应变速率对Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能的影响

07215

文章编号：1 〇ai-9 7 3.1 (2017) 07-07 215-0 6

应变速率对

Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能的影响'

张臻^,邓运来“2,3,郭辉1>3，钱鹏传i’3 ,，唐鸿远2，叶凌英2

(1•中南大#轻会金研究脘，长沙41.00.8.3;2•中南太:学材_料科攀院，长抄410.083;

3..中亩大学有色金顧先进结构材料与制翁协筒创新中心，长沙4K)()83)

摘要：研究了 .应变速率对Al-Zn-Mg合金重温.拉伸性能的_影响Q结果表明，随着试验过程中应.变速率的增 加，Al-Z:n-Mg合金的叙限抗拉强度(i?M)略有_增加，屈服强度明显上升，伸长率显著下降。断口显微 分析表明，在应变速率较低时，Al-Zn-Mg合全材料的翁口中初窝组织较多.，主要以初性断:裂为主；随着.应变速.率 不断增加，表现出初性断裂和脆性断裂^:金相显微分析表明，随着:应变速率的增加，断口的纟从剖面晶粒伸长减少， 并出现一些细小的析出相。此外，基于Fields-Hackofea本构方程模型，定#分析计算了应变速率对Al-Zn.-Mg合 金拉伸性能的影_响。

关键词：Al-Zn-Mg铝合金；应变速率；拉伸性能 ;Fields-Backofen 本构方程中图分类号：

文献标识码：A

DOI：l〇»3aS9/j.issn.1QQl-l?731i2〇17,0?.042

本文对Al-Zn-Mg合金挤压材进行温拉伸试验•

〇

引言

随着现代科技的不断发展•军航空航天以及轨 道交通运输对材料综合性能要求越来越苛刻，现有的 材料以无法满足其需隶。在环境保护以及成本控制的 驱使下，结构材料的轻犛化成为了 .发展的趋势[1—fl。 Al-Zn-Mg合金疆其密度小、比强度、比模量_s导电、 导热性能好等特点•得到了广泛的应用。

但是，Al-Zn-Mg合金在室温下塑性较差，成形相 对比较困难，而温成形工艺则可以提高铝合金材料的 成形性能p在温成形过程中，招合金材料的塑性 可适缉増加，流变抗力有所降低，同时在较高的温度 下•会产生应力松弛现象，降低了倒弹，因而可提高铝 合金件的成形精度[1:—15] s

获得了不同应变速率下的拉伸性能指标以及流变应力

曲线•建重该合金合埋的材料模型，为进一步研究A1-

Zn-Mg合金的温成形性能奠定:了基础B

1

实验

1.1实验材料

Al-Zn-Mg合金挤压材，实验室爾制，其主要化学

成分见.表:_1所示，其中好e :和Si为主要杂质:麗氟酸 (HF)，国药集团化孛试剂有限公司，分析纯（A R);盐 酸（HCU，株洲市崖备化破有限公_■:，分析纯（ARh硝 :酸.1 HN(V)株洲:市星空玻有限公苛，分析纯.(AR.); 氧化铬（cra),西陇化jt股份有限公司•分析纯 (AR)0

表1 Al-Zn-Mg合金的化学成分（％,质量分数）

Table： 1 Coniposition of Al-Zn-Mg alloys [ % ,masa fraction)

元

素

含量

1.2实验设备

Zn

4.27Mg1.39Cu0.11Mn0.32Cr0.11Zr0.14Ti0.074Si0.071Fc0.171Bal.

八

0.9 mm/s，挤压温度为430 t'，挤出后在线喷水淬火。 隨后进行人工时敎(90 *C712 h+1.S9 t /13 h>，#用。 1.4样品的性能及其表征

Al-Zn-Mg _合金挤压材:拉伸试:样如1所策在 DDL-10Q型电子万能材料试验机进行试验;试样采用

电子万能材料试验机，mx-ioo，长春机械科李研 有限.公荀Y金相显微镜、OLYMPUS - _DSX500,

H:本OLYMPAUS公贫s扫播电乎赫微镜Qua:n- ta-200•美国FEI公司。

1.3试样制备

用电阻炉熔炼Al-Zn-Mg合金，在水冷铁模内洚铸 成铸锭，.铸锭蓊均勻化和■.牟:疼处通在:@19.0.0 mm的 挤M筒内挤出:淳度为__ 6，_〇 mm的板材。挤IS速度为

