AZ80镁合金的动态力学性能研究

常变红，刘同鑫，尹建平，王志军

（中北大学 机电工程学院，山西 太原030051）

0 引 言

镁合金是目前应用的最轻的工程结构材料，具有质量轻（比聚合物轻20%，比铝轻30%）、比强度和比刚度高、弹性模量小，抗震力强，长期使用不易变形，抗电磁干扰及屏蔽性好的特点，还具有良好的阻尼性能、尺寸稳定性高、易于机加工以及铸造成本较低的优点．从20世纪40年代开始，镁合金逐渐被应用于汽车、航空、航天、电子产品等以及其他民用产品领域［1］．

国外比国内较早开始研究镁合金的动态性能，研究热点为常用镁合金的动态力学性能及形变机制，还涉及到吸收功与动态性能的关系，如空间碎片、太空垃圾等对航空航天飞行器的冲击，汽车在行驶过程中的高速碰撞，要求镁合金在较高变形速率下依然能保持足够的强度和韧性而不至于失效和断裂［2－3］．德国学者El－Magd等［4］研究了国外型号的AZ80 镁合金，获得了其不同应变速率下的动态力学性能．多数金属材料随应变率的增大，其强度提高，塑性降低，但是有些牌号的镁合金却随着应变率的增大其塑性也有所增加，表现为其延伸率的增大．镁合金在高应变率下的变形机制和力学响应是十分复杂的，本文研究了自主开发的AZ80镁合金的动态力学性能．

1 试件设计

利用分离式霍普金森杆（SHPB）试验台对AZ80镁合金进行不同冲击速度的实验．按照GB／T 7314—1987，金属材料的压缩试样采用圆柱体．考虑到试件的稳定性及低波阻抗材料中应力波的均匀性问题，动态压缩试样的设计，按照低密度材料动态力学性能实验室的要求压缩试件设计为直径Φ8mm，长度分别为4mm，6mm，8mm 和10mm 的圆柱体，所用材料均由精密成型中心制备而成．压杆、子弹的材料及尺寸：本试验选用的入射杆和透射杆皆为Φ 12 mm×1 200mm的弹簧钢波导杆．加载设备为空气压缩机，加载子弹选用与波导杆相同材料的Φ12mm×20mm 的长杆弹．

2 动态力学性能实验

2．1 分离式霍普金森试验设备及试验方法

由于本研究对象AZ80镁合金具有各向同性的性质，因此采用直径12mm 的霍普金森试验设备可以满足试验要求，能较好地测试出AZ80 镁合金的动态力学性能，其示意图如图1 所示．

利用分离式霍普金森压杆装置，通过应变片测量的入射波，反射波和透射波，在一维应力假设以及均匀性假定的条件下来确定试件中的应力－应变关系［5］．

图1 霍普金森试验装置示意图Fig．1 Schematic diagram of the Hopkinson apparatus

试件中应变率的表达式为

试件中应变的表达式为

试件中的平均应力表达式为

式中：εi，εr，εt分别表示入射波、反射波和透射波的应变历史；E，c0和A 分别为压杆的弹性模量、弹性波速和横截面积；As和l0分别为测试试件的初始横截面积和初始长度．

2．2 试验结果及分析

常温下不同应变速率下的力学性能试验结果如图2 所示．由图可知，在所测试的应变率范围内，随应变的增大，应力－应变曲线均呈现上升趋势，最大应力也相应增大，表现出正应变率强化效应．

本实验所计算得到的应变率为平均应变率，平均应变率定义为材料变形能力对冲击速度的响应，用来表征材料的冲击变形能力．由试验结果可知，撞击杆的冲击速度越大，试件的平均应变率也越大，这说明AZ80随撞击杆冲击速度的增加，其塑性变形也是增加的．

由图2 还可以得到，试样受到冲击以后的屈服极限和强度极限，如表1 所示．

对比图2 和表1 可以看出，屈服强度对应变速率的变化响应不是很明显，应变速率从947s－1提高到1 853s－1时，屈服强度从123 MPa增加到160 MPa，变化率仅为4．08%；而随着应变率的提高，强度极限明显增加，变化率为32．5%，即当应变率从947s－1提高到1 853s－1时，强度极限提高了32．5%．因此，在冲击压缩过程中，AZ80镁合金的抗压强度随着应变率的增加而增加，即具有正应变率敏感特性，该特性使AZ80镁合金在变形过程中可以吸收更多的能量．

