文章信息
- 刘正, 董阳, 毛萍莉, 于金程. 2015.
- LIU Zheng, DONG Yang, MAO Ping-li, YU Jin-cheng. 2015.
- 轧制AZ31镁合金板材(4mm)动态压缩性能与失效行为
- Dynamic Compressive Properties and Failure Behaviour of Rolled AZ31 Magnesium Alloy Sheet (4mm)
- 材料工程, 43(2): 61-66
- Journal of Materials Engineering, 43(2): 61-66.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.010
-
文章历史
- 收稿日期:2013-04-03
- 修订日期:2014-04-15
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, 8, 9]、动态再结晶和静态再结晶[10, 11, 12]、温热冲压成形技术[13, 14, 15, 16, 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。
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, 23, 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。
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。
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。
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。
从图8可知,AZ31镁合金板材(4mm)在沿RD和TD方向高速压缩时,压应力方向与c轴垂直,c轴受到的是拉应力,所以AZ31镁合金板材(4mm)在RD和TD两个方向上动态力学性能差别不大。而沿ND方向高速压缩时,压应力方向与c轴平行,c轴受到的是拉应力。镁合金中孪晶的启动与其c轴方向所受应力状态密切相关。镁的轴比(c/a)为1.624,小于3,拉伸孪晶系只有在平行于c轴的方向存在拉力时才能启动;压缩孪晶只有在平行于c轴的方向存在压力时才能形成,而且压缩孪晶的启动应力要比拉伸孪晶大得多。因此,沿RD和TD方向高速压缩时,c轴受拉应力,拉伸孪晶易于形成,拉伸孪晶对塑性变形做出贡献,沿RD和TD方向塑性变形能力强。而沿ND方向高速压缩时,c轴受压应力,压缩孪晶的启动应力较大,塑性变形受阻碍,所以沿ND方向动态强度高于RD和TD方向。
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。
(2)沿RD和TD方向高速压缩时,拉伸孪晶对塑性变形做出贡献;沿ND方向高速压缩时,压缩孪晶的启动应力较大,塑性变形受阻碍。
(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。
[1] | 刘正, 王越, 王中光, 等. 镁基轻质材料的研究与应用[J]. 材料研究学报, 2000, 14(5):449-456. LIU Z, WANG Y, WANG Z G, et al. Developing trends of research and application of magnesium alloys[J]. Chinese Journal of Material Research, 2000, 14(5):449-456. |
[2] | 陈力禾, 赵慧杰, 刘正,等. 镁合金压铸及其在汽车工业中的应用[J]. 铸造, 1999,(10):45-50.CHEN L H, ZHAO H J, LIU Z, et al. Die casting of magnesium alloy and its application in automobile industry[J]. Foundry, 1999,(10):45-50. |
[3] | 黎文献.镁及镁合金[M].长沙:中南大学出版社,2005.97-102.LI W X.Magnesium and Magnesium Alloy[M].Changsha:Central South University Press,2005.97-102. |
[4] | 张青来, 卢晨, 朱燕萍. 轧制方式对AZ31镁合金薄板组织和性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2004,14(3):391-397.ZHANG Q L, LU C, ZHU Y P. Effect of rolling method on microstructure and properties of AZ31 magnesium alloy thin sheet[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004,14(3):391-397. |
[5] | MUKAI T, WATANABE H, HIGASHI K. Application of superplasticity in commercial magnesium alloy for fabrication of structural components[J]. Material Science and Technology, 2000,16(11-12):1314-1319. |
[6] | KIM W J, CHUNG S W, KUM D. Superplasticity in thin magnesium alloy sheets and deformation mechanism maps for magnesium alloys at elevated temperatures[J]. Acta Mater, 2001,49(20):3337-3345. |
[7] | 李峰, 桑玉博, 赵立伟. 热变形对AZ31镁合金显微组织的影响[J]. 热加工工艺, 2006,35(6):8-9.LI F, SANG Y B, ZHAO L W. Influence of hot deformation on microstructure of AZ31 alloy[J]. Hot Working Technology, 2006,35(6):8-9. |
[8] | 吴远志, 严红革, 陈吉华, 等. AZ31镁合金高应变速率多向锻造组织演变及力学性能[J]. 中国有色金属学报, 2012,22(11):3000-3005.WU Y Z, YAN H G, CHEN J H, et al. Microstructure evolution and mechanical properties of AZ31 magnesium alloy fabricated by high strain rate triaxial-forging[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012,22(11):3000-3005. |
[9] | 范永革, 汪凌云. 镁合金AZ31B的高温塑性变形及加工图[J]. 中国有色金属学报, 2004,14(7):1068-1072.FAN Y G, WANG L Y. Plastic deformation at elevated temperature and processing maps of magnesium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004,14(7):1068-1072. |
