热轧AZ31镁合金板材高温塑性变形行为

余琨，蔡志勇，王晓艳，史褆，黎文献

(中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘  要：采用Gleeble-1500热/力模拟系统，研究热轧的AZ31镁合金板材在应变速率0.01，0.1，1，5和10 s^-1，变形温度473~723 K，预设最大变形量80%条件下的高温塑性变形行为。采用实验得到的真应力-真应变曲线，分析合金流变应力与应变速率、变形温度之间的关系，计算合金高温变形的材料参数和激活能；用Zener-Hollomon参数法建立合金高温变形的本构关系，并比较实测应力与计算得到的应力。研究结果表明：AZ31镁合金高温变形时受应变速率的影响较大，应变速率小于1 s^-1时(573~723 K)，合金的真应变接近100%，但当应变速率大于5 s^-1时，实验温度范围内合金的真应变都小于60%。AZ31镁合金高温变形的流变应力-应变速率-变形温度的关系可用双曲正弦函数描述，激活能随应变速率和变形温度的提高，从110.4 kJ/mol升高到163.2 kJ/mol。实验获得的AZ31镁合金应力-应变本构方程的计算结果与实验结果较吻合。

关键词:  镁合金；流变应力；变形激活能；本构关系

中图分类号：TG 146.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)05-1749-07

Hot plastic deformation of hot-rolled AZ31 Mg alloy plane

YU Kun, CAI Zhi-yong, WANG Xiao-yan, SHI Ti, LI Wen-xian

(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The plastic deformation simulation of AZ31 magnesium alloy at elevated temperature was performed on Gleeble-1500 hot simulator with strain rates of 0.01, 0.1, 1, 5 and 10 s^-1 over a temperature range from 473 to 723 K and the maximum deformation degree of 80%. According to the obtained true stress-true strain curve, the relationship between flow stress and deformation temperature as well as strain rate were analyzed and the materials parameters and the activation energy were calculated. The constitutive relationship was established with Zener-Hollomon parameter and a comparison between the measured stresses and calculated stresses was made. The results show that the flow stress increases with the increase of strain rate at constant temperature, and decreases with the increase of deformation temperature at constant strain rate, and there are kinds of flow stress in different deformation models. The established constitutive relationship can reflect the change of flow stress during hot deformation.

Key words: magnesium alloy; flow stress; deformation activation energy; constitutive relationship

镁合金是迄今在工程应用中密度最低的一类金属结构材料^[1-4]，大量的镁合金产品主要是采用铸造的方式获得，但是，通过轧制、挤压、锻造等压力加工工艺生产的变形镁合金产品，具有比铸造镁合金更高的强度和更好的延展性，可以满足更多结构件的需求，变形镁合金具有许多优异性能^[5-6]。由于镁合金的晶体结构属于密排六方(hcp)结构，室温下独立滑移系少，在通常情况下，镁合金主要采用高温下热变形的方式进行加工成形^[7-8]。在研究材料热变形行为时，材料在高温下的流变应力是1个重要的变量参数。ZHANG等^[9]通过对热变形过程中的各种动态再结晶过程的研究发现：变形条件对热变形过程有重要影响，特别是对变形后的显微组织。Sivapragash等^[6]研究了ZE41A镁合金热变形过程的流变应力行为，提出修正过的流变模型，并将模型与变形行为联系起来分析热变形过程的显微组织演变。栾娜等^[10]描述了变形温度对流变应力、显微组织和变形机制的影响。王忠堂   等^[11]在变形温度为250~350 ℃、应变速率为0.01~ 1.0 s^-1条件下进行了热模拟实验研究并得到了简单化的模型。但当前对AZ31镁合金的模拟研究多采用较低的应变速率，分析热变形过程的组织演变及其对合金力学性能的影响^[12]。本文作者在实验研究的基础上，提出AZ31镁合金塑性变形的应力-应变本构关系，从实验和理论上对合金塑性变形进行比较完整的研究。本文作者对典型的热轧态AZ31镁合金在温度为473~723 K时的塑性变形行为进行热/力模拟实验，根据实验应力-应变关系建立AZ31镁合金高温流变应力的本构方程，尤其是针对热压缩变形过程中较高应变速率条件下的流变应力-应变关系和流变应力行为进行研究，得到AZ31镁合金热变形过程的多个材料参数，以便为合理制定AZ31镁合金板材热轧制、挤压和锻造挤压、锻造和轧制等塑性变形加工工艺参数提供指导，为进一步有限元模拟提供基本数据。

1  实验

实验采用经过热轧的AZ31镁合金板材(原始厚度为15 mm)，合金的化学成分如表1所示。沿板材厚   度方向截取直径为10 mm、高为15 mm的圆柱体试

表1  AZ31镁合金的化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical composition of AZ31 magnesium alloy     %

