简介概要

AZ91合金的压缩行为

来源期刊：稀有金属2004年第6期

论文作者：邓炬闫蕴琪陈昌麒张廷杰周廉

关键词：AZ91合金; 压缩行为;

摘要：AZ91合金的压缩行为研究表明,在室温和350℃下,选取应变速率在5.6×10-3～1.8×10-2 s-1之间变化时,真应力-真应变曲线变化规律呈现一致性,真应力值差距不明显,压缩屈服强度σ0.2比较接近;在250℃下,真应力值因应变速率的不同差距比较明显,随着应变的增加,真应力趋向稳定值.压缩后的试样形貌从室温到350℃之间的变化规律为:剪切破碎-部分饼状-完全饼状.观察变形组织发现,变形后的AZ91合金中出现了大量的动态再结晶晶粒.

稀有金属 2004,(06),1015-1018 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.06.013

AZ91合金的压缩行为

邓炬张廷杰周廉陈昌麒

西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,北京航空航天大学陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,北京100083

摘要：

Z91合金的压缩行为研究表明 , 在室温和 350℃下 , 选取应变速率在 5 .6× 1 0 - 3～ 1 .8× 1 0 - 2 s- 1 之间变化时 , 真应力 -真应变曲线变化规律呈现一致性 , 真应力值差距不明显 , 压缩屈服强度σ0 .2 比较接近 ;在 2 50℃下 , 真应力值因应变速率的不同差距比较明显 , 随着应变的增加 , 真应力趋向稳定值。压缩后的试样形貌从室温到 350℃之间的变化规律为 :剪切破碎 -部分饼状 -完全饼状。观察变形组织发现 , 变形后的AZ91合金中出现了大量的动态再结晶晶粒。

关键词：

AZ91合金;压缩行为;

中图分类号： TG115

作者简介： (Email:yunqiyan@sina.com) ;

收稿日期：2003-12-10

基金：中国博士后科学基金资助项目 (2 0 0 30 330 90 );

Compressive Behavior of AZ91 Alloy

Abstract：

The compressive behavior of AZ91 alloy investigated show that the true stress curve depicts the same regulation at the strain rate of 5.6×10 -3～1.8×10 -2 s -1 at room temperature and 350 ℃. Under this condition, the yield strength σ_ 0.2 keeps the same scale. However, the true stress-true strain curve appears different due to varied strain rates, and the true stress increases with the increasing strain rate and finally stays to be certain one like ordinary materials. The macrograph of deformed specimens shows from shearing break-up, partial pancake to complete pancake. A great many recrystallized grains were formed in the deformed samples of AZ91 alloy.

Keyword：

AZ91 alloy; compressive behavior;

Received： 2003-12-10

由于具有“一轻一高三好” (比重轻、比强度高, 导热性、阻尼性及切削加工性好) 的特点, 又可回收, 在面对能源即将枯竭的现状, 镁合金越来越受到材料界的重视 ^[1,2] 。经过挤压、锻造和轧制等变形工艺制备的金属材料不仅能够提供更多样化的力学性能, 而且可通过后续热处理使材料的韧性、焊接性能得到改善。因此, 变形镁合金材料可以满足更多样化的结构件需求, 是镁材研究的发展方向 ^[3,4] 。 AZ91合金是工业用耐热镁合金, 多用于铸态。采取常规热挤压和热轧制技术可细化AZ91合金组织, 提高该合金力学性能。但是, 对该合金在不同变形条件下, 流变应力与显微组织变化研究不多, 尤其在较高应变速率下, 模拟实际工况时的热塑性变形行为的工作开展较少。本文就是研究AZ91合金在较高应变速率下的变形规律, 分析其变形机制, 为扩大Mg合金的应用提供试验依据。

1 实验过程

试验用合金成分为Mg-8.6Al-0.4Zn-0.2Mn, 其中Cu<0.1%, Ni<0.01%, Fe<0.08% (均为质量分数) 。所有原料都是以Ⅰ级单质态, 在大气下用RJ-2熔剂覆盖保护, 用燃汽坩埚炉熔炼而成, 坩埚与其它工具在使用前用熔剂洗涤干净并预热, 采用砂型铸造。车削后的铸锭经电火花线切割出Φ10 mm×15 mm热压缩试样, 后经过T4 (420 ℃/12 h) 淬火处理。用MTS-810力学实验机对处理后的试样进行压缩性能检测, 选取温度为20, 250和350 ℃, 名义应变速率为5.6×10^-3, 1×10^-2和1.8×10^-2 s^-1, 变形量为75%。对变形前后的组织变化进行了观察, 金相试样制备及分析方法与常规方法一样, 腐蚀液选用2%硝酸酒精溶液, 实验设备为Olympus PMG3光学显微镜和Phillips XL-20扫描电镜。

