溫度和加載方向?qū)D壓態(tài)AZ31鎂合金動態(tài)壓縮行為及顯微組織的影響

盧立偉，趙 俊，劉龍飛，王亞平，陳志鋼

（湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭411201）

0 引 言

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、減震降噪能力強(qiáng)、易于機(jī)加工以及可完全回收利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天和汽車等領(lǐng)域，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”［1-3］。大多數(shù)鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，對稱性低，室溫滑移系少，塑性變形能力比體心和面心立方金屬低得多。如何提高鎂合金的塑性變形能力以及分析其塑性變形機(jī)制已成為目前研究關(guān)注的熱點(diǎn)［4-7］。此外，由于鎂合金所處的工作環(huán)境越來越惡劣，尤其是高溫、高壓工況對其性能提出了新的挑戰(zhàn)。鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中變形鎂合金更具發(fā)展?jié)摿?。擠壓為變形鎂合金中的主要成形方式之一，而擠壓鎂合金的組織中常常存在長條晶粒以及組織極其不均勻等缺陷。以往人們對鎂合金力學(xué)性能的研究多集中在高溫低應(yīng)變速率［8-9］、室溫低應(yīng)變速率［10］以及室溫高應(yīng)變速率［11-12］下，而對其在高溫高應(yīng)變速率下力學(xué)行為和變形機(jī)理的研究相對較少［13］，特別是對存在混晶組織的擠壓鎂合金在壓縮作用下的顯微組織演變以及協(xié)調(diào)變形能力方面有待研究。

因此，作者以具有混晶組織和典型基面織構(gòu)的AZ31擠壓鎂合金為研究對象，利用分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)研究了溫度和加載方向?qū)ζ湓诟邷叵聞討B(tài)壓縮行為和組織演變的影響，并分析了鎂合金的壓縮變形機(jī)制，為加快它的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用直徑為10mm的AZ31鎂合金擠壓棒材，擠壓溫度為400℃，擠壓比為4.5。試樣基面與擠壓方向（ED）平行，ID為加載方向，利用線切割從擠壓AZ31鎂合金棒材上分別沿平行于ED和垂直于ED截取φ5mm×5mm的圓柱體試樣，如圖1所示。

圖1 壓縮試樣的截取示意Fig.1 Schematic illustration of as-cut samples for dynamic compression deformation

采用電阻絲將試樣分別加熱至150，200，250，300℃，保溫10min后在分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓力控制在0.2MPa，應(yīng)變速率保持在103s-1左右。試驗(yàn)前，在試樣表面和壓頭上涂抹凡士林，以減小試樣和壓頭間的摩擦。

利用Hopkinson系統(tǒng)的配套設(shè)施導(dǎo)出不同試樣壓縮后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并將壓縮前后的試樣沿ED切開，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后在DMS756型光學(xué)顯微鏡下觀察截面的組織變化，腐蝕溶液為5g苦味酸＋5g醋酸＋10mL蒸餾水＋100mL乙醇，腐蝕時間為5s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)壓縮行為

由于加載壓力較小，兩種試樣均出現(xiàn)了微弱的鐓粗現(xiàn)象，但均無斷裂或微裂紋出現(xiàn)。對于加載方向平行于ED的試樣，可將其動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分為4個階段：①初始硬化階段、②硬化趨緩階段、③硬化加劇階段和④載荷卸載階段，如圖2所示。平行于ED壓縮時，流變應(yīng)力較高，由于初期變形量未達(dá)到發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶所需的臨界應(yīng)變，致使AZ31鎂合金出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)變硬化現(xiàn)象；隨后由于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化導(dǎo)致硬化現(xiàn)象減緩，發(fā)現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象；繼而隨著真應(yīng)變再增大，硬化現(xiàn)象加??；最后由于載荷卸載使得真應(yīng)力快速下降。此外，溫度越高，越容易開啟更多的滑移系，進(jìn)而誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶，致使真應(yīng)力下降試驗(yàn)結(jié)束的，屈服強(qiáng)度降低，真應(yīng)變增大，300℃時的達(dá)到17.2%。

