擠壓態(tài)AZ81鎂合金的熱壓縮變形行為

曹鳳紅，龍思遠，G. S. COLE

(1. 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400030；2. 成都理工大學 工程技術學院，樂山 614007；3. 美國汽車通用公司, 美國，48090)

擠壓態(tài)AZ81鎂合金的熱壓縮變形行為

曹鳳紅1,2，龍思遠1，G. S. COLE3

(1. 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400030；2. 成都理工大學 工程技術學院，樂山 614007；3. 美國汽車通用公司, 美國，48090)

在溫度為320～440 ℃、應變率為0.001～1 s?1的變形條件下，采用Gleeble?1500熱模擬機對擠壓態(tài)AZ81鎂合金的熱壓縮變形行為進行研究。結果表明：擠壓態(tài) AZ81鎂合金的流變應力隨變形溫度的升高而降低，隨應變率的升高而升高，且隨應變的增加，流動應力很快達到峰值，然后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。為評價擠壓態(tài)AZ81鎂合金在熱模壓成形過程中流動應力，結合Arrhenius方程并引入Zener-Hollomon參數，對流動應力做出相應的修正，根據修正后的流動應力構建擠壓態(tài)AZ81鎂合金流變應力高溫變形本構模型。模擬結果表明：該模型的應力預測值與試驗值吻合較好，計算精度較高，為后續(xù)的模壓近/凈終成形工藝參數的制定提供一定的理論參考。

擠壓態(tài)AZ81鎂合金；熱壓縮模擬；流變應力；本構模型

鎂的密度小，是最輕的金屬結構材料，與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金在汽車、航空航天以及電子通訊等許多領域有更廣闊的應用更前景[1]。目前，工業(yè)發(fā)達國家已大力著手高性能變形鎂合金加工型材的研究與開發(fā)[2]。但鎂合金具有密排六方結構，滑移系較少，低溫塑性較差，加工難度大，且隨著溫度的升高，滑移系增多，塑性大大提高[4?5]，龍思遠和曹韓學[6]指出鑄鍛復合成形方法獲得產品其力學性能得到了一定程度的改善，但因變形程度有限，不能滿足高強韌鎂合金承力結構件對用大變形加工提升材料機械性能的要求。為提高鎂合金的塑性變形性能，提出了鑄?擠?鍛復合成形方法[7]，通過擠壓預成形塑性變形機制，使鎂合金具有更大的塑性變形能力，通過模壓一次成形工藝，使鎂合金的綜合力學性能得到明顯改善。研究認為[8]，擠壓預成形坯Mg-Al-Zn系合金及其模壓坯料Al含量為8.0%時可獲得令人滿意的強度和塑性指標，因此擠壓態(tài)AZ81鎂合金具有制備高性能結構件的潛力。目前，對板材AZ81鎂合金的變形性能，尤其高溫變形性能的研究未見報道。在模壓成形工藝的研究中，流變應力常作為已知的基本參數，是合理進行數值模擬、制定成形工藝及選擇變形設備的理論依據。

鑒于此，本文作者在溫度320～440 ℃及應變速率為 0.001～1 s?1的變形條件下，采用 Gleeble?1500D熱模擬試驗機對 AZ81鎂合金進行單向壓縮試驗。利用Arrheniius方程并引入Zener-Hollomon參數建立 AZ81鎂合金的流動應力模型，同時進行修正，為模壓成形工藝的制定提供一定的理論實驗參考。

1 實驗

試驗用合金成分為，其合金成分為Mg-Al(8.15%)-Zn(0.82%)-Mn(0.27%)(質量分數)，其中 w(Fe)≤0.005，w(Si)≤0.019，w(Ni)≤0.000 7，w(Cu)≤0.001 6，所用原料均采用I級單質態(tài)，在坩堝電阻爐中熔煉合金，同時采用氣體及少量熔劑進行保護，連鑄成d 112(±0.2)mm×250 mm半連續(xù)鑄錠，連鑄過程中采用SO2(1%，體積分數)和CO2(99%，體積分數)混合氣體進行保護，澆注后空冷至室溫，然后在XJ?800臥室擠壓機上進行擠壓，擠壓比16，擠壓溫度為400 ℃，擠壓速度為13 mm/s，得到所需擠壓型材，沿垂直型材擠壓方向切割制備成12 mm×6 mm×8 mm壓縮試樣，如圖1所示。

圖1 壓縮試樣取樣示意圖Fig.1 Sampling diagram of compression specimen

高溫壓縮試驗在Gleeble?1500材料熱模擬試驗機上進行恒應變速率等溫熱壓縮實驗，壓縮時在試樣兩端與壓頭接觸的ICI墊上鈕片，保證試樣在加熱和壓縮過程中溫度均勻減少摩擦。試驗溫度為320、360、400和440 ℃，熱壓縮實驗開始前，試樣以10 ℃/s的加熱速度升溫至預定溫度，并保溫 3 min；應變速率為0.001、0.01、0.1和1 s?1；變形程度均為60%，壓縮變形后的試樣立即進行水淬處理，以保留形變后的組織；由Geeble?1500計算機系統(tǒng)自動采集應力、應變、壓力、溫度、位移及時間等數據，繪制真應力—真應變曲線。