[10] | 刘晓霏, 严巍, 陈国学. AZ31B镁合金塑性变形动态再结晶的实验研究[J]. 塑性工程学报, 2005,12(3):10-13. LIU X F, YAN W, CHEN G X. The experimental study on recrystallization of magnesium alloy AZ31B during plastic deformation[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2005,12(3):10-13. |
[11] | 刘楚明, 刘子娟, 朱秀荣. 镁及镁合金动态再结晶研究进展[J]. 中国有色金属学报, 2006,16(1):1-12. LIU C M, LIU Z J, ZHU X R. Research and development progress of dynamic recrystallization in pure magnesium and its alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006,16(1):1-12. |
[12] | 张凯锋, 尹德良, 韩文波. 热轧AZ31镁合金温变形中的微观组织演变[J]. 航空学报, 2005,26(4):505-509. ZHANG K F, YIN D L, HAN W B. Microstructure evolution in warm deformation of hot-rolled AZ31 Mg alloy [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2005,26(4):505-509. |
[13] | WATANABE H, TSUTSUI H, MUKAI T, et al. Deformation mechanisms in a coarse grained Mg-Al-Zn alloy at elevated temperatures[J]. International Journal of Plasticity, 2001, 17(3): 387-397. |
[14] | LEE S, CHEN Y H, WANG J Y. Isothermal sheet formability of magnesium alloy AZ31 and AZ61[J]. Journal of Material Processing Technology, 2002,124(1/2):19-24. |
[15] | TOZAWA Y. Deep drawing of magnesium alloy sheets[J]. Japan Inst Light Metals, 2011, 51(10): 492-497. |
[16] | DOEGE E, DRODER K. Processing of magnesium sheet metals by deep drawing and stretch forming[J]. Mat Tech,1997,(7-8): 19-23. |
[17] | 张凯锋, 尹德良, 吴德忠. AZ31镁合金板的热拉伸性能[J]. 中国有色金属学报, 2003,13(6):1505-1509. ZHANG K F, YIN D L, WU D Z. Deep drawability of AZ31 magnesium alloy sheets at elevated temperatures [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2003,13(6):1505-1509. |
[18] | 苌群峰, 李大永, 彭颖红. AZ31镁合金板材温热冲压数值模拟与实验研究[J]. 中国有色金属学报,2006,16(4):580-585. CHANG Q F, LI D Y, PENG Y H. Numerical simulation and experimental study of warm deep drawing of AZ31 magnesium alloy sheet [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006,16(4):580-585. |
[19] | 才鸿年, 谭成文, 王富耻, 等. 装甲用镁合金抗弹性能表征体系探讨[J]. 中国工程科学, 2006,(2):30-33. CAI H N, TAN C W, WANG F C, et al. The characterization system of the ballistic performance of armor magnesium alloys[J]. Engineering Science, 2006,(2):30-33. |
[20] | MUKAI A, DAYAN D, PITCHURE D, et al. Dynamic mechanical analysis of pure Mg and AZ31 alloy[A].Magnesium Technology[C].Warrendale: Minerals, Metals & Materials, 2004.103-106. |
[21] | KOICHI ISHIKAWA, HIROYUKI WATANABE, TOSHIJI MUKAI. High strain rate deformation behavior of an AZ91 magnesium alloy at elevated temperatures[J]. Materials Letters, 2005,59(12):1511-1515. |
[22] | PARK S W, ZHOU M. Separation of elastic waves in split Hopkinson bars using one-point strain measurements [J].Experimental Mechanics, 1999,39(4):287-294. |
[23] | 宋力, 胡时胜. SHPB数据处理中的二波法与三波法 [J].爆炸与冲击, 2005,25(4):368-373. SONG L, HU S S. Two-wave and three-wave method in SHPB data processing[J]. Explosion and Shock Waves, 2005,25(4):368-373. |
[24] | 宋博, 宋立, 胡时胜. SHPB 实验数据处理的解耦方法[J].爆炸与冲击, 1998,18(2):167-171. SONG B, SONG L, HU S S. Coupling solved method of SHPB experimental data processing[J]. Explosion and Shock Waves,1998,18(2):167-171. |
[25] | 杨扬, 程信林.绝热剪切的研究现状及发展趋势[J].中国有色金属学报, 2002,12(3):402-407. YANG Y, CHENG X L. Current status and trends in researches on adiabatic shearing [J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2002,12(3):402-407. |
[26] | 陈振华, 夏伟军, 程永奇, 等. 镁合金织构与各向异性[J]. 中国有色金属学报,2005,15(1):1-11. CHEN Z H, XIA W J, CHENG Y Q, et al. Texture and anisotropy in magnesium alloys [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005,15(1):1-11. |