AZ31B镁合金板材超塑性变形与断裂机理研究

AZ31B镁合金板材超塑性变形与断裂机理研究

宋美娟,1,2,王智祥2,汪凌云1,刘筱薇2

(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044;2.重庆科技学院,重庆400050)

摘要:研究了工业态热轧AZ31B镁合金板材的超塑性及其变形机制,在应变温度为723K,应变速率为1×1023s21的试验条件下,其最大断裂伸长率达到216%,应变速率敏感性指数达0136。研究结果表明:晶界滑动(GBS)是工业态热轧AZ31B镁合金超塑性的主要变形机制,变形初期有动态再结晶发生,断裂是由晶界处形成的空洞不断长大、连接而引起的。

关键词:AZ31B镁合金;超塑性;晶界滑动;空洞

中图分类号:TG146.22;TG135.3　　文献标识码:A　　文章编号:1007-7235(2005)08-0040-04

SuperplasticityandFractureMechanismofAZ31BMagnesiumAlloySheet

SONGMei2juan,WANGZhi2xiang,WANGLing2yun,LIUXiao2wei(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;

2.ChongqingInstituteofScienceandTechnology,Chongqing400050,China)

Abstract:ThispaperinvestigatethesuperplasticityandfracturemechanisminacommercialhotrollingAZ31Bmagnesiumalloysheet,themaximumelongation2to2failurereaches216%attemperatures723Kandstrainrates1×10s21,ahighstrainratesensitivi2tyexponentreaches0.36.Investigationsuggestthatgrainboundarysliding(GSB)issubstantialdeformationmechanism,andthereisthedynamicre2crystallizationatearlystage,cavitygrowthandlinkingtomaketensilespecimenfractured.Keywords:AZ31Bmagnesiumalloy;superplasticity;grainboundingsliding;cavity

　　近年来,镁合金以其密度小,比强度、比刚度高,阻尼性、导热性好,电磁屏蔽性强,铸造成本低,易回收,无污染等优点,成为航空、航天、汽车、通讯电子等领域特别是汽车工业构件的优选材料[1,2]。但是,镁具有的密排六方晶格结构使得镁合金室温塑性差,因此大部分镁制品都是压铸成型。这就限制了镁合金的应用范围。如果镁合金的塑性加工技术得到改善,其在工业构件领域将有更广泛的应用。超塑性变形被认为是解决难变形材料成形问题的有效手段[3～10],在超塑性变形时主要的变形机制是晶界滑移,该机制使空洞化严重。原有的塑性理论用于超塑性变形存在很大缺陷,故对镁合金的超塑性及成形过程失稳研究必须考虑含空洞损伤演化效应的变形机理[11]。

本文研究了工业态轧制AZ31B镁合金板材的超塑性变形行为和断裂机理,结果表明真应变速率范围在1×1024s21～1×1023s21,温度范围为673K～763K时,工业态轧制AZ31B镁合金板材具有良好的超塑性,断裂是由晶界处形成的空洞不断长大、继而连接引起的。

1　试验材料与方法

1.1　材料和试样

试验用材料为工业热轧AZ31B镁合金板材,其化学成分:w(Al)=2192%,w(Zn)=1101%,w(Mn)=0134%,余量Mg。从热轧AZ31B镁合金薄板上沿着平行于轧制方向切取超塑性拉伸试样,其标距尺寸为315mm×6mm×15mm。用金相显微镜观察材料的显

　　收稿日期:2005-04-03

　　基金项目:重庆市科委自然科学基金资助项目(8413)　　第一作者简介:宋美娟(1963-),女,湖北武汉人,博士研究生,副教授。

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微组织,并用截线法测量晶粒尺寸。由图1可见,其超塑性拉伸试样的原始组织平均晶粒尺寸约为1715μm,且组织不均匀,不是典型等轴细晶组织。

直至试样断裂。　　为了考察热轧AZ31B镁合金板材的塑性流变特征,最大流变应力与应变速率的关系见图4。由图4可见,随着应变速率的增加或应变温度的降低,最大流变应力增加。图5为热轧AZ31B镁合金板材高温拉伸试样伸长率与应变速率的关系图。

图1　AZ31B镁合金试样原始组织

1.2　　试验设备和方法

超塑性拉伸试验在HT29102电脑伺服控制材料试

验机上进行,加热装置为三段温控电阻炉,温控误差为±1K,试验在空气中进行,且AZ31B镁合金板材拉伸试样表面不必加高温防护涂层。试验的温度范围为673K～763K,应变速率范围为1×1024s21～1×1023s21。试验测定工业轧制AZ31B镁合金超塑性变形应变速率敏感性指数m值,流动应力和伸长率等数据,并寻求AZ31B镁合金板材最佳超塑性变形温度和应变速率,以获得其超塑性最佳变形条件;采用扫描电镜对拉伸后试样的断口及超塑性变形各阶段轴剖面的空洞进行观察和分析。

图3　AZ31B镁合金在723K,1×1023s21条件下的真应力2真应变曲线

图4　AZ31B镁合金板材最大流变应力与应变速率的关系

2　试验结果与分析

2.1　AZ31B镁合金板材超塑性能

图2为热轧AZ31B镁合金板材拉伸试样超塑性

图5　AZ31B镁合金板材伸长率与应变速率的关系

图2　AZ31B镁合金超塑变形前后的宏观形貌

2.2　AZ31B镁合金板材超塑性变形及断裂机制

变形前后的宏观形貌。在应变速率为1×1023s21,变形

温度为723K时获得最大伸长率A为216%,应变速率敏感指数可达0136左右。图3为相同热力学变形条件下的真应力2真应变曲线。由图3可以看出,真应力2真应变曲线开始呈应变硬化效应,当真应变达到013左右时,真应力2真应变曲线转入相对稳定的流变阶段