图2 不同应变率下的应力－应变曲线Fig．2 Stress－strain curves of different strain rates

表1 不同应变率对应的强度Tab．1 Strength corresponding to different strain rates

图3 不同应变率下的应变率时程曲线Fig．3 Strain rate schedule under different strain rate

由图2 和图3 可以看出，应力应变的初始阶段，AZ80镁合金处于弹性压缩变形状态，4种不同应变率下的曲线吻合较好，随着应变的进一步增加，试样发生不可逆转的塑性变形，由于实验中为平均应变率，因此由图3 的应变率历程曲线可以看出，在整个过程中，应变率并不是恒定的，所以导致平均应变率为1 853s－1的应力曲线在塑性阶段处于应变率为1 500s－1的下方，说明应变速率对应力有一定的影响，在实验中应该力求对试样进行恒应变率加载．

3 本构方程的确立

冲击载荷下金属材料的力学响应，是一个非常复杂的过程．研究材料的动态力学行为，就是建立能够准确描述材料在各种载荷条件下的力学响应的本构模型．Johnson－Cook 模型［6］是经验型本构模型，Von Mises等效应力是等效塑性应变、等效塑性应变率和温度的函数，综合描述了金属材料的加工硬化效应、应变率效应和温度软化效应，其形式为

其中

式中：A，B，n，C，m 为材料参数；¯σ为材料塑性应力；J2为偏应力张量的第二不变量；sij为偏应变张量，¯εp为等效塑性应变；˙ε＊为无量纲塑性应变率；˙ε0为参考应变率，一般取0．1～10－5s－1；T＊为无量纲温度，Tr和Tm分别为室温和材料熔化温度．由于本实验主要研究常温下AZ80 镁合金的本构关系，因此式（4）可简化为

利用实验所得的数据，采用最小二乘法进行拟合，得到室温下AZ80 镁合金的Johnson－Cook本构方程为

为了验证由实验所拟合本构的准确性，利用LS－DYNA 有限元软件建立三维有限元模型，将该本构方程的参数代入其中进行计算，赋予实验中所测撞击杆的速度，对不同长径比的试样进行数值模拟，并测得最后试样的压缩量，图4 为数值模拟结果与实验结果的对比，测得数据如表2所示．

表2 实验与数值模拟对比Tab．2 Comparison of experimental and numerical

图4 冲击压缩前后试样对比图Fig．4 Samples before and after the shock compression comparison

图5 为冲击压缩后AZ80 在金相显微镜1 000倍下放大晶粒图，组织中出现大量的孪晶，说明孪晶的生长促使了塑性变形的发生，从而使其性能发生变化，强度明显提高，以孪生为主导的孪生与滑移的协调作用是AZ80镁合金塑性变形的主要机制．

图5 应变率为1 276s－1的晶粒组织图Fig．5 The grain structure of strain rate 1 276s－1

4 结 论

通过对AZ80镁合金进行常温下的动态力学性能研究，可以得到：

1）随着应变率的增加，AZ80 镁合金的强度极限明显增加，而屈服极限变化不大．

2）拟合得到常温下AZ80镁合金的Johnson－Cook 本 构 方 程 为：¯σ＝（120＋292¯ε0．32p）（1＋0．025ln˙ε＊），将该方程代入数值模拟与实验进行对比发现，数值模拟结果与实验具有较好的一致性．

3）通过对冲击后的试样进行显微组织观察分析发现，孪晶是其强度提高的主要原因．

［1］周德钦，王贵福，王国军．镁合金的特点及其新技术发展［J］．机械工程师，2006（1）：25－27．Zhou Deqin，Wang Guifu，Wang Guojun．Characterization and new technology of magnesium alloys［J］．Mechanical Engineer，2006（1）：25－27．（in Chinese）

［2］王敬丰，凌闯，梁浩，等．镁合金动态力学性能的研究现状及发展方向［J］．材料导报，2010，24（4）：80－84．Wang Jingfeng，Ling Chuang，Liang Hao，et al．Research status and development direction in dynamic mechanical properties of magnesium alloys［J］．Material Review，2010，24（4）：80－84．（in Chinese）

［3］常旭青．AZ80镁合金负重轮冲击响应特性测试分析［D］．太原：中北大学，2014．

［4］El－Magd E，Abouridouane M．Characterization，modelling and simulation of deformation and fracture behaviour of the light－weight wrought alloys under high strain rate loading［J］．International Journal of Impact Engineering，2006，32：741－758．

［5］卢芳云．霍普金森杆实验技术［M］．北京：科学出版社，2013．

［6］刘盼萍，尹燕，常列珍，等．正火50SiMnVB钢John－son－Cook本构方程的建立［J］．兵器材料科学与工程，2009，32（1）：45－49．Liu Panping，Yin Yan，Chang Liezhen，et al．Establishing of Johnson－Cook constitutive equation for normalized steel 50SiMnVB［J］．Ordnance Material Science and Engineering，2009，32（1）：45－49．（in Chinese）