AZ31B镁合金动态冲击变形机制研究

2015-11-19 08:41耿长建武保林佟文伟韩振宇

航空发动机 2015年3期

耿长建，武保林，刘芳，佟文伟，韩振宇

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，沈阳110136）

0 引言

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、铸造性能较好、电磁屏蔽能力较强以及易于再生利用等一系列优点，被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的材料”。其结构件在汽车、飞机、计算机、通讯等领域的应用日益广泛[1-3]。AZ31B变形镁合金具有良好的延展率和较高的强度，是目前应用最广泛的挤压变形镁合金，在不同的加载方向下呈现各向异性。文献[4-5]认为不同的孪生变形机制是镁合金呈现各向异性的主要原因。通常认为，在平行于晶粒的c-轴有拉应变时产生{10-12}拉伸孪生，而在平行于晶粒的c-轴有压应变时产生{10-11}压缩孪生[6-10]。另外，位错滑移也是变形镁合金的重要变形机制。何种变形机制起主导作用与晶粒取向、应变速率等因素具有密切关系。

在镁合金构件的实际应用中，经常承受冲击与循环等动态载荷的作用，因此研究变形镁合金的动态力学行为与组织结构之间关系，对其结构件的安全设计及合理使用具有重要指导意义。本文利用Hopkinson压杆，研究了大气压为0.2和0.5MPa下AZ31B镁合金挤压棒材的径向与轴向动态冲击力学行为，并讨论了相关机制。

1 试验材料和方法

试验采用的AZ31B镁合金属于Mg-Al-Zn系合金，是目前工业界使用较广泛的1种变形镁合金。其中加入的Al元素可与Mg形成固溶体，提高了合金的力学性能；同时Al元素还可提高合金的耐腐蚀性，减小凝固时的收缩，改善合金的锻造性能，增强铸件强度。Zn是另1种有效的合金化元素，在镁合金内以固溶体存在，对合金性能的影响与Al相似，但当Zn的质量分数高于2%时会出现热裂现象，因而应严格控制其含量。加入Mn元素可提高镁合金的韧性并改善其耐腐蚀性能。合金中的铁、铜、镍等杂质元素会降低合金的耐腐蚀性能，应严格控制其含量。AZ31B的名义成分见表1。

表1 AZ31B镁合金名义化学成分

电子背散射衍射样品的电解抛光液为10%HClO4+90%乙醇，电压为30~40V，电流为1~2mA，电解抛光的温度为243K。使用液氮作为制冷剂。试验设备为：JEOL，JSM-7001F和JEOL，JSM-6500F扫描电子显微镜。

分别沿原始退火挤压棒材的挤压方向（轴向）和垂直挤压方向（径向）切取棒材，加工成直径为8mm，高10mm的快速冲击样品。

冲击试验采用分离式霍普金森压杆（Split HopkinsonPressureBar，SHPB）装置，如图1所示。

图1 Hopkinson压杆冲击试验系统

SHPB是目前应用最为广泛的测试高应变率下力学特征的试验装置[11-13]；可以用来测试材料在应变率为102~104s-1内的应力-应变曲线，其主要特点是可实现材料的高应变率变形，同时保持材料内部的动态应力平衡或者材料内轴向应力梯度接近于零。

2 试验结果

2.1 冲击变形前金相组织及织构

原始挤压AZ31B镁合金退火后显微组织如图2所示。从图中可见样品晶粒为等轴组织，尺寸不很均匀，平均尺寸为15μm。

图2 原始挤压AZ31B镁合金退火后显微组织

原始挤压AZ31B镁合金退火后织构如图3所示。从退火后棒材挤压ED反极图（图3（a））中可见，织构主要由较强的<10-10>丝织构组分和较弱的<11-20>丝织构组分构成，2种组分的{0002}晶面都平行于ED。沿径向切取拉伸样品，其轴向反极图可以根据退火后挤压棒材的反极图推断，如图3（b）所示。其轴向分别沿<0001>-<11-20>和<0001>-<10-10>晶体学取向三角形的2个边均匀分布，强度级别对应图3（a）。

图3 原始挤压AZ31B镁合金退火后织构反极

2.2 快速冲击曲线

分别沿挤压退火后棒材的径向与轴向切取动态冲击样品，冲击真应力-真应变曲线如图4所示。在大气压为0.2、0.5MPa下，径向冲击样品的冲击应变速率分别为840、1080s-1；轴向样品的冲击应变速率分别为815、1231s-1。从图中可见，屈服强度、总应变量、断裂强度均随着应变速率的增加而增加；在同一冲击气压下，轴向样品屈服强度、总应变量、断裂强度均高于径向样品对应的值。

2.3 变形后组织

气压载荷为0.2、0.5MPa冲击后径向和轴向样品的变形组织如图5所示。从图中可见，径向样品和轴向样品孪生的数量均随着气压载荷的增加而增加；在同一气压载荷下，轴向样品中孪生的数量比径向样品中的多。

图4 冲击气压载荷为0.2MPa和0.5MPa时应力-应变曲线

图5 气压载荷为0.2、0.5MPa时径向和轴向样品变形组织

动态冲击后变形组织的EBSD取向成像及取向差分布如图6所示。从图中可见，样品中孪生的数量随着应变速率的增加而增加，且大部分为{10-12}拉伸孪生。与图5金相图中的结果一致。