铬截试剂（8:3. mL H:20.+ 1 ml. HF+16 ml. HNOs + 3 g CrfX;腐蚀 _60:〜80 s 后通过 Olympus-t)SX5:0Q 塵 金相M徽镱观察拉伸后的Al-Zn-Mg合金的金相敏织| 使用FEI Quajnt_a_2(_)(_) .•蓮描电乎显微镜观察不.同应

德计划赘助屬6YFB&3® 9«);中山ft科

*

基金项

&:爾家重点基础研鸯食廢计刻赘助项自9 3〇〇_3編象IM,研

技计谢资助(项..目（2:0.1 ftA 1.跑)1)

收到初稿日期如

作者简介：张臻

:1.6-9S-1S

（_199Q— )

收到修改稿日期

湖南湘潭人，博

：8 通讯作者：邓运:来》E-.mail: luck.dcn.g®_esu..c;du..rfc,师_承:邓运来教授，研究.方向为裔性能礙合查制备技术研兖^

07216

变速率下Al-Zn-Mg合金样品的拉伸断口。

2017年第7期（48)卷

强度均呈现出上升趋势，而伸长率则略有降低。其原 因是，合金应变速率的增加，使得合金材料内部瞬时应 变量骤然加剧，瞬间所产屯的位错增殖速率加快，从而 造成位错运动阻力的增加，导致出现加I■硬化，从而导 致抗拉强度和屈服强度增加，伸长率下降。除此之外，

随着应变速率的增加，试样的温度随之上升，导致A1-

sd

+lsCNl

Zn-Mg合金伸长率会有所增加。综合两者作用，从而

50

导致伸长率降低。

从表2抗拉强度以及屈服强度的变化率可知，应 变速率对材料塑性阶段的影响比对弹性阶段的影响更 为显著。这是由于试验过程中的应变速率远小于弹性 阶段的变形速率即:声速，故应变速率的变化对其影响 不大；而塑性变形需要一定时间完成，Al-Zn-Mg合金 的晶粒内部存在着大量的位错，其塑性变形主要是位 错增殖与运动综合作用的结果，而位错运动克服所受到阻力是需要时间的，因此，应变速率对材料的塑性变形的影响大于弹性变形[1|

图1 拉伸试样尺寸图（单位：mm)

Fig 1 Dimensions of a tensile sample (Unit： mm)

2

结果与讨论

2.1室温拉伸性能分析

应变速率对Al-Zn-Mg合金挤压材室温拉伸性能 的影响，如表2和图2所示。从图2可以看出，随着应 变速率的增加，Al-Zn-Mg合金的极限抗拉强度和屈服

表2 不同应变速率下Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能

Table 2 Tensile properties of Al-Zn-Mg alloy under different strain rates

应变速率，

e

抗拉强度， 抗拉强度变化率屈服强度， 屈服强度变化率伸长率

，A

/min-丨

0.02

W2

0.04

0.06

/MPa368.14388.58403.04

e

/%—5.559.48

ed2/o)UcJ9J=s po)l!A

8l36l 4l

/MPa

326.22355J8369.51

2

<5/%

—13.27

1111

0/0/UU30CQ6U0IUJ

8.88

/%

18.4718.2117.63

4

eds/£o)c(DJ=s

^

4

3

5

5

(D

38133

E

3

£n

2.2断口扫描分析

不同应变速率下的Al-Zn-Mg合金挤压材拉伸断

从图3可见，在较高的应变速率下，Al-Zn-Mg合 金挤压材的位错密度较大，且分布相对均匀，此时挤压

CT

0.02

Strain rate/min1

(a>抗拉强度

0.04 0.06

0

0.02

Strain rate/min-1

（b)屈服强度

0.04 0.06 0.00 0.02

Strain rare/mirr1

（c>伸长率

0.04 0.06 0.08

图2 应变速率对A〖-Zn-Mg合金力学性能的影响

Fig 2 Effect of strain rate on mechanical properties of Al-Zn-Mg alloys

口使用Quanta-_2 0 0型妇描电镜进行微观形貌分析，如图3所示。

(a) s=0.02 min-1 (b) s=0.04 min-1 (c) s=0.06 min-1

图3 不同应变速率下Al-Zn-Mg合金的断口显微组织

Fig 3 Microscopic structure for fracture of Al-Zn-Mg alloy under different strain rate

