轧制AZ31镁合金板材(4mm)动态压缩性能与失效行为

刘 正，董 阳，毛萍莉，于金程

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870)

轧制AZ31镁合金板材(4mm)动态压缩性能与失效行为

刘 正，董 阳，毛萍莉，于金程

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870)

AZ31镁合金；SHPB；高应变速率；动态力学性能；失效行为

镁合金是目前实际应用中密度最低的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、阻尼性和切削加工性好等优点，因而被广泛应用于汽车领域[1,2]。其中AZ31镁合金的强度较高，延展性良好，可用来制造不同厚度的板材及形状复杂的锻件、模锻件及挤压件，是目前应用最广泛的变形镁合金[3]。目前，国内外学者对AZ31镁合金成形技术进行了大量的研究，主要集中在AZ31板材制备[4]、超塑性[5,6]、热变形规律[7-9]、动态再结晶和静态再结晶[10-12]、温热冲压成形技术[13-17]和数值模拟[18]等方面。然而作为交通工具的结构材料，有必要对其在冲击载荷下的力学行为进行研究[19]。因为在冲击载荷下，由于应变速率较高，塑性变形只在局部发生，变形很不均匀，这就使得动态力学行为与静态不同[20,21]。到目前为止，国内外对AZ31镁合金板材在高应变速率下的研究报道很少。因此，本研究轧制AZ31镁合金板材(4mm)分离式Hopkinson高速压缩实验，探讨AZ31镁合金板材(4mm)沿不同方向在不同应变速率下的动态压缩力学性能和断裂机制，将为高速冲击载荷下AZ31镁合金板材的选用提供重要依据。

1 实验

实验测试材料是商用AZ31镁合金板材(4mm)。合金的名义化学成分(质量分数)为Al 3%， Zn 1%， Mn 0.2%，其他为Mg。为了研究其各向异性，Hopkinson高速压缩的立方试样从AZ31镁合金4mm板材上沿轧制方向(RD)、横向(TD)和法向(ND)三个方向截取，截取示意图如图1所示。试样尺寸为3mm×3mm×4mm，试样照片如图2(a)所示，沿RD方向压缩的试样断裂照片如图2(b)所示。

图1 试样截取示意图Fig.1 Schematic diagram of cutting specimens

图2 AZ31镁合金板材(4mm)动态压缩试样照片(a)压缩试样；(b)沿RD方向断裂试样Fig.2 Photographs of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)(a)specimen;(b)specimen after dynamic compression along RD

在室温下采用SHPB装置进行高速压缩实验，实验原理见文献[22-24]。波导杆采用 φ10mm×900mm的弹簧钢杆，应变片型号为：BF120-1AA，电阻值：120.0Ω± 0.1Ω，灵敏系数：2.11±0.1。实验的应变率范围为500～2600s-1。实验装置如图3所示。实验后对断裂的试样利用SEM进行断口形貌分析。并对断裂试样进行镶嵌、磨平、抛光、腐蚀后，再观察金相组织。

图3 SHPB实验装置图Fig.3 Schematic view of SHPB system

2 实验结果

2.1 动态压缩力学性能

图4为轧制AZ31镁合金板材(4mm)的动态压缩真应力-真应变曲线。由图4(a)，(b),(c)可知，AZ31镁合金板材(4mm)分别沿RD,TD和ND三个方向高速压缩时，沿RD和TD方向的动态压缩真应力-真应变曲线的初始部分均出现明显的转折台阶，呈现出明显的屈服现象；而沿ND方向的动态压缩真应力-真应变曲线则没有转折台阶，呈现连续屈服的特征。随着应变速率的增大，沿RD和TD两个方向的曲线不断上移，表现出正应变率强化效应；而沿ND方向的曲线则基本重合。沿RD方向高速压缩时，当应变速率达到2100s-1，试样发生断裂，断裂强度为245MPa；沿TD方向高速压缩，应变速率达到2000s-1时，试样发生断裂，断裂强度为230MPa；而沿ND方向高速压缩，应变速率达到1250s-1时，试样发生断裂，断裂强度为865MPa。

图4 AZ31镁合金板材(4mm)动态压缩真应力-真应变曲线(a)RD;(b)TD;(c)ND;(d)1600s-1;(e)2100s-1Fig.4 Dynamic compressive true stress-true strain curves of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)(a)along RD;(b)along TD;(c)along ND;(d)1600s-1;(e)2100s-1

由此可见，沿RD和TD两个方向高速压缩时，试样断裂的应变率基本相同，断裂强度也相近，而与ND方向则大不相同。而当应变速率同为2100s-1时，RD和TD的动态压缩真应力-真应变曲线基本重合，如图4(e)所示。图4(d)为应变速率在1600s-1时三个方向的动态压缩真应力-真应变曲线，可以明显看出，RD和TD两个方向与ND方向的动态压缩性能存在明显的各向异性。上述结果表明，轧制AZ31镁合金板材(4mm)沿ND方向的动态断裂强度最大，RD和TD能承受的应变速率大于ND方向，其动态压缩性能存在各向异性，RD和TD方向的动态压缩力学性能相同，与ND方向的动态压缩力学性能明显不同。