對于加載方向垂直于ED的試樣，其真應(yīng)力-應(yīng)變曲線為上凸形，沒有明顯的屈服現(xiàn)象［14］，其總體變化趨勢為應(yīng)變硬化效應(yīng)占主導(dǎo)地位，動態(tài)再結(jié)晶的軟化效果不明顯，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后進(jìn)入載荷卸載階段。壓縮溫度高于200℃時，溫度對其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線無明顯影響，這主要是由于在高溫以及應(yīng)變速率為103s-1的條件下，存在溫度剪切模量的補(bǔ)償，流變應(yīng)力出現(xiàn)不受熱激活擴(kuò)散中的變形速度所控制［15］。

圖2 不同加載方向試樣在不同溫度下的動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 Dynamic compressive true stress-true strain curves of different samples with different loading directions at different temperatures：（a）parallel to ED and（b）perpendicular to ED

2.2 顯微組織演變

由圖3（a）可見，擠壓態(tài)AZ31鎂合金平行于ED的截面組織中存在部分沿擠壓方向被拉長的晶粒，晶界多為平直狀，少部分呈彎曲的鋸齒狀，此外還混有大量粗大的晶粒和細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，其晶粒尺寸分別約為75μm和6μm，且細(xì)小的再結(jié)晶晶粒主要分布在粗大晶粒和長條晶粒的晶界處。由圖3（b）可見，垂直于ED的截面組織中僅存在細(xì)小的再結(jié)晶晶粒和粗大的晶粒。由于AZ31擠壓態(tài)鎂合金內(nèi)部組織存在各向異性，在壓縮變形時，各種晶粒協(xié)調(diào)變形機(jī)制存在差異，從而導(dǎo)致不同方向的組織演變和動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線不一致。

圖3 擠壓態(tài)AZ31鎂合金不同方向的顯微組織Fig.3 Microstructure of extruded AZ31 magnesium alloy at different directions：（a）parallel to ED plane and（b）perpendicular to ED plane

當(dāng)溫度為150℃時，在壓縮方向平行于ED的試樣中，壓縮后長條晶粒和粗大晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量細(xì)小、狹長的孿晶組織，如圖4（a）所示，這些孿晶被鑒定為｛101-1｝、｛101-3｝以及其二次孿生等［15］，這主要是因?yàn)閴嚎s方向與擠壓態(tài)鎂合金大部分晶粒的c軸垂直，整個試樣的基面會向壓縮方向傾轉(zhuǎn)至基面垂直于壓縮方向，在轉(zhuǎn)動過程中，原始晶粒尺寸存在較大差異，各晶粒轉(zhuǎn)動存在不協(xié)調(diào)性，致使長條晶粒和粗大晶粒晶界處積聚了較大應(yīng)力，從而誘發(fā)壓縮孿晶及其二次孿晶形成。此外，原始的細(xì)小再結(jié)晶晶粒無明顯變化，這說明細(xì)晶組織多依靠滑移或晶粒轉(zhuǎn)動來協(xié)調(diào)變形。當(dāng)溫度為200℃時，與150℃的組織對比可發(fā)現(xiàn)，其局部發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化區(qū)，在長條晶粒內(nèi)部混有狹長的壓縮孿晶和凸透鏡狀拉伸孿晶，如圖4（b）所示；當(dāng)溫度升至250℃時，大部分粗大晶粒組織消失，主要被動態(tài)再結(jié)晶晶粒所取代，孿晶主要集中在長條晶粒內(nèi)部和極個別的粗大晶粒中，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，動態(tài)再結(jié)晶形核位置主要集中在粗大晶粒和長條晶粒的晶界處、孿晶和孿晶之間的交叉處，如圖4（c）所示；當(dāng)溫度高達(dá)300℃時，擠壓AZ31鎂合金內(nèi)部的混晶組織全部被細(xì)小的再結(jié)晶晶粒替代，平均晶粒尺寸約為10μm，無孿晶出現(xiàn)，如圖4（d）所示，這說明變形機(jī)制以滑移為主。

