邹罡;张康;张诗昌
【摘 要】在温度为25℃～300℃、应变速率为3×10-2 s-1～ 10-4 s-1的条件下,对挤压态的AZ31镁合金沿挤压方向进行了压缩试验,试验研究了加工硬化率随应力的变化关系,以及产生第Ⅱ阶段加工硬化的原因.结果表明,在一定温度及应变速率范围内,加工硬化率随应力增加而增加,当加工硬化率达到峰值时即出现第Ⅱ阶段加工硬化.产生第Ⅱ阶段加工硬化的主要原因是压缩过程中,镁合金组织产生了{ 1012}拉伸孪晶,随着孪晶数量增加,大量孪晶界会阻碍位错运动,造成加工硬化率升高. 【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2017(045)005
【总页数】5页(P52-56)
【关键词】镁合金;第Ⅱ阶段加工硬化;孪晶;加工硬化率
【作 者】邹罡;张康;张诗昌
【作者单位】广东省建筑科学研究院集团股份有限公司,广东 广州 510500;武汉科技大学 材料与冶金学院,湖北 武汉 430081;武汉科技大学 材料与冶金学院,湖北 武汉 430081
【正文语种】中 文
【中图分类】TG146.22
根据加工硬化率与应力之间的关系，金属材料的加工硬化通常具有三个阶段特征[1]：第Ⅰ阶段的特点是加工硬化率很低，且与应力无关，一般出现在单晶材料中；第Ⅱ阶段则对应着较高的加工硬化率，且在某一给定的变形条件下，加工硬化率为一确定常数；第Ⅲ阶段加工硬化率与应力呈线性关系，即随着应力增加，加工硬化率直线降低。材料在变形过程中，根据变形条件的不同往往表现出一个或几个加工硬化特征[1-2]。镁合金的加工硬化随变形温度和应变速率的变化可以出现第Ⅱ或第Ⅲ阶段加工硬化[3-4]。由于第Ⅱ阶段加工硬化与位错交互作用有关，因此产生第Ⅱ阶段加工硬化需要具备特定条件。Hnorng-Yu Wu[3]等人研究了AZ31B-H24镁合金热轧薄板的加工硬化行为表明：只有当应变速率高于4×10-3 s-
1且在室温下变形时，AZ31B-H24镁合金才产生第Ⅱ阶段加工硬化，而当温度升高到250℃时，第Ⅱ阶段加工硬化消失。镁合金的加工硬化不仅取决于温度及应变速率等变形条件，而且还与合金的晶粒尺寸、晶体取向等因素有关[5-6]。本试验主要研究垂直挤压方向压缩时，AZ31镁合金产生第二阶段加工硬化的温度及应变速率条件，探讨镁合金发生第Ⅱ阶段加工硬化的原因。
试验用原材料为AZ31镁合金挤压棒，化学成分
为：w(Al)=2.75%,w(Zn)= 0.99%,w(Mn)=0.46%,Si、Fe、Cu微量，其余为Mg。其金相显微组织为α-Mg固溶体，平均晶粒尺寸25 μm。压缩试样沿挤压棒的挤压方向截取，即压缩轴与挤压方向平行。试样尺寸为φ8 mm×12 mm。压缩试验在经过改装的高温拉伸试验机上进行，试验时，先将试样升至试验温度，然后保温15 min。试验温度分别为25℃、100℃、200℃、250℃和300℃，初始应变速率分别为3×10-2 s-1、10-3 s-1和10-4 s-1。
2.1 AZ31镁合金的应力-应变曲线
试验温度为25℃～300℃，应变速率3×10-2 s-1、10-3 s-1和10-4 s-1时，AZ31镁合金压缩应力-应变曲线如图1所示。
在25℃、100℃压缩以及200℃、应变速率不小于10-3 s-1压缩时，试样产生了破裂。而当温度为250℃和300℃压缩以及温度为200℃,应变速率为10-4 s-1压缩时，试样均未出现破裂失效，此时图中给出了部分应变量时的应力-应变曲线。从图1中可以看出，温度25 ℃和100℃压缩时，不论应变速率大小，应力-应变曲线具有相似形状。首先，当应力达到屈服点时，随应变增加应力开始缓慢增加，经过一定的应变之后，应力随应变出现了快速增加，当应变接近峰值应变时，应力增加又开始变缓，在达到峰值应力以后，试样出现了破裂。温度为200 ℃且应变速率不小于10-3 s-1，温度为250 ℃且应变速率为3×10-2 s-1，应力-应变曲线也具有类似特征。
随着温度升高以及应变速率降低，应力-应变曲线发生了显著变化。当温度为200℃和250℃且应变速率为10-4 s-1，以及温度为300 ℃，应变速率不小于3×10-2 s-1压缩时，应力-应变曲线则表现为应力随应变而缓慢增加，没有出现应力随应变快速增加的阶段。
2.2 AZ31镁合金的加工硬化率曲线
根据加工硬化率定义，结合应力-应变曲线，求出AZ31镁合金压缩加工硬化率θ以及屈服应力Rp0.2，然后绘制θ-(σ-Rp0.2)曲线，如图2所示。
图2反映的是应力在达到峰值应力前加工硬化率曲线，峰值应力之后，加工硬化率出现了负值，不属于本研究范畴，所以不予考虑。
从图2中可以看出，当应变速率为3×10-2 s-1，温度不大于250℃以及应变速率为10-4 s-1，温度不大于100℃时，AZ31镁合金的加工硬化率随应力发生了如下变化:当应力大于屈服应力时，塑性变形开始，加工硬化率随应力增加而快速下降，这一阶段对应的应变量很小，之后加工硬化率随应力增加而增加，达到峰值后，加工硬化率处于短暂的稳定阶段，即处于第Ⅱ加工硬化阶段，随后，加工硬化率开始随应力快速降低。最大加工硬化率即为第二阶段加工硬化率θⅡ。θⅡ与温度及应变速率的关系如图3所示。由图3可见，θⅡ随温度增加而减小，随应变速率增加而增加。