2 結果與分析

擠壓態(tài)AZ81鎂合金熱壓縮變形的真應力—真應變實驗曲線如圖2所示，其曲線屬于典型的單峰動態(tài)再結晶，同時也說明AZ81鎂合金在熱變形過程中易于發(fā)生動態(tài)再結晶。

熱壓縮變形過程是加工硬化與動態(tài)再結晶軟化相互競爭的一個動態(tài)平衡過程。擠壓態(tài)AZ81鎂合金在熱壓縮時流變應力的變化規(guī)律是(見圖2)：微應變階段曲線斜率較大，應力上升快，主要是由于加工硬化占主導作用，合金中發(fā)生了部分動態(tài)回復或動態(tài)再結晶，流變應力隨真應變的增加迅速上升；且隨著變形量的增加，由于位錯密度不斷提高，使得動態(tài)回復和動態(tài)再結晶加快，軟化作用增強，加工硬化逐漸被抵消，表現為曲線斜率逐漸減小，應力上升減緩，當流變應力達到峰值時，加工硬化和動態(tài)再結晶軟化達到平衡；出現峰值后，隨著變形的繼續(xù)進行，動態(tài)再結晶繼續(xù)發(fā)展，軟化作用繼續(xù)增強，使得流變應力逐漸下降，當達到一定的真應變量后，其流變應力基本不變。同時還可以看出，峰值應力與所對應的穩(wěn)態(tài)流動應力之間的差值隨溫度的升高而減小，在440 ℃時，峰值流變應力與穩(wěn)態(tài)流動應力基本變化不明顯；當應變率一定時，其峰值流變應力隨變形溫度的升高而逐漸下降，此時非基面滑移的臨界切應力下降，導致合金變形抗力降低，動態(tài)回復和動態(tài)再結晶更易發(fā)生，因此，峰值應力和峰值應變均減小[9?12]。

當變形溫度一定時，峰值應力隨應變率的增加，加工硬化作用也增大，其硬化速率超過了動態(tài)再結晶的軟化速率，再結晶軟化與加工硬化兩者作用效果相互平衡時的峰值應力和峰值應變均增大；隨應變速率的增大和溫度的降低，進入穩(wěn)態(tài)變形時對應的真應變值增大。

圖2 不同變形條件下擠壓態(tài)AZ81鎂合金的流動應力—應變曲線Fig.2 Flow stress—strain curves of AZ81 alloy under different deformation conditions: (a) 320 ℃; (b) 360 ℃; (c) 400 ℃; (d) 440 ℃

3 本構模型的建立

由于材料在塑性加工過程中的動態(tài)響應是材料內部組織演化過程引起的硬化和軟化過程中綜合作用的結果，故本構關系是高度非線性的，不存在普遍使用的構造方法。

熱加工變形是一個熱激活過程，對外加應力、應變速率和溫度極其敏感，是受熱激活的控制。通過對不同熱加工數據的研究得出在任何應變或穩(wěn)態(tài)下的高溫流變應力σ強烈地取決于變形溫度T和應變速率ε˙，SELLARS 和 MCTEGRAT[13]和 WHITTENBERGER[14]提出一種包含變形激活能Q和溫度T的雙曲線正弦形式修正Arrhenius關系來描述這種熱激活行為，通常可用下列3種形式進行描述[15]：1) 在低應力水平下，流變應力峰值σp和Z之間的關系可用指數關系描述，見式(1)；2) 而在高應力水平下可用冪指數關系描述，見式(2)；3) 在整個應力水平下可用雙曲函數關系描述，見式(3)。

式中：A1、A2、A、n1、α和β均為常數，1/nβα=；Q為變形激活能，J/mol，又稱動態(tài)軟化激活能，反映材料變形材料的難易程度，也是材料在熱變形過程中重要的力學性能參數；R為摩爾氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T 為絕對溫度。

目前所報道的關于鎂合金應力方程的描述有多種。TAKUDA等[16]采用指數關系對AZ31和AZ91鎂合金熱變形鎂合金流變應力進行描述，GALIYE等[17?18]采用冪指數關系對ZK60鎂合金熱變形鎂合金流變應力進行描述，BARNETT[19]采用雙曲函數關系對AZ31鎂合金熱變形鎂合金流變應力進行描述，結合本實驗情況將式(1)～(3)分別兩邊取自然對數，

對式(4)～(6)兩邊分別求偏導，得

其中：

圖3所示為擠壓態(tài)AZ81鎂合金不同變形條件下的峰值應力、應變率和溫度的關系。由曲線 l n ε ˙—lnσp和 ln ε˙—σp看出，峰值應力與應變率基本呈線性關系，并由分析可知，n1=6.303 1，β=0.027 1，經優(yōu)化處理α值為0.004 3。