样，在Gleeble-1500热/力模拟试验机上进行高温热压缩变形，应变速率分别为0.01，0.1，1，5和10 s^-1，变形温度为473~723 K，每50 K为1个间隔。为减少压缩时压头和试样两端面的摩擦，在试样两端涂上含石墨的固体润滑剂(石墨+机油)。试样在1 min加热到预设温度并保温3 min，总压缩变形量为80%(真    应变)。

2  结果与讨论

2.1  AZ31镁合金高温塑性流变行为

不同应变速率条件下AZ31镁合金流变应力σ与变形温度T和应变速率之间的关系如图1所示。从图1可以看出：合金热变形时流变应力的总体变化规律为：变形初期，流变应力随着真应变的增加迅速上升；当流变应力增大到最大值后开始下降并最终达到稳定状态，这种流变应力行为是热变形时伴随动态再结晶(DRX)的典型特征^[12]；流变应力对应变速率的敏感性最大，在较低的应变速率下(=0.01 s^-1)，即使变形温度较低(T=473 K)，试样也可以发生充分变形。这可能是因为随着温度的升高，非基面滑移系的临界切应力下降，从而使镁合金的变形量增大，真应变接近100%。另外，随着温度的升高，变形速率减小，峰值应力所对应的应变减小；温度越高，动态回复或动态再结晶越容易发生，进而导致峰值应力随着温度的升高而前移^[10]。试样在各温度下都可以呈现出稳态流变的特性，说明低的应变速率有利于AZ31镁合金进行大应变量的塑性变形。随着应变速率的升高(=0.01~1 s^-1)，合金的塑性显著降低，在较低温度下(473 K和523 K)，试样发生破断；当应变速率超过1 s^-1时，在所有的实验温度范围内，试样在真应变为0.5~0.6时发生破断。在高应变速率下，温度对试样变形能力的影响不大，仅影响峰值应力。

由以上分析可知：AZ31镁合金是正应变速率敏感性材料。在同一变形温度下，该合金的应力水平随应变速率的增大而增大。因此，AZ31镁合金在高应变速率条件下发生塑性变形时，单位应变的变形时间缩短，使位错、孪生等产生的数量增加，加工硬化现象明显。同时，由于动态回复或动态再结晶等加工软化过程时间缩短，不利于塑性变形的进行，从而提高了合金变形的临界切应力，导致流变应力增大^[13]。AZ31合金的稳态流变应力和峰值应力和变形温度的关系如图2所示。可见：二者呈现相同的变化趋势。

/s^-1: (a) 0.01; (b) 0.1; (c) 1; (d) 5; (e) 10

T/K：1—473; 2—523; 3—573; 4—623; 5—673; 6—723

图1  热轧态AZ31镁合金在不同应变速率下的真应力-真应变曲线

Fig.1  True stress-true strain curves of hot-rolled AZ31 alloy at different strain rates

以AZ31镁合金高温下稳态流变应力作为分析对象。因为常规金属和合金热变形的特点是应变速率受热激活过程控制，即遵循Arrhenius公式^[14]：

               (1)

在热变形过程中，材料的高温流变应力σ取决于变形温度T和应变速率。余琨等^[14]采用包括变形激活能Q和变形温度T的双曲正弦形式修正Arrhenius关系来描述这种热激活稳态变形行为：

          (2)

式中：A，n和均为与温度无关的材料常数，其中为可变常量，R为摩尔气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为热力学温度；Q为变形激活能，又称动态软化激活

1—峰值应力; 2—稳态流变应力

图2  AZ31镁合金流变应力与变形温度的关系

Fig.2  Relationship between flow stress and deformation temperature for AZ31 magnesium alloy

能，它反映高温塑性变形时应变硬化与动态软化过程之间的平衡关系，也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。

AZ31镁合金在高温塑性变形时流变应力和真应变服从上述规律。假定温度一定时，变形激活能为常数，通过对-和-曲线的线性回归(图3(a)和(b))分析发现：当变形温度一定时，流变应力和应变速率之间呈线性关系，平均线性相关系数大于0.97，式(2)中的=0.017 8 MPa^-1。

温度也是影响流变应力的1个重要参数。从图1可以看出：在同一应变速率下，应力水平随着温度的提高而降低，这可能与变形热和晶界低熔点相熔化有关；进入稳态流变阶段所对应的真应变减小；随着温度的升高，热激活的作用增强，原子间的动能增大，原子间的临界切应力降低^[15]。此外，动态回复及动态再结晶引起的软化程度也随温度的升高而增大，从而导致合金的应力水平降低^[16]。Zener等^[15]用参数Z表示应变速率和变形温度T对高温塑性变形的影响。

                (3)

式中：Z为温度补偿的变形速率因子。Z与流变应力σ之间遵从双曲正弦关系：

              (4)

有：

        (5)

根据式(5)，由-1/T关系曲线(图4)

