AZ31B镁合金板材温热变形机制研究
通过单轴实验对AZ31B镁合金板材不同条件下宏观性能及微观组织演化展开研究,发现镁合金板材变形中厚向异性指数及微观组织的特殊演化规律;采用晶体塑性模型对AZ31B板材变形机制的演化进行分析,基于此研究了变形机制演化对材料性能的影响。
镁合金由于其优良的材料性能,被称为21世纪的绿色工程材料,在航空航天、汽车制造等领域均有广泛的应用前景;但是受限于变形机制演化规律不清晰及室温下较差的成形性能,镁合金的应用尚处于起步阶段。基于材料塑性变形机制的晶体塑性模型为材料变形研究提供了有力工具,并且可以从变形机制层面研究材料性能的演化,因而得到了广泛的重视。
本文以AZ31B镁合金板材为研究对象,开展了不同条件下的单轴实验,分析材料性能的演化;并采用晶体塑性模型分析了镁合金不同变形机制随变形条件的演化规律及其对材料性能的影响。
- 实验结果与分析
本文研究对象为厚度1.58mm和3.2mm的AZ31B镁合金轧制板材,首先通过300oC度保温15分钟进行退火处理,随后在100/150/200oC下分别采用1.58和3.2mm板材进行沿轧制方向(RD)的单向拉伸与单向压缩实验,其中控制应变率为0.001/s。
图1:单向拉伸与单向压缩应力应变及r值结果
图1所示为不同温度下单向拉伸及单向压缩结果。随着温度的升高AZ31B板材强度显著降低;沿RD单向拉伸加载时厚向异性指数(r值)随温度升高而降低,与应变的相关性降低;而在200oC沿RD压缩时,r值表现出显著不同的演化规律,随应变增大而减小。
图2所示为变形应变为0.4时微观组织的比较,可以发现在200oC时动态再结晶显著发生,与单向拉伸中等轴再结晶晶粒相比,单向压缩中出现弥散分布的板条状组织(micro bands)。采用EBSD对试样做进一步的取向分析,结果如图3所示。
图3:板条状组织分析
通过对板条状组织进行更一步的EBSD分析,发现板条状组织取向与周围晶粒非常接近,而晶粒在沿压缩方向具有更高的取向差演化速率,随着变形的进行,长轴近似垂直于压缩方向的板条状组织逐渐生成。
- 基于晶体塑性的变形机制分析
采用粘塑性自洽晶体塑性模型(VPSC)对不同条件下AZ31B板材变形进行计算,通过拟合硬化曲线,分析不同变形机制的演化规律。AZ31B镁合金为密排六方晶体结构,存在多种变形机制,本文计算中考虑了基面<a>,柱面<a>,锥面<c+a>及拉伸孪晶等机制。
变形机制的演化规律随温度及加载模式而不同,如图4所示。单向拉伸中,基面<a>和柱面<a>为主导变形机制,开动率仅随温度升高发生略微演化;在单向压缩中,拉伸孪晶随温度升高而逐渐受抑制,柱面<a>开动逐渐显著。
图4:变形机制演化分析
变形机制的演化显著影响r值,为了分析200oC沿RD压缩中r值不同的演化规律,对r值与柱面<a>/基面<a>开动率随应变演化进行比较,如图5所示。两者随应变的演化具有相同的规律,因此柱面<a>与基面<a>开动率的演化导致了200oC沿RD压缩中r值随应变不同的演化趋势。
图5:变形机制演化与r值对应关系
图6:实验织构与模拟结果的比较
图6所示为晶体塑性模型预测的织构结果与实验结果的对比,可以看到模型准确的预测了温度及加载方式对织构演化的影响,尤其是在沿RD压缩中,温度升高导致的织构发生显著变化。
通过EBSD分析,在200oC沿RD压缩中由于晶粒取向差演化速率具有择优方向导致了板条状组织的形成,仅在压缩中观察到此类组织,说明其生成与加载模式相关。不同的变形机制的开动将导致晶粒发生不同的旋转。在200oC单向拉伸与单向压缩中,柱面<a>与基面<a>同为主导的变形机制,但是加载方式的不同导致了不同的旋转方向。如图7所示为晶体塑性模型计算得柱面<a>与基面<a>开动导致的晶粒旋转。AZ31B板材具有较强的初始基面织构,因而在沿RD压缩中,晶粒具有较大的旋转空间,由于晶界的阻碍作用,使得晶粒在沿压缩方法较高的取向差演化速率,进而导致了板条状组织的形成,此类组织仍属于再结晶组织的一种。
图7:变形机制导致的晶粒旋转
- 小结
- AZ31B板材变形机制与r值紧密相关,200oC时柱面<a>与基面<a>滑移开动率的演化导致了沿RD压缩中r值的不同演化;
- 变形机制导致的晶粒旋转随加载模式而不同,200oC沿RD方向晶粒较大的旋转空间,及晶界的阻碍作用,形成了特殊的板条状组织。
作者:李大永,博士,教授,上海交通大学机械与动力工程学院Email:dyli@sjtu.edu.cn
参考文献
[1] G.,Zhou et al,Experiment and Crystal Plasticity Analysis on Plastic Deformation of AZ31B Mg Alloy Sheet under Intermediate Temperatures How Deformation Mechanisms Evolve, International Journal of Plasticity, 2015, 79,19-47.
[2] E., Martin, et al, Evolution of microstructure and microtexture during the hot deformation of Mg-3% Al. ActaMaterialia,2010, 58, 4253-4266.