鑄態AZ80A鎂合金熱加工圖及高溫變形行為研究

邱友權，袁林，單德彬

（哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001）

鎂合金是目前所使用的最輕的金屬結構材料，具有高比強度、高比剛度、優良的機械加工性能和良好的電磁屏蔽性能等優點，被稱之為“21世紀最具發展潛力的綠色工程材料”［1—4］。不過，鎂合金為密排六方結構，滑移系少，在室溫下塑性變形能力差［5］。由于鎂合金具有良好的鑄造性能，大多數鎂合金產品都是通過鑄造方法制造出來的，這大大限制了鎂合金在關鍵受力構件方面的應用。近年來，隨著航天航空領域對于輕量化需求的不斷增加，鎂合金塑性加工技術成為鎂合金加工領域的主要研究方向之一。在所有的變形鎂合金中，由于Mg-Al-Zn系鎂合金價格較為便宜，該系合金又具有較高的強度、良好的塑性和韌性，是使用非常廣泛的變形鎂合金之一。

熱鍛、熱擠壓和熱軋制是有效提高鎂合金成形能力的手段。在這些熱變形過程中，會同時伴隨著加工硬化、動態回復（DRV）和動態再結晶（DRX）過程，變形過程發生DRX會使得晶粒細化，變形抗力降低，有利于后續的加工成形［6］。鎂合金的層錯能較低，在250℃以上時易發生動態再結晶，獲得的產品具有較高的強度和良好的塑性和機械加工性能［6—7］。制定合理的熱加工工藝對于變形鎂合金的性能有著較大的影響。本文主要通過構建鑄態AZ80A鎂合金熱加工圖，研究其高溫變形行為，實現AZ80A鎂合金組織結構和熱加工性能的優化。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的材料牌號為AZ80A鎂合金，鑄態坯料由中南大學提供。表1為經X射線熒光光譜分析（XRF）獲得的AZ80A鎂合金化學成分。

表1AZ80A合金的化學（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of AZ80A magnesium alloy

材料的原始組織如圖1所示。圖1中大塊的晶粒為先共晶的α-Mg，在先共晶的α-Mg固溶體邊界上白色具有黑色輪廓的相是在非平衡凝固過程中產生的Mg17Al12共晶組織（圖1a）。在共晶組織附近的呈黑色的部分組織為層片狀組織，這些組織是α-Mg固溶體在冷卻過程中析出的二次Mg17Al12相（圖1b）。

將實驗鑄態材料在355℃，保溫12 h條件下進行了均勻化處理，材料均勻化后微觀組織如圖2所示。鑄態組織原來存在的較多共晶組織和成分偏析，經均勻化處理后，均得到了減弱和消除。

圖1 AZ80A鑄態材料原始組織Fig.1 Optical micrographs of original structure of as-cast AZ80A

圖2 AZ80A鑄態材料均勻化后組織Fig.2 Optical micrographs of homogenized structure of as-cast AZ80A

1.2 試驗方案

沿AZ80A鎂合金鑄態坯料的軸向取試樣，加工成直徑為8 mm，高度為12 mm的圓柱狀試樣，并在低溫電阻爐中按照上述條件進行均勻化處理。在Instron5500R熱模擬試驗機上進行高溫壓縮試驗，試樣兩端均勻涂以石墨潤滑劑，以減小摩擦對實驗結果的影響。變形溫度分別選擇為270，300，330，350，380，410 ℃;應變速率為 0.001，0.01，0.1，0.5 s-1。試樣采用電阻加熱，加熱到預定溫度后，保溫3 min，以使試樣內部溫度均勻。變形過程由計算機控制并自動采集數據。