由圖5可見，當(dāng)溫度為150℃時，加載方向垂直于ED的試樣壓縮后內(nèi)部存在原始的粗大晶粒和長條晶粒、狹長的壓縮孿晶、凸透鏡狀拉伸孿晶以及少量動態(tài)再結(jié)晶晶粒，而且動態(tài)再結(jié)晶形核點(diǎn)主要集中在長條晶粒和粗大晶粒的晶界處；當(dāng)溫度為200℃時，已出現(xiàn)明顯的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，且依然存在長條晶粒和粗大晶粒，但它們已被動態(tài)再結(jié)晶晶粒分割得不明顯了，孿晶數(shù)量明顯減少，如圖5（b）所示；當(dāng)溫度升至250℃時，僅有少量孿晶存在，但孿晶界發(fā)生了擴(kuò)展遷移，晶粒組織中含有粗大晶粒，整體分布依然不均勻，如圖5（c）所示；當(dāng)溫度高達(dá)300℃時，內(nèi)部組織全部演變?yōu)榧?xì)小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒，平均晶粒尺寸約為7μm，如圖5（d）所示，這再次驗(yàn)證了塑性變形機(jī)制隨溫度升高由孿生逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛疲啾榷?，加載方向垂直于ED的試樣轉(zhuǎn)變得更為明顯。

2.3 討 論

通過上述分析溫度和加載方向?qū)哂谢炀ЫM織的擠壓態(tài)AZ31鎂合金動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線和組織的影響可知，不同的變形條件對塑性變形機(jī)制具有重要影響。鎂合金屬于低對稱性結(jié)構(gòu)金屬，其塑性變形方式主要有兩種：滑移和孿生。塑性變形機(jī)制以滑移還是孿生的方式進(jìn)行，主要取決于開啟滑移或?qū)\生所需要的臨界切應(yīng)力（Fc）以及外力與晶體的取向［16］。在常溫下變形時主要有3種滑移系：基面滑移系｛0002｝〈112-0〉、柱面滑移系｛101-0｝〈112-0〉和錐面滑移系｛101-1｝〈112-0〉以及