根据压缩记录仪载荷与位移数据, 求出工程应变和工程应力的对应值。再利用公式ε_T=ln (ε+1) 和σ_T=σ (ε+1) 计算出真应力和真应变数值, 绘制出AZ91合金的真应力-真应变曲线, ε_T, σ_T分别表示真应变和真应力, ε, σ分别代表工程应变和工程应力 (该项可由体积不变原理求解) 。

2 结果与分析

图1是AZ91合金在变形前的组织。可以看出, AZ91合金的T4态组织与一般Mg-Al-Zn系列合金一样, 显微组织由基体固溶体α相、分布在晶界周围的白色条状β相 (Mg₁₇Al₁₂) 和少许共晶组织组成。同时, 在晶内也有部分球状Mg₁₇Al₁₂颗粒。

AZ91合金在不同温度和不同的应变速率下压缩的真应力-真应变曲线如图2所示。对比图2 (a) 和 (b) 可以看出, AZ91合金在高温压缩时流变应力都存在峰值, 峰值所对应的真应变随着应变速率的增大而增大。对于给定材料, 位错的运动速度是应力的函数: 即v= (σ/σ₀) ⁿ, σ-施加应力, σ₀-参考应力, n-应力指数。并且, 应变速率ε=ρbν, 式中ρ-可动位错密度, b-柏氏矢量。对于恒定的ε, 若ρ较小, 随着ν的升高, 会引起σ增大;位错快速增殖时, ρ增加, 这样又引起v和σ减少。这也是AZ91合金真应力随着变形量的增加, 在一定范围内不断上升, 升高到某一值后又减小的原因。另一方面随着ε增大, 位错运动速度v增加, 引起真应力σ升高, 位错快速增殖。此时, ε越小, 越高, 应力降低幅度越大。从显微组织方面来说, 随着变形量的增加, 位错密度不断增大, 高的应变速率对应的是瞬间位错密度强化, 此时高密度的位错堆积为再结晶提供了物质条件, 这也是真应力增加到峰值后快速降低的原因。由于镁合金的层错能较低, 尤其是其基面层错能低 (10 mJ·m^-2) , 扩展位错宽度大, 位错一般很难从位错网中解脱, 也较难通过交滑移和攀移来进行异号位错间的整合, 进而完成能量递减。因此, 位错较难运动的结果, 使再结晶的晶核形成几率增加。故而, 镁合金在高温变形时一般发生动态再结晶来缓解外界载荷。变形初期的加工硬化使真应力快速增大, 随着动态再结晶发生、加重, 加工硬化与动态再结晶趋于动态平衡, 表现在真应力-真应变曲线上, 就是真应力趋向于恒值。从图2 (b) 可以看出, 在350 ℃压缩时, AZ91合金真应力随着应变速率的不同, 其值变化不大, 也就是在该温度下, AZ91合金的压缩行为对应变速率的依赖性不大。此现象与文献 [ 5, 6] 不同, 分析认为可能是本文选取的应变速率相对较高的原因, 并且应变速率较为接近。当然, 文献 [ 7] 提出了镁合金在高温塑性变形时流变应力对应变速率的敏感性很小, 由此也可说明图2 (b) 的真应力-真应变曲线的变化规律。

表1是AZ91合金在不同条件下的压缩屈服强度数据。从其中可以看出, 尽管应变速率在5.6×10^-3, 1×10^-2和1.8×10^-2 s^-1之间变化, 但其室温屈服强度σ_0.2比较接近。而当温度升高到250 ℃时, 随着应变速率的不同, σ_0.2随着应变速率的增加而增大, 与一般规律相同, 即变型抗力随着变形速率的提高而增加。而进一步升高温度到350 ℃时, 3种应变速率对应的真应力-真应变曲线呈现啮合状 (如图1 (b) ) , σ_0.2数值很接近, 这可能是流变应力对应变速率敏感性较小的缘故。

图2 AZ91合金的真应力-真应变曲线 (a) 250 ℃; (b) 350 ℃

Fig.2 True stress-true strain curves of AZ91 alloy

表1 AZ91合金在不同变形条件下的压缩屈服强度

Table 1Compressive yield strength of AZ91 alloy under the different conditions

温度/℃	应变速率/s^-1	σ_0.2/MPa
20	5.6×10^-3	109.3
	1×10^-2	108.5
	1.8×10^-2	108
250	5.6×10^-3	72
	1×10^-2	95.7
	1.8×10^-2	102.2
350	5.6×10^-3	73.6
	1×10^-2	72.5
	1.8×10^-2	73.8