2 試驗結果及討論

2.1 高溫壓縮流動應力應變曲線分析

圖3所示為鑄態AZ80A鎂合金在不同變形溫度和應變速率下的真應力-真應變曲線?？梢钥闯?，在變形開始階段，存在明顯的加工硬化，應力隨著應變的增加很快增大到峰值應力。當變形溫度為270℃和300℃時，真應力-真應變曲線在加工硬化階段出現了拐點，其斜率有所減小，這是新的滑移系開動產生的結果。隨著溫度升高和應變速率減小，拐點逐漸消失。在達到峰值應力階段之后，隨著應變的增加，應力在峰值保持較短的時間后，逐漸下降。這是由于材料動態再結晶的軟化效應大于加工硬化的強化效應，導致這一階段在整體上表現出應變軟化。當材料變形溫度在270℃和300℃，應變速率較高時，由于溫度較低，動態再結晶的時間很短暫，軟化效應很弱，材料在達到峰值應力后，很快就發生了斷裂。隨著應變進一步增加，流變應力基本不隨應變的增加而發生變化或者略有下降，該階段就是穩態流動階段。此時動態再結晶引起的軟化和加工硬化二者達到了動態平衡，就產生了穩態流變應力。其他條件相同的情況下，變形溫度的降低和應變速率的增大都使得加工硬化加劇，峰值應力和與其對應的應變也隨之增大，而且動態再結晶的臨界應變值變大，即材料在低溫時動態再結晶發生很慢;與之相反，在高溫低應變速率時動態再結晶發生很快。

圖3 不同溫度下鑄態鎂合金的真應力-真應變曲線Fig.3 The true stress-true strain curves of as-cast AZ80A magnesium alloy at different temperatures

2.2 本構方程建立

鎂合金的應力、應變速率和溫度之間有很明顯的相互作用。鎂合金的塑性變形大部分都在較高的溫度下進行，鎂合金的熱變形過程是一個熱激活的過程，該過程的一個主要特點就是變形過程受熱激活過程控制，并遵循Arrehenius公式:

Tegart和 Sellars［8］利用 Arrehenius 公式推導出了雙曲正弦函數關系（式2），該關系式包含了變形激活能Q和變形溫度T，是對Arrehenius公式的修正。

在所有的應力下:

式中:ε為應變速率;n為應力指數;α，A為材料常數;σ為材料的峰值應力或指定應變時材料的流變應力，文中為峰值應力;R為氣體常數;T為熱力學溫度;Q為變形激活能。

為了能夠求得方程中的未知參數，對公式（2）進行簡化。

在低應力水平下:

在高應力水平下:

對式（3）和（4）兩邊分別取自然對數，可以得到:

式中:n1為應力指數;β，A1，A2分別為材料常數（α為應力水平參數，α=β/n1）。

式（5）和（6）表明n1為ln和ln σ關系曲線的斜率，而β為ln和σ關系曲線的斜率。如圖4和圖5所示，對每組曲線進行擬合，求得了n1和β的平均值，根據公式α=β/n1可以計算該材料應力參數 α=0.009 958。

圖4ln-ln σ的關系曲線Fig.4 Relationship between ln and ln σ

圖5ln-σ的關系曲線Fig.5 Relationship between ln and σ

假定變形激活能Q跟溫度T不相關，對式（2）兩邊取自然對數，當溫度為常數時可以得到:

圖6ln與ln［sinh（ασ］關系曲線Fig.6 Relationship between ln and ln［sinh（ασ］

式中:m為應變速率敏感因子，m=1/n=0.15。

圖7 ln［sinh（ασ］與1/T的擬合曲線Fig.7 Relationship between ln［sinh（ασ］and 1/T

從式（10）可以看出，ln［sinh（ασ］與1/T成線性關系，將不同變形條件下的應力值代入式（10），對二者進行線性回歸，繪制出相應的ln［sinh（ασ］-1/T曲線（見圖7）。由圖7可知，在應變速率相同的情況下，流變應力的ln［sinh（ασ］和1/T之間是滿足線性關系的。擬合后直線的斜率的平均值為3.67。

對式（2）兩邊取自然對數并求偏微分，可以得到AZ80A鎂合金激活能Q的表達關系式，即:

應變速率和溫度之間的關系常用Z（Zener-Hollomon）參數表示，該參數是由Zener和Hollomon綜合了應變速率和溫度的影響后得到的。

Z參數的表達式如下:

對公式（12）兩邊取自然對數，得到:

將曲線的變形條件和變形激活能Q代入式（13）中，則可以得到 lnZ的值，利用 lnZ和ln［sinh（ασ）］關系作圖，結果如圖8所示。從圖8中可以看出兩者成直線關系，相關系數達到98.3%。因此，利用雙曲正弦函數來描述AZ80A鎂合金高溫壓縮變形行為是合適的。

圖8 ln Z 和 ln［sinh（ασ）］的關系Fig.8 Relationship between lnZ and ln［sinh（ασ）］

聯立式（12）和式（13），可得以下關系:

對式（14）兩邊取自然對數，得:

由式（15）可以看出，n為 lnZ-ln［sinh（ασ］所構成直線的斜率，lnA為擬合后直線的截距，lnA=34.86，A=1.37×1015，則建立的本構方程為:

2.3 熱加工圖

熱加工圖是由功率耗散圖與失穩圖疊加構成的，其基礎是動態材料模型。其中材料微觀組織的變化利用功率耗散系數η來表示，η與另外一個與應變速率和溫度有關的參數m有關，其表達式如下:

式中:m為應變速率敏感因子。

不同溫度和不同應變速率下獲得的功率耗系數的等高線圖就構成了功率耗散圖，功率耗散系數的不同，用于微觀組織變化的能量就不同，導致其微觀組織會產生差異。連續失穩判據［9—10］是 Prasad等學者根據Ziegler的研究提出的。失穩判據如下:

其物理意義為，當外加熵的速率大于系統產生熵的速率，系統就會產生局部流動失穩現象。ξ（）隨應變速率和溫度變化就構成了失穩圖。其中失穩區域的微觀現象是局部流動失穩、絕熱剪切帶和機械孿晶等。

圖9所示為應變為ε=0.3和ε=0.6時的熱加工圖。圖中等高線的數字代表功率耗散的大小，根據Prasad的流變失穩理論，在ξ（）＜0的區域為流變失穩區。利用ξ＞0（空白處）、-1≤ξ≤0（單向條紋陰影區）和ξ≤-1（雙向條紋陰影區）將加工圖分為3個區域，其中ξ＞0為發生協調變形的區域;ξ≤-1區域為一定發生流變失穩，-1≤ξ≤0為亞失穩流變區，距離ξ≤-1越近的位置發生流變失穩的概率越大。

ε=0.3時的失穩區集中在270～300℃，高應變速率的情況下，270℃至330℃且應變速率大于0.01 s-1時為亞失穩區，動態回復區域為270～330℃和0.1～0.5 s-1的區域和270℃，0.001～0.01 s-1的區域。動態再結晶區域出現在300～410℃和0.001～0.01 s-1區域內，在410℃和0.001 s-1處塑性變形功率耗散峰值達42%，但是此時應變速率較慢。因此，當ε=0.3時最佳加工工藝參數為330～380℃，應變速率在0.001～0.01 s-1之間。

ε=0.6時的失穩區集中在高溫高應變速率和低溫低應變速率的情況下，亞失穩區面積較大。動態回復為270～300℃，0.1～0.5 s-1的區域。動態再結晶域為300～410℃和應變速率在0.001～0.1 s-1的區域內進行。對壓縮后組織進行觀察得到失穩后組織如圖10a所示，動態再結晶組織如圖10b所示。從330℃開始出現了較為明顯的再結晶晶粒，最大功率耗散系數出現在410℃和0.001 s-1時，但在410℃可加工的區域僅限于較低的應變速率。因此，最佳的工藝參數范圍為330～380℃，應變速率在0.001～0.01 s-1之間，與應變ε=0.3時的最佳工藝參數相同。

圖9 不同應變量時繪制的熱加工圖Fig.9 Hot processing map of AZ80A at different strains

圖10 不同條件下的壓縮微觀組織Fig.10 Microstructure of the deformed AZ80A under different conditions

3 結論

研究了AZ80A鎂合金在270～410℃，應變速率在0.001～0.5 s-1之間的壓縮變形行為。從本構方程和對不同條件下熱加工圖的分析，得到了以下結論。

1）建立了AZ80A鎂合金熱變形本構方程:

2）變形溫度的降低和應變速率的增大都將使得加工硬化加劇，而且峰值應力和與其對應的應變也隨之增大，動態再結晶的臨界應變值變大，即表示材料在低溫時動態再結晶發生很慢，與之相反，在高溫低應變速率時動態再結晶發生很快。

3）ε=0.3時，動態回復區域為270～330℃和0.1～0.5 s-1的區域和270 ℃，0.001～0.01 s-1的區域。動態再結晶區域出現在300～410℃和0.001～0.01 s-1區域內。

4）ε=0.6時，動態回復區域為270～300℃，0.1～0.5 s-1的區域，動態再結晶區域為300～410℃，0.001 ～0.1 s-1的區域。

5）通過綜合分析熱加工圖，最佳的工藝參數范圍為330～380℃，應變速率在0.001～0.01 s-1之間。

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