy of the sheet was discussed based on crystal plasticity theory.Strong anisotropic mechanical properties and Strength Differential effect SD effect were observed for the wrought Mg alloy sheet.It was found that the compressive and tensile yield strength along rolling direction RD were much lower than the one along transverse direction TD and the tensile yield strength was larger than the compressive one along all directions.It is found that the effect of different rolling processes on the mechanical properties was pro?nounced and more precisely the yield strength and elongation were effected.The influence of rolling processes on the anisotropic mechanical properties and SD effect in the AZ31 alloy was analyzed based on experimental observations and crystal plasticity theory in the current work.

Key wordsAZ31 Mg alloy rolling sheet anisotropy twin texture

作者簡介：?石寶東（1982?），男，河北唐山人，博士，講師，主要研究方向?yàn)樘胤N輕合金（鎂、鋁、鈦合金）變形機(jī)制、顯微組織調(diào)控、熱處理工藝，宏觀?介觀?微觀跨尺度本構(gòu)模型，Email：baodong.shi＠ysu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51401178）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2015203009）；人力資源和社會保障部留學(xué)歸國人員擇優(yōu)資助項(xiàng)目（CG2014003004）

收稿日期：2015?03?25

文章編號：1007?791X（2015）03?0221?05

DOI：10.3969/j.issn.1007?791X.2015.03.005

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG146.2