材的极限抗拉强度和屈服强度相对比较高。

由，材料在发生弹塑性变形会在界面上优先产生

张臻等：应变速率对Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能的影响

______________________________________________________________07217

裂纹源i且不断扩大，导致夹杂物间的基体金属产生内 颈缩，达到一定程度后，导致剪切或撕裂断裂，使空洞 相连接，形成典塵韧窝断口形貌，如图3(a)所示。因 此，在较低的应变速率下，Al-Zn-Mg合金挤压材是以 韧性断裂为主，材料的塑性较好，与拉伸试验结果相符 合。随着应变速率增加，断口 1中位错密度增加，裂纹相 互连接时形成撕裂棱；当.应变速率达到0.06 mirT1时， 材料出现明显的准解理面（红色图框标识），如图3(c) 所示，虽以韧性断裂为主W旦脆性断裂的比重较大，因 此材料的伸长率呈现下降趋势。2.3金相显微分析

不同应变速率下Al-Zn-Mg合金挤压材的拉伸断 口纵剖面使用Olympus金相显微镜进行微观形貌分

析，如图4所示，从图4中可以明显观察到，在较低的 应变速率下，Al-Zn-Mg合金中位错密度分布相对不均 匀，溶质原子团簇的平均浓度相对较低，形核位置较 少，析出相未能及时形核，造成合金中的析出相的数量

相对较少。但随着应变速率的増大，Al-Zn-Mg介金.从• 体组织显现出沿着拉伸方向的伸长趋势明显，晶界迁 移明显，析出相虽现出细化的趋势，这是因为，随着应 变速率的增加，外界做功越明显，试样内部温度会相对 升高，使样品在拉伸过程会出现一些细小的析出相，同 时基体内位错数量增加会形成位错缠结面而导致位错 运动阻力加剧，促使抗拉强度和屈服强度一定的升高, 如图4中金相显微组织所示，与室温拉伸试验结果一 致。

(a)未拉伸前 （b) s=0.02 mirr1

图4 Al-Zn-Mg合金断口纵剖面的金相组织

Fig 4 Metallurgical structure for longitudinal fracture of Al-Zn-Mg alloy

2.4本构方程分析

材料在发生弹塑性变形时所产生的流变应力是可 以通过特定的本构方程进行描述。现阶段，用于描述 材料流变应力的本构方程有以下两类^M :第一类是 通过直接描述弹塑性变形条件（如应变速率、温度等） 对材料流变应力的影响，这一类本构方程大多适用于 以加工硬化为主要因素的材料，•而第二类则需要考虑 材料在发生弹塑性变形时对材料内在结构以及状态的 影响，其变形条件的决定性因素是材料的本身结构。

本研究仅考虑应变速率对Al-Zn-Mg合金的影 响，故米用第类本构方程:中的Fields-Backofen[lh]方 程

Rm =CEnEm

速率下所提出的一种假设，温度和应变速率的不同，其

C，m，w均会随之改变。本文是在25 °C(298K)下进 行的，因此主要考虑应变速率的影响。

首先，对?^直进行修正由式（1)可得

Al-Zn-Mg合金的应力-应变对数曲线（Ini?m-lne )

如图5〜7所示，图5(a)-7(a)分别是在图5(b)〜图7 (b)中截取均匀塑性变形的一系列点，进行线性回归分 析，得到的斜率即为〃值，如表3所示。从图8可看 出，Al-Zn-Mg合金随着应变速率变化，〃似以线性丨\"1 11变化。故将应变速率与n值的关系进行线性定义， 如式（3)所示

n = Aloge： B

(3)

在298 K下，计算得到A = —0.04587,在应变速 率为0.02,0.04, 0.06 min—1时，分别对应的B值为

(1)