从图3的变形组织中可以观察到, AZ91合金的晶粒沿着变形方向被拉长, 晶界β相被部分破碎, 同时组织中存在动态再结晶晶粒。在250 ℃压缩时, 随着变形速率的增加, 晶粒拉长程度增加, 细小的等轴晶粒随变形速率增大而体积分数越来越多, 即在该温度下提高变形速率加重了晶粒等轴化倾向。观察AZ91合金在350 ℃压缩变形时的组织变化, 可以看出, 虽然晶粒沿着变形方向被拉长, 晶界相部分被破碎, 但不同变形速率下的组织相差不大。图4是1.8×10^-2 s^-1下变形组织中的再结晶晶粒, 在晶界处出现许多细小的等轴再结晶晶粒。

AZ91合金经过压缩变形后, 因变形条件的不同, 变形试样的宏观形貌有较大的区别, 见图5所示。可以看出, 从室温到350 ℃之间, 变形试样的变化规律为:剪切破碎-部分饼状-完全饼状。

根据AZ91合金压缩变形规律, 选取特定的变形条件, 对AZ91合金铸锭进行热塑性变形:包括300～350 ℃下, 变形速率选择在5.6×10^-3～1.8×10^-2 s^-1之间, 挤压比为11∶1的热挤压; 350 ℃下多道次的旋锻, 能制备出尺寸均匀、表面质量光滑和平整的热变形挤压棒和旋锻棒 (见图6) 。

图3 AZ91合金压缩后变形组织 (350℃) Fig.3 Microstructures of deformed AZ91 alloy

(a) 5.6×10^-3 s^-1; (b) 1×10^-2 s^-1; (c) 1.8×10^-2 s^-1 at 250℃; (c) 5.6×10^-3 s^-1; (d) 1×10^-2 s^-1; (e) 1.8×10^-2 s^-1

图4 1.8×10-2 s-1下变形组织中的再结晶晶粒 (×500) Fig.4 Recrystallization grains of deformed microstructure at1.8×10-2 s-1

(a) , (b) 为同一放大倍数

图5 AZ91合金压缩试样宏观形貌Fig.5 Macrograph of compressive samples of AZ91 alloy

(a) 20℃; (b) 250℃; (c) 350℃

图6 AZ91合金挤压棒材宏观形貌

Fig.6 Macrograph of extruding bars of AZ91 alloy

镁合金是密排六方结构, 晶轴比较大, 中低温下的可动滑移系较少, 不易进行压力塑性加工。因此, 对其开坯时应尽量施加静水压力。采用挤压技术可以完成镁合金的塑性变形。挤压状态下, 应力分布为三向等静压力。一般情况下, 拉应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏;而压应力则阻止晶间变形, 加大压应力, 晶间变形愈困难, 从而提高合金锭的塑性。三向等静压力能遏止晶粒边界的相对滑动, 使晶间变形困难。因为在塑性加工实践中, 在没有修复机制 (如再结晶和溶解沉淀机制) 时, 晶间显微破坏得到积累, 进而迅速地引起多晶体的破坏, 三向等静压力能促进由于塑性变形和其它原因而破坏了晶内联系的恢复。随着明显的体压缩的增加, 金属变得更为致密, 各种显微破坏得到修复, 甚至其宏观破坏 (如组织缺陷) 也得到修复。三向压应力能完全抵偿或大大降低由于不均匀变形引起的拉伸附加应力, 从而减轻了拉应力的不良影响。挤压状态下的三向压应力可消除少量对塑性不利的杂质、缺陷的影响。因此, 在同样条件下, 热挤压的采用比之锻造更能破碎铸态组织, 并且使铸锭不产生裂纹。从图6可看出, 热挤压工艺是可行的。

3 结论

1. AZ91合金的压缩行为研究表明, 选取应变速率在5.6×10^-3～1.8×10^-2 s^-1之间变化时, 在室温和350 ℃下, 真应力-真应变曲线变化规律呈现一致性, 真应力数值差距不明显, 压缩屈服强度σ_0.2比较接近;在250 ℃下, 真应力值因应变速率的不同差距比较明显, 随着应变的增加, 真应力趋向稳定, 分别接近不同的定值。

2. AZ91合金经过压缩变形后, 因变形条件的不同, 变形试样的宏观形貌变化规律为: 剪切破碎-部分饼状-完全饼状。

3. 观察变形组织发现, AZ91合金中出现大量的动态再结晶晶粒。随着动态再结晶发生、加重, 加工硬化与动态再结晶趋于动态平衡, 表现在真应力-真应变曲线上, 就是真应力趋向于恒值。