2.2 动态压缩断口形貌

图5为AZ31镁合金板材(4mm)高速压缩后断裂试样的断口形貌。从图5可以看出，RD方向和ND方向的断口起伏平缓，出现大量的弯曲的撕裂棱和光滑平面，还有少量的较浅的舌状花样，表现出明显的解理断裂特征。而TD方向的断口则出现大量的明显高低错落的解理台阶形貌。由此可知，AZ31镁合金板材(4mm)在动态压缩载荷下的断口机制为解理断裂，断口形貌对载荷方向敏感。

2.3 动态压缩金相组织

图6为AZ31镁合金板材(4mm)的金相组织照片。图6(a-1)为RD方向原始金相组织，从图中可以看出，原始组织中已存在一定数量的孪晶，形成了一定宽度的孪晶条带，这些孪晶是在轧制变形过程中所形成的。经过高速压缩后，如图6(a-2)所示，RD方向组织中出现了许多细小的裂纹，这些裂纹沿着晶界和孪晶界扩展，并且相互连接。图6(b-1)为TD方向原始金相组织，组织中存在晶粒尺寸为10μm左右的等轴晶粒和晶粒尺寸为2μm左右的细小再结晶晶粒。经过高速压缩后，如图6(b-2)所示，RD方向组织中出现裂纹，裂纹周围有明显融化的痕迹。这是由于绝热温升而引起的热软化效应[25]，在高应变速率下，整个变形过程的时间是极短的，绝大部分(90%左右)的塑性功转化为热量并且来不及散失，热量集中使得局部组织发生融化现象。图6(c -1)为ND方向原始金相组织，原始组织中已存在一定数量的孪晶和细小再结晶晶粒条带，原始组织中有少量的孪晶。经过高速压缩后，孪晶数量大幅增加，孪晶带明显变宽，如图6(c -2)所示。

图5 AZ31镁合金板材(4mm)的动态压缩断口SEM图片(a)RD方向;(b)TD方向;(c)ND方向Fig.5 SEM fractographs of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm) under dynamic compression(a)along RD;(b)along TD;(c)along ND

图6 AZ31镁合金板材(4mm)的原始(1)和动态压缩(2)的金相组织 (a)RD方向;(b)TD方向;(c)ND方向Fig.6 Original (1) and dynamic compressive(2) microstructures of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)(a)along RD;(b)along TD;(c)along ND

3 分析与讨论

3.1 变形机制

通常镁合金在挤压、轧制等塑性变形过程中易形成较强的(0002)基面织构[26]。图7为AZ31镁合金板材(4mm)的织构极图。通过分析织构可以发现，AZ31镁合金板材(4mm)在轧制过程中形成了强烈的基面平行于轧制方向的{0002}基面织构，使绝大部分晶粒的基面平行于轧制板面，c轴与板面垂直，只有少量晶粒的取向向轧制方向略有偏散(c轴向轧制方向倾斜)，偏散角度在10°以内。再由织构分析结果，图8给出了AZ31镁合金板材(4mm)的动态压缩试样受力方向与c相对关系示意图，箭头表示受力方向。

图7 AZ31镁合金板材(4mm)的织构极图Fig.7 Pole figure of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)

图8 AZ31镁合金板材(4mm)动态压缩试样受力方向与c轴相对关系示意图Fig.8 Schematic illustration of applied force of tensile samples of AZ31 magnesium alloy sheet (4mm) related to c axes

3.2 断裂机制

通过本实验的断口形貌观察和金相组织分析可知，高应变速率下AZ31镁合金板材(4mm)的动态压缩断裂机制为解理断裂。在高速压缩下，一是局部组织受力集中，晶粒与基体发生分离，萌生裂纹，裂纹再沿晶界和孪晶界扩展；二是局部组织由于高速压缩过程中的热软化作用，在融化的组织中萌生裂纹，导致材料失稳。

4 结论

(1)轧制AZ31镁合金板材(4mm)动态压缩性能存在各向异性。沿ND方向的动态断裂强度最大，沿RD和TD能承受的应变速率大于ND方向。

(3)高应变速率下AZ31镁合金板材(4mm)的动态压缩断裂机制为解理断裂。

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Dynamic Compressive Properties and Failure Behaviour of Rolled AZ31 Magnesium Alloy Sheet (4mm)

LIU Zheng，DONG Yang，MAO Ping-li，YU Jin-cheng

(School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

AZ31 magnesium alloy；SHPB；high strain rate；dynamic mechanical property；failure behavior

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.010

TG146.2+2

A

1001-4381(2015)02-0061-06

国家重点基础研究计划(973计划)项目资助(2013CB632205)；辽宁省科学技术计划项目资助(201202160)

2013-04-03;

2014-04-15

刘正(1957-)，男，教授，博士，主要从事高性能镁合金及其应用等方面的研究工作,联系地址：沈阳经济技术开发区沈辽西路111号(110870)，E-mail:zliu4321@vip.sina.com