式（1)中，为材料在特定应变速率下的应力；c

为材料系数为材料的应变速率敏感:系数，W为材料 的应变强化指数。本方程主要是对特定的温度和应变

6721 g_______________________________________^

一0.02525, 一0.02731，一0.02513。结果显示，应变速 率变化对B值影响不大。

封

6.00

科

2017年第7期（48)卷

表3 不同应变速率下的n值

Table 3 n values under different strain rates

应变速率（

e)/min_l

n0.02

0.04

0.052 0.06

0.038 680.030 2112

Fig 5 Relation between ln(Rm) and ln(A) with strain

rate of 0.02 min—1

Fig 6 Relation between ln(Rm) and ln(A) with strain

rate of 0.04 min—1

5.95

5.85

5.80

-5.0-4.5

-3.5

In⑷

-4.0⑻

DC 4.5

-

8.0

-7.0 -6.0 -5.0 -4.0-3.0

ln(s)

(b)

图7 应变速率为0.06 min一1时，ln(i?ro)-ln(e)关系曲

线

Fig 7 Relation between ln(Rm) and ln(A) with strain

rate of 0.06 min—1

Fig 8 Relation between n and log(e)

然后，对w值进行修正，由式（1)可得

m —-------3

lni?;

91(4)

ne

-

本文主要分析3个应变速率下，对流变应力只£的 影响，式⑷中iC取凡值。采用常用的&计算公式

如下

1. 15 (R y ^ R u )

(5)

Ini?£:与In(e)之间的关系如图9所ZK。从图9可

以着出，在298 K下.，通过对lnRf.趣ln(e)进行线性回 11分析得到m值，其值为0.09598。根据以上的计算 结果，对本构方程中的C值进行修正，分别求解得到 不同应变速率下的C值，即应变速率为0.02,0.04, 0.06 mirT1时相对应的C值分别为628.54,598.51，574.68,取其平均值，得到^ = 600.58。

张臻等：应变速率对Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能的影响

_________________________________________________________07219

合金组织与力学性能的影响

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3结论

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(1) Al-Zn-Mg合金挤压材随着应变速率增力口，

极限抗拉强度和屈服强度呈现上升趋势，而伸长率呈

现下降趋势。

(2) 断口扫描分析表明，应变速率较低时，Zn-Mg合金挤压材以韧性断裂为主；随着应变速率的 增加，开始由韧性断裂向脆性断裂转变。Mg(3) 金相分析表明，随着应变速率增加，Al 合金 挤压材 沿拉伸 方向变 形明显 P 且出现 一些细

小析出相。

(4) 通过对Fields- Backofen盡程的修滅，得■出

Al-Zn-Mg合金挤压材_温拉伸本构方程，为进_一步研

究Al-Zn-Mg _合:金加'I性能及变形机理，进行有限元

模拟计算打下了基础。参考文献：

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响

Effect of strain rate on tensile properties of A卜Zn-Mg alloy

ZHANG Zhenlj 3 , DENG Yunlai1'3, GUO Hui1'5 3 s QIAN Pengwei1*3

TANG Hongyuan2，YE Lingying2

1.Light Alloy Research Institute^ Central South University^ Changsha 410083 9 China；

2.School of Materials Science and Engineering, Central South University 9Changsha 410083 9 China；

3.Nonferrous Metal (Jriented Advanced Structural Materials and Manufacturing Cooperative Innovation Centre, Central South University 9Changsha 410083 9 China

Abstract：The effects of strain rate on the tensile properties of Al-Zn-Mg alloy were analyzed. The results show that the ultimate tensile strength slightly rises? the yield strength dramatically increases9 and the elongation significantly decreases with the increase of strain rate. The fracture analysis shows that the dimple increases with strain rate decreasing 9 which was mainly ductile rupture. The fracture was mainly ductile and brittle rup­ture with the increase of strain rate. The metallographic analysis indicates the elongation of crystal grain de­creased and tiny precipitated phase appeared with strain rate increasing. Besides 9 the effect of strain rate is cal­culated based on the Fields-Backofen equation in Al-Zn-Mg alloy.

Key words: A卜Zn-Mg alloy; strain rate; tensile property; Fields-Backofen equation