｛101-1｝〈112-3〉或｛1122｝〈112-3〉。不同變形機(jī)制的啟動高度依賴于溫度的變化，一般來講，F(xiàn)c-基面＜Fc-孿生＜Fc-柱面＜Fc-錐面。在室溫和低應(yīng)變速率的條件下，塑性變形機(jī)制主要是基面滑移和孿生，基面滑移和孿生的臨界切應(yīng)力不隨溫度的變化而變化，然而當(dāng)溫度升高后，F(xiàn)c-柱面和Fc-錐面減小，所以在高溫條件下，非基面滑移被激活成為主要的變形機(jī)制，位錯能輕而易舉地越過障礙滑動，當(dāng)溫度升至200℃以上時，已出現(xiàn)大面積的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，溫度越高，動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶就越容易發(fā)生［17］。除滑移外，孿生也是鎂晶體的變形機(jī)制［18］，主要有兩種：拉伸孿晶｛101-2｝和壓縮孿晶｛101-1｝。拉伸孿晶只有在平行于c軸方向存在拉力時才能啟動；壓縮孿晶只有在平行于c軸方向存在壓力時才啟動，壓縮孿晶的開啟應(yīng)力相對于拉伸孿晶而言要大得多，不同的初始取向產(chǎn)生的孿晶類型也將大大不同。由于擠壓AZ31鎂合金具有強(qiáng)烈的初始基面織構(gòu)（即基面平行于ED）。在低溫下平行于ED壓縮時，基面滑移處于硬取向而不能啟動，試樣的受力方向與基面平行，c軸間接地受到拉應(yīng)力。拉伸孿晶的切變量較?。?.131），所以在初始變形階段拉伸孿晶容易產(chǎn)生，一般來說，在變形量達(dá)到0.08左右時，晶粒幾乎全部被孿晶所消耗［19］，拉伸孿晶為主要的變形機(jī)制，拉伸孿晶對變形貢獻(xiàn)不大，但可以使c軸轉(zhuǎn)動86°使其平行于ED［15］，使其非基面滑移處于有利的取向參與變形；又由于其變形初期產(chǎn)生的孿晶界對滑移來說是一種阻礙，滑移和孿晶的交互作用表現(xiàn)為真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)變硬化率不同，當(dāng)變形機(jī)制從孿生向滑移轉(zhuǎn)變時，真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為屈服現(xiàn)象。垂直于ED壓縮時，c軸受壓應(yīng)力作用，基面和柱面滑移都處于硬取向而不能開啟，而錐面〈c＋a〉滑移處于軟取向，壓縮孿晶也處于有利取向，但由于壓縮孿晶的啟動應(yīng)力較高，所以沿c軸壓縮時啟動的滑移系先是錐面滑移系，而后再誘發(fā)壓縮孿晶，在隨后的變形中，由于其屈服應(yīng)力較高，一些有利取向的晶?？蓡臃腔婊疲瑝嚎s孿晶和非基面滑移為主要的變形機(jī)制［20］。隨著溫度升高至再結(jié)晶溫度以上時，加載方向?qū)ψ冃螜C(jī)制的影響不明顯，溫度的熱軟化使非基面滑移系的臨界切應(yīng)力減小而被激活，成為主要的變形機(jī)制。此外，在變形過程中，晶界以及孿晶界為高儲能區(qū)域，是動態(tài)再結(jié)晶有利的形核點(diǎn)，易誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)而細(xì)化內(nèi)部混晶組織。

圖4 加載方向平行于ED的試樣在不同溫度壓縮后的顯微組織Fig.4 Microstructure of different samples with loading direction parallel to extrusion direction after compression at different temperatures

圖5 加載方向垂直于ED的試樣在不同溫度壓縮后的顯微組織Fig.5 Microstructure of different samples with loading direction perpendicular to extrusion direction after compression at different temperatures

3 結(jié) 論

（1）平行于ED壓縮時，擠壓態(tài)AZ31鎂合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可化分為初始硬化、硬化趨緩、硬化加劇和載荷卸載四個階段，并且隨著溫度升高，真應(yīng)力下降，屈服強(qiáng)度降低，真應(yīng)變增大；垂直于ED壓縮時無明顯的屈服現(xiàn)象，動態(tài)再結(jié)晶軟化效果不明顯，當(dāng)溫度高于200℃時，溫度對AZ31鎂合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯影響。

（2）隨著溫度升高，擠壓態(tài)AZ31鎂合金內(nèi)的長條晶粒和粗大晶粒的晶界以及孿晶界為動態(tài)再結(jié)晶提供有效的形核點(diǎn)，致使原始混晶組織逐漸被細(xì)小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒所代替；在300℃壓縮時，平行于ED和垂直于ED壓縮的試樣的平均晶粒尺寸分別約為10μm和7μm。

（3）加載方向和溫度對擠壓態(tài)AZ31鎂合金的塑性變形機(jī)制具有較大影響；晶粒組織在變形中c軸傾向于壓縮軸向轉(zhuǎn)動，混晶組織的轉(zhuǎn)動不一致，致使長條晶粒和粗大晶粒的晶界處易激發(fā)動態(tài)再結(jié)晶形核或誘發(fā)孿晶及其二次孿晶等；在壓縮變形過程中，動態(tài)再結(jié)晶伴有孿晶形核和位錯形核機(jī)制；塑性變形機(jī)制隨溫度升高由孿生逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛?，這種轉(zhuǎn)變在垂直于ED壓縮時表現(xiàn)得更為明顯。

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