图6 快速冲击后变形组织的取向成像及其相应的取向差分布

3 分析讨论

3.1 快速冲击应变速率敏感性

材料应变速率对流变应力值的影响通常可以用修正后的Cowper-Symonds公式来描述

式中：σ0、σy、σu分别为静态应力、屈服强度和最大应力值；为应变速率；C 和P 为材料应变速率敏感性常数；k 为描述材料应变速率敏感性的应变硬化参数。

根据式（1），若流变应力值随着应变速率的增加而减小，则P 应该为负值。

同样，材料的应变速率敏感性参数k 或β 也可以用下式[13-15]描述

式中的压应力σ2和σ1可以通过计算得到，先根据冲击试验求出平均应变速率2、1，在2种应变速率下相同的应变处计算对应的流变应力值即为σ2和σ1。

为了获取2种样品应变速率敏感性的定量信息，依据文献[16]的计算方法，对2种样品快速冲击应变为0.02处计算各自的应变速率敏感性因子值，结果见表2。表明2种样品随着冲击载荷（或应变速率）的增加，其流变应力值和总应变量均增加，合金均表现出正的应变速率敏感性，径向冲击样品的应变速率敏感性值大于轴向冲击样品的，其原因与样品的织构有关。一般而言，位错变形过程表现为正的应变速率敏感性，而孪生表现为负的应变速率敏感性，由于径向冲击样品的织构特征，位错滑移起主要作用，因此其应变速率敏感性大于轴向冲击样品的。

表2 应变为0.02时2种样品应变速率敏感性因子β值

3.2 孪生及Schmid因子变形机制

通常当晶粒的c-轴与压缩方向平行时，与压缩孪晶相比较，由于具有更小的临界剪切应力值（CRSS）因此锥面滑移更易启动。此时，无法激活基面滑移、柱面滑移以及{10-12}拉伸孪晶，主要原因是这些变形模式的施密特因子值都很小，甚至为负值。但对于那些c-轴方向偏离ND 方向的晶粒而言，上述的基面滑移、柱面滑移以及拉伸孪晶可能被激活，因为基面滑移所需的临界剪切应力值是镁合金变形模式中最小的。位错滑移依靠原子扩散来进行，相比孪晶的切变过程，其速度远远低于孪晶的生成速度。一般来说，随着应变速率的增加，通过滑移产生的位错越来越多堆积在晶界上，不仅促使晶粒内部的应力分布不均匀，还可引起晶界附近的集中应力增大，局部集中应力达到产生孪生的临界值时，就会在变形晶粒内部或相邻晶粒内部产生孪晶。因此，随着应变速率的增加（本次试验中的应变速率为815~1231 s-1），镁合金材料会更多地以孪生的方式变形，导致镁合金的屈服强度和断裂强度随应变速率的增加而急剧增加。

由于{10-12}拉伸孪生的CRSS远低于柱面滑移和锥面滑移及{10-11}压缩孪生的CRSS，随着应变量的增加，拉伸孪生在滑移屈服前被激发，由于拉伸孪生的CRSS高于基面滑移的，在径向样品中拉伸孪生在滑移屈服后被激活。当应变速率足够大时，位错滑移来不及进行，远远滞后于样品的宏观变形，造成大量的拉伸孪生开动。

镁合金的孪生变形机制取决于形变晶粒取向与加载作用力方向间的关系，即Schmid因子[17]。研究[18]发现，{10-11}压缩孪生变体中接近一半都具有较低的Schmid因子（0.15~0.30），5%的压缩孪生变体具有非常低的Schmid因子，初次孪生变体不完全以Schmid因子的大小顺序来决定[17，19]。但统计发现，发生孪生的变体的Schmid因子普遍高于其它变体的。为了讨论孪生变形机制，本文计算了拉伸孪生和压缩孪生的Schmid因子在取向空间中的分布。在此，选择在较大取向范围内具有高Schmid因子的（-1012）[10-11]和（0-111）[0-11-2]2个变体来讨论孪晶变形机制的情况。2种变体的Schmid因子分布如图8所示。从图中可见，Schmid因子与加载作用力的方向有密切关系，在较低的tanθ/2范围（θ 为反极角），（-1012）[10-11]拉伸孪生具有较高的Schmid因子；在较高的tanθ/2范围，（0-111）[0-11-2]压缩孪生具有较高的Schmid因子。由此可推断，在高tanθ/2范围内有利于拉伸孪生开动；在低tanθ/2/2范围内，有利于压缩孪生开动；而在中间范围，2种孪生模式都可能开动。因此，如果只考虑Schmid因子的影响，上述2种孪生可同时被激活。但Schmid因子并不是惟一决定因素，还应考虑2种孪生模式具有不同的CRSS。{10-12}拉伸孪生的CRSS较低，而{10-11}压缩孪生的CRSS却非常高[20]，因此，在相同的Schmid因子条件下，拉伸孪生只需较低剪切应力就能被激活，拉伸孪生在较大晶粒取向范围内都可开动，而压缩孪生只限于极小晶粒取向范围内开动。这就解释了为什么在较高应变速率下有大量拉伸孪生产生而只有少量压缩孪生产生。需要强调的是，材料发生形变时，因初次孪生模式和孪生变体的选择（Primarytwinningandits variantselection）机制所考虑的问题不同，在考虑初次孪生模式选择问题时，不仅要考虑变形晶粒的取向或Schmid因子，也应考虑2种孪生的CRSS差异。