通過對lnσp—T?1和 ln [sinh(ασp)]—T?1及圖4 ln ε ˙ 與 ln [sinh(ασp)]的曲線分析可知，n=4.486 5，b=4.883 8。且從圖4可以看出，不同變形條件下的峰值應力與應變率及溫度均為較為近似的平行直線，相關系數均在0.984 3以上，說明擠壓態(tài)AZ81鎂合金在熱壓縮實驗條件下的變形激活能幾乎保持不變，其變形激活能為Q=182.17 kJ/mol，A=8.905 7×1012。

將上述分析得到的參數帶入式(3)，則擠壓態(tài)

圖3 不同條件下AZ81鎂合金峰值應力與應變速率和溫度的關系：Fig.3 Relationship between peak stress, strain-rate and temperature under different conditions: (a) l n ε ˙ — ln σp; (b) l nε˙ —σp; (c)lnσp —T ?1; (d) l n[sinh(ασp)]—T?1

圖4 l n ε ˙ 與 ln [sinh(ασ) ]關系Fig.4 Relationship between l n ε ˙ and l n[sinh(ασ)]

圖6 計算值與實測值之間的比較Fig.6 Comparison between predicted value and measured value

AZ81合金高溫壓縮下的流變應力行為的本構方程為

在式(2)中通過引入參數Z，并采用最小系數二乘法進行線性擬合得到擠壓態(tài)AZ81鎂合金流動應力模型，

圖5所示為擠壓態(tài)AZ81鎂合金壓縮變形參數Z與峰值應力σp的關系。由圖5的擬合結果分析看出，參數lnZ與峰值應力σp之間線性關系很明顯，其線性相關系數為0.976 8，實測值與預測值之間的數據吻合的較好(見圖6)，其線性相關系數均大于0.987 6，因此本回歸模型的相關性高度顯著。

圖 5 擠壓態(tài)AZ81鎂合金壓縮變形 Z參數與峰值應力σp的關系Fig.5 Relationship between compression deformation parameter Z and flow stress σp of as-extruded AZ81 alloy

4 結論

1) 擠壓態(tài)AZ81鎂合金高溫壓縮變形時流變應力取決于變形溫度與變形速率，當應變率一定時，流變應力隨變形溫度的升高而降低，當變形溫度一定時，隨應變率的升高而升高。且在變形初期，由于加工硬化占主導，流變應力迅速達到峰值；此外在高溫和低應變率下，流變應力相對比較穩(wěn)定，沒有明顯的峰值；低溫和高溫應變速率下，流變應力持續(xù)增加到峰值后呈現流變軟化趨勢。

2) 擠壓態(tài)AZ81鎂合金高溫塑性變形存在熱激活過程。在實驗條件下，AZ81鎂合金熱壓縮變形時的應力指數為4.486 5，其變形激活能為182.17 kJ/mol，其 高 溫 壓 縮 流 變 應 力 模 型 為 ε˙= 8 .905 7×1012[sinh(0.0043σ)]4.4865exp[?182170/(RT)]。

3) 在應變速率為 0.001～1 s?1和變形溫度為320～440 ℃條件下，擠壓態(tài)AZ81鎂合金熱壓縮變形的流變應力模型，可以用Zener-Hollomon參數的雙曲函數形式進行描述，該模型為鎂合金進一步的模壓塑性成形工藝參數的制定提供較為科學的實驗理論依據。

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Hot compression deformation behaviors of as-extruded AZ81 magnesium alloy at elevated temperature

CAO Feng-hong1,2, LONG Si-yuan1, G. S. COLE3
(1. College of Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China;2. College of Engineering and Technical, Chengdu University of Technology, Leshan 614007, China;3. General Motors Corporation, USA, 48090)

The hot compression tests of AZ81 magnesium alloy were performed on Gleeble?1500 at deformation temperature of 320?440 ℃ and strain rate of 0.01?10 s?1. The results show that the relationship between stress and strain is affected obviously by the strain rate and deformation temperature. The flow stress becomes higher with increasing strain rate at constant temperature and lower with increasing deformation temperature at constant strain rate. In order to evaluate the hot-pressing process, a flow stress model was constituted based on Arrhenius equation and temperature-compensated strain rate factor, the Zener-Hollomon parameter, and modified further by considering the effect of strain on stress. The results show that the modified model agrees well with the experimental stress value under the experimental condition what offer a experimental theoretical basis for close-pressing net-shape.

as-extruded AZ81 alloy; hot compression simulation; flow stress; constitutive model

TG146.2; TG316.1

A

1004-0609(2011)06-1214-06

重慶市科技攻關項目(CSTC2007AA4008)

2010-06-28；

2010-09-28

曹鳳紅，講師，博士；電話：15348137697；E-mail: caofh2004@yahoo.com.cn

(編輯 李艷紅)