观察热轧AZ31B镁合金板材超塑性变形过程中的组织变化。首先试样在开始拉伸之前需加热到一定高温,且保温一段时间,故开始拉伸时晶粒已经有所长大。图6a所示是在应变速率为1×1023s21、温度为723K的变形条件下,拉伸初始ε=0.18时的组织。与图1所示的原始组织相比,其晶粒尺寸已经长大,

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平均晶粒尺寸为2915μm。图6b是AZ31B镁合金在应变速率为1×1023s21、温度为723K的变形条件下,ε=0.29时试样的组织,与图6a所示的组织相比,其晶粒尺寸明显减小,且在原有晶界处形成许多新的细小晶粒,平均晶粒尺寸为22.5μm,说明在变形的初期有动态再结晶发生,此时,真应力2真应变曲线呈现应变硬化效应,随后转入相对稳定的流变阶段。由于超塑性材料对应变速率敏感,使准稳定变形阶段较长,这是获得超塑性材料大伸长率的原因。随着变形程度的不断增加,空洞开始形核并逐渐长大。由图6c可见空洞都是位于晶界处,尤其是在三叉交界或第二相粒子处,在晶界滑动时所产生的局部应力集中,虽然可借助扩散和位错运动来协调,但如果

晶界滑动速度超过了协调速度,则导致空洞形核。图6d所示为AZ31B镁合金板材拉伸试样在1×1023s21,723K变形条件下,ε=0.96的组织及空洞长大及聚合情况;图6e所示为上述变形条件下拉伸至断裂时试样的组织及空洞分布。此时其平均晶粒尺寸约为55μm,晶粒为大小均匀的等轴晶,表明超塑性变形的最后阶段伴随晶粒的明显长大,晶粒保持等轴晶。这正是超塑性变形晶界滑动(GBS)机制的主要特征,同时空洞的生长与连接已非常明显。图7所示为上述变形条件下拉伸试样的SEM断口形貌。由图7可见试样的断口特征为沿晶和晶内韧窝的混合型断裂,由此进一步证明晶界滑动(GBS)机制在AZ31B镁合金板材超塑性变形过程中起主导作用。

图6　AZ31B镁合金在723K,1×1023s21条件下变形到ε=0.18、0.29、0.59、0.96、断裂时的组织

变达到0185时,由图8b可见空洞长大已很明显;真应变增大到0196时,图8c显示出扩展的空洞出现连

接,空洞的连接或聚合不仅沿拉伸方向存在,也出现在垂直于拉伸方向;当真应变达到1112时,由图8d可见沿垂直于拉伸方向的空洞连接大于沿拉伸方向的连接,空洞的大小已接近此时的晶粒尺寸,这时拉伸试样已接近断裂状态;由图8c和图8d还可以看出空洞出现连接或聚合的同时,存在新空洞的形核和扩展。

综上所述,对本文所研究的工业态热轧AZ31B镁合金板材在超塑性变形过程中,组织上的变化不大,虽然伴随晶粒长大,但晶粒仍然基本保持等轴,主要变形机制为晶界滑动(GBS),断裂是由晶界处形成的空洞不断长大、连接而引起的。

图7　723K和1×1023s21变形条件下试样的SEM断口形貌

　　图8为AZ31B镁合金板材拉伸试样在1×1023

s21,723K变形条件下,经过一定量的应变后,试样轴剖面的SEM图像。由图8a可见,在拉伸方向的真应变ε=0.59时,已经明显地可见空洞的形成;在真应

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3　结　论

(1)工业态热轧AZ31B镁合金板材在一定的热

力学条件下表现出良好的超塑性。当温度为723K

和应变速率为1×1023s21时,最大延伸率达到216%,应变速率敏感指数m=0136。

(2)晶界滑动(GBS)是工业态热轧AZ31B镁合金超塑性的主要变形机制,变形初期有动态再结晶发生,且在原有晶界处形成许多新的细小晶粒,随着变形程度的增加伴随晶粒长大。

(3)在晶界滑动时所产生的局部应力集中,虽然可借助扩散和位错运动来协调,但如果晶界滑动速度超过了协调速度,则导致空洞形核;空洞都是位于晶界处,尤其是在三叉交界或第二相粒子处,断裂是由晶界处形成的空洞不断长大、连接而引起的,空洞出现连接或聚合的同时,存在新空洞的形核和扩展。

图8　AZ31B镁合金在723K,1×1023s21条件下变形到ε=0.59、0.85、0.96、1.12时的轴剖面空洞的SEM像

(拉伸轴为水平方向)

参考文献:

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冰岛在建两座地热电站向铝厂供电

　　据日本三菱重工业公司(MitsubishiHeavyIndustriesLtd.)称,该公司正在为冰岛的两座地热电站制造发电设备,电站离当地的几个铝厂不远,每座电站的装机容量40MW。发电设备由三菱重工业公司与德国巴克杜尔公司(BalckeDurrGmbH)共同制造。冰岛有丰富的地热资源,电站位于赫里舍迪镇(Hellisheidi)。据称,冰岛地热电站的发电成本仅约1美分/kW・h。这两座电站可于2006年发电。

(王祝堂)