T/K: 1—723; 2—673; 3—623; 4—573; 5—523; 6—473

图3  AZ31镁合金流变应力和应变速率的关系

Fig.3  Relationships between stress and strain rate for AZ31 magnesium alloy

可知：两者呈较好的线性关系，由此证明了AZ31镁合金高温变形时流变应力σ和变形温度T之间满足Arrheniues关系，可以用包含Arrheniues项的Z参数描述AZ31镁合金在高温压缩变形时的流变应力行为，即AZ31镁合金高温塑性变形是受激活能控制的。

2.2  AZ31镁合金高温塑性变形本构关系

AZ31镁合金高温塑性变形本构关系为：

       (6)

式中：为应力指数n，可由-1 000/T直线斜率确定(图4)；可由-直线的斜率确定(图5)。

计算得到的高温变形激活能Q为(130±10)

/s^-1: 1—0.01; 2—0.1; 3—1; 4—5; 5—10

图4  AZ31镁合金稳态应力与变形温度的关系

Fig.4  Relationships between peak stress and steady-state flow stress and reciprocal temperature for AZ31 magnesium alloy

T/K: 1—473; 2—523; 3—573; 4—623; 5—673; 6—723

图5  热压缩流变应力与应变速率的关系

Fig.5  Relationships between  and  at different temperatures

kJ/mol，可见在此实验条件下获得的AZ31镁合金热压缩变形时的激活能在文献[17-20]所报道的范围内，并与镁的晶格自扩散激活能(135 kJ/mol)接近。图6所示为实验所求变形激活能Q与变形温度T及应变速率的关系。从图6可见：AZ31镁合金的变形激活能随着温度和应变速率的变化而变化。变形激活能随着温度的升高而增加，而且增加的幅度呈增大趋势，当超过673 K时，变形激活能随着温度的升高而迅速升高。

变形激活能随着温度的变化规律与变形温度对动态再结晶的影响规律非常相似，这就将变形激活能与合金的微观组织以及变形机制联系起来。由于Mg的层错能低，尤其是其基面层错能低^[21](为10 mJ/m²，而Al的层错能为200 mJ/m²)，其扩展位错宽度大，很难

/s^-1: 1—0.01; 2—0.1; 3—1; 4—5; 5—10

图6  不同应变速率下变形激活能与温度的关系

Fig.6  Relationships between apparent activation energy and temperature at different strain rates

从位错网中解脱，也难以通过交滑移和攀移而与异号位错抵消态。再结晶的形成和长大需要消耗大量的位错，随着变形温度的升高，动态再结晶更加强烈，位错大量减少，应力集中得到松弛，从而潜在位错源数量减少并且启动也更加困难，这将导致变形激活能增    大^[22]。在超过673 K时，由于位错发生攀移，使上述过程更为强烈，所以，变形激活能超过673 K后迅速升高。

对式(5)两边求对数得：

      (7)

通过-曲线线性回归可得直线截距(见图7)，将Q，R和T代入Q/(RT)-ln A即可得到变形态的A值，为4.97×10¹² s^-1。

T/K: 1—723; 2—673; 3—623; 4—573; 5—523; 6—473

图7  合金稳态应力与应变速率的关系

Fig.7  Relationships between steady-state stress and strain rate for alloy

根据正弦双曲线函数定义，有：

      (8)

因此，可以将流变应力表示为应变速率和变形温度的函数，还可表达为Zener-Hollomon参数的函数，即

         (9)

由于高温稳态流变应力对应变不敏感，因此，忽略应变的影响，将和n的平均值代入式(9)可得到用Z参数表示的峰值应力、应变速率和温度T的本构关系式：

                                     (10)

    (11)

其中，。

模型计算结果与实测结果的对比分析结果见图8。由图8可见：在较低应力水平下，模型计算的应力与实测的应力基本吻合；而在较高应力水平下，计算值略大于实测值，这可能是高应力状态下材料参数失真的影响所致。

图8  应力计算结果与实测结果的对比

Fig.8  Comparisons of measured and calculated stresses at fixed strain of 0.6

3  结论

(1) 在本实验条件下，经过热轧的AZ31镁合金在高温变形时受应变速率的影响较大；当应变速率小于1 s^-1时(573~723 K)，合金的变形量接近100%，但当应变速率大于5 s^-1时，合金在473~723 K下的变形量都小于60%。

(2) AZ31镁合金高温变形过程中，流变应力-应变速率-变形温度的关系可用双曲正弦函数描述，激活能随着应变速率和变形温度的提高，从110.4 kJ/mol升高到163.2 kJ/mol。

(3) 通过对实验数据的线性回归分析，得到材料在不同变形条件下的流变应力方程，流变应力的计算结果与实验结果较吻合，仅在高应力水平下计算值略大于实验值。

致谢：

感谢中国铝业洛阳铜加工集团有限公司为本实验提供AZ31镁合金原料。

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(编辑 陈爱华)

收稿日期：2010-02-23；修回日期：2010-05-08

基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAE04B02-3)

通信作者：余琨(1974-)，男，湖南长沙人，博士，副教授，从事镁铝合金研究；电话：0731-88879341；E-mail: kunyugroup@163.com