镁合金沿轴向压缩时，发生第Ⅱ阶段加工硬化的变形温度及应变速率范围如图4中阴影部分所示。
从图4中可以看出，应变速率越大，产生第Ⅱ阶段加工硬化的温度范围越大。例如，应变速度为3×10-2 s-1压缩时，温度不大于250℃范围内均能出现第Ⅱ阶段加工硬化。而当应变速率为10-4 s-1时，只有当温度不大于100℃时，才可能产生第Ⅱ阶段加工硬化。
镁合金加工硬化与其变形组织有关。镁合金的变形组织中容易产生2}拉伸孪晶，该孪晶的产生与镁合金的织构有关。图5a、5b所示为挤压态AZ31镁合金压缩试样在其压缩面上的XRD图谱与反极图，可以看出，柱面0)和0)与试样的压缩面平行，其晶格排列如图5c所示，压缩轴与镁合金晶体的C轴垂直。因此，当试样受到压缩时，形成2}拉伸孪晶[7-9]。
2}拉伸孪晶的数量与变形温度有关。图6所示为=3×10-2 s-1压缩时，温度对AZ31镁合金金相组织的影响。
图6a为AZ31镁合金压缩前的原始组织，组织中没有孪晶，为单相α-Mg固溶体；25℃压缩时，组织中出现了大量孪晶；当温度升高到200℃时，孪晶数量显著降低；300℃压缩时，孪晶完全消失，并在晶界附近析出了细小再结晶晶粒。文献[10-12]对镁合金孪晶组织的分析结果也表明温度是影响孪晶数量的主要原因。
2}拉伸孪晶是影响镁合金加工硬化的主要原因。AZ31镁合金的压缩方向与<c>轴垂直，有利于2}拉伸孪晶的形成。当温度较低，应变速率较高时，镁合金的流变应力容易达到孪晶开动所需要的临界应力，一旦孪晶开动，其发展速度很快。文献[11]研究结果表明：200℃,10-1 s-1变形时，只需1.1 s时刻，90%组织被孪晶所占据。孪晶数量增加导致孪晶
界数量增加，孪晶界与晶界在阻碍位错运动方面具有类似作用。同时，孪晶的开动会使镁合金的晶格发生转动，使某些晶粒产生硬取向，导致镁合金加工硬化率上升。当孪晶数量达到一定的饱和状态时，出现了短暂的稳定阶段，即产生了第Ⅱ阶段加工硬化。随着变形的进行，应变进一步增加，发生孪晶合并，孪晶数量逐渐减少，加工硬化率下降。=3×10-2 s-1、300 ℃压缩时，由于没有孪晶的产生，所以没有出现第Ⅱ阶段加工硬化。
1)沿挤压方向压缩时，AZ31镁合金应力-应变曲线表明：随着应力增加，加工硬化率增加，当加工硬化率出现峰值时，即产生了第Ⅱ阶段加工硬化。
2)第Ⅱ阶段加工硬化的出现与压缩过程中2}拉伸孪晶有关，随着孪晶数量增加，孪晶界阻碍位错运动的作用增加，因而加工硬化率升高。
【相关文献】
[1] KOCKS U F and MECKING H.Physics and phenomenology of strain hardening: the FCC case[J].Progress in Materials Science,2003,48(3): 171-273.
[2] 哈宽富.金属力学性质的微观理论[M].北京:科学出版社，1983.
[3] WU Hong yu,LIN Feng zheng.Mechanical properties and strain hardening behavior of Mg alloy AZ31B-H24 thin sheet[J].Materials Science and Engineering A,2010,527:1194-1199.
[4] GUO Lili,CHEN Zhongchun,GAO Li.Effects of grain size,texture and twinning on mechanical properties and work-hardening behavior of AZ31 magnesium alloys[J].Materials Science and Engineering A,2011,528: 8537-8545.
[5] WANG Bingshu,XIN Renlong,HUANG Guangjie,LIU Qing.Effect of crystal orientation on the mechanical properties and strain hardening behavior of magnesium alloy AZ31 during uniaxial compression[J].Materials Science and Engineering A,2012,534:588-593.
[6] DEL VALLE J A,CARREN F,RUANO O A.Influence of texture and grain size on work hardening and ductility in magnesium-based alloys processed by ECAP and rolling[J].Acta Materialia ,2006,54:4247-4259.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议