AZ61鎂合金的熱壓縮變形行為及組織演變

張 蓉，羅 裴（1.湖南工學院機械工程學院，衡陽 4100；.湖南科技經貿職業學院機電工程學院，衡陽 41001）

0 引 言

鎂合金具有比強度和比剛度高、導熱性和阻尼減振性能好、電磁屏蔽性能和機加工性能優異等特點，在航天航空、汽車、電器、通訊等領域具有廣闊的應用前景［1］。鎂合金屬于密排六方結構金屬，獨立的滑移系較少，塑性加工成形比較困難［2］。到目前為止，鎂合金制品主要通過壓鑄的方法生產，而鑄造產品的顯微組織和第二相粗大，且存在較多氣孔和縮孔等缺陷，難以滿足高性能結構材料的性能要求，這極大地限制了鎂合金的廣泛應用［3］。大量研究表明［4］，鎂合金在熱變形過程中極易發生動態再結晶使晶粒得以細化，同時熱變形過程中的金屬流動還可以使氣孔和縮孔等缺陷得以消除，從而大幅提高了合金的綜合力學性能。此外，通過改變變形工藝參數還可以控制合金的顯微組織，以獲得不同的力學性能，從而滿足不同服役條件下的性能要求。因此，鎂合金熱塑性變形的研究逐漸成為了國內外研究的重點。

熱模擬技術可為合理制定材料熱加工工藝提供有效依據，是材料熱加工研究的重要手段，該技術已在鎂合金熱塑性變形中得到了廣泛應用［5］。目前，國內 外 相 關 研 究 主 要 集 中 在 AZ31［6］、AZ91［7］和ZK60［8］等合金上，而有關AZ61鎂合金熱模擬研究的報道較少［9］。鑒于此，作者以AZ61鎂合金為研究對象，在250～450℃和0.001～10s－1應變速率范圍內對其進行高溫熱壓縮變形模擬試驗，研究了應變速率和變形溫度對流變應力和顯微組織的影響規律，確定了合金熱變形的塑性變形本構方程，期望能對合理制定AZ61鎂合金熱塑性加工工藝起到一定的指導作用。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用材料為AZ61鎂合金，其名義成分（質量分數）為 Mg-6.3%Al-1.1%Zn-0.2%Mn。在中頻感應爐中熔煉，鑄坯經400℃均勻化處理20h，合金平均晶粒尺寸約為150μm；將均勻化后的鑄坯加工成尺寸為φ10mm×15mm的試樣，并在試樣兩個端面分別加工出0.2mm深的凹槽，用于涂敷石墨和機油的混合物，以減小試樣與壓頭之間的摩擦；然后在Gleeble-1500型熱模擬試驗機上進行熱壓縮試驗，壓縮溫度為250～400℃，應變速率為0.001～10s－1，加熱速率為200℃·min－1，壓縮前試樣在變形溫度下保溫3min，壓縮變形量為50%，即真應變為0.69。變形完成后立即對試樣進行水淬，以保留高溫變形組織。

取垂直于壓縮方向的面在Olympus光學顯微鏡下進行組織觀察，腐蝕劑由50mL無水乙醇、20mL冰醋酸、20mL蒸餾水和5g苦味酸組成；采用面積法和截線法分別對再結晶程度和再結晶晶粒尺寸進行測量。

2 試驗結果與討論

2.1 流變曲線

從圖1中可以看出，合金在不同變形條件下的真應力－真應變曲線都表現出了明顯的動態再結晶特征。在變形初期，加工硬化占主導，其硬化作用遠超過動態回復或動態再結晶引起的軟化作用，應力迅速上升；隨著變形量增加，合金中的位錯密度升高，動態回復和動態再結晶加快，軟化作用增強，加工硬化作用逐漸被軟化作用抵消，從而導致應力上升的速度明顯減慢；當加工硬化和動態再結晶軟化達到平衡時，流變應力達到峰值；當應變超過一定值后，動態再結晶程度進一步增大，流變應力持續下降，最后達到一穩定值。

從圖1（a）可以看出，在同一變形溫度下，應變速率越大，合金的峰值應力越高，峰值應力對應的應變量越大。隨著應變速率的增大，合金完成變形的時間縮短，位錯滑移和攀移的有效時間縮短，這在一定程度上抑制了動態再結晶的軟化作用，從而使峰值應力增大，并且使得動態再結晶軟化和應變硬化達到平衡的應變量增大［9］。從圖1（b）可以看出，在同一應變速率下，變形溫度越高，峰值應力越低，峰值應力所對應的應變量越小。隨著變形溫度升高，一方面，滑移系啟動的臨界切應力下降，導致鎂合金的變形抗力降低；另一方面，位錯的交滑移、攀移以及亞晶的形成、合并更容易進行，促進了動態再結晶的發生，從而使動態再結晶軟化和應變硬化達到平衡的應變量減小［10］。

圖1 AZ61鎂合金在不同變形條件下的真應力－真應變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of AZ61magnesium alloy compressed under different conditions：（a）at 350 ℃and different strain rates and（b）at strain rate of 10s－1 and different temperatures

2.2 本構方程

金屬材料在熱變形過程中，流變應力σ主要取決于變形溫度T和應變速率˙ε。不同合金材料的熱加工研究表明，在較低的應力水平下，材料的流變應力和應變速率之間的關系可用指數關系描述［11］：

式中：n1和A1為材料常數。

在較高的應力水平下，材料的流變應力和應變速率之間的關系可用冪指數關系描述：

式中：β和A2為材料常數。

Sellars和Tegart在綜合指數關系和冪指數關系方程局限性的基礎上，提出了用包含變形激活能Q和變形溫度T的雙曲線正弦形式修正的Arrhenius關系曲線來描述流變應力與應變速率之間的關系［12］：

式中：n，α和A 為材料常數，并且α＝β/n1；R 為氣體常數；Z為Zener-Hollomon參數。

在低應力水平下式（3）接近式（1），在高應力水平下式（3）接近式（2），因此式（3）可適用于整個應力范圍。對式（1）～ （3）進行變形，分別可以得到以下關系式：

金屬的流變應力通常由單向壓縮或拉伸時的屈服應力、峰值應力或穩態應力來衡量，易發生動態再結晶的材料通常選用峰值應力。由于鎂合金層錯能低，易發生動態再結晶，因此，選用峰值應力來衡量流變應力。圖2所示為AZ61合金熱壓縮變形時峰值應力與應變速率的冪指數和指數關系，其斜率分別為β和n1。由圖2可得β＝0.091，n1＝8.823，經優化處理后α取值為0.01。

對式（3）求偏微分可得熱變形激活能Q為：

式（7）中的第一個偏微分為圖3（b）中1 000/T-lnsinh（ασ）的斜率，第二個偏微分為圖 3（a）中lnsinh（ασ）-ln˙ε的斜率。通過擬合可以計算出合金的熱變形激活能Q為147.262kJ·mol－1，其大于鎂合金的自擴散激活能Qsd（135kJ·mol－1）。由此可見，熱激活控制的動態再結晶是AZ61合金熱壓縮變形軟化的主要機制［13］。

圖2 AZ61合金峰值應力與應變速率的關系Fig.2 Relationship between peak stress and strain rate：（a）power law and（b）exponential law

圖3 本構方程的標準分析圖Fig.3 The standard analysis of the constitutive equation

將材料參數α和Q分別代入式（6），得到Z參數與峰值應力之間的關系式，曲線如圖4所示。對關系曲線進行線性回歸，可以發現峰值應力雙曲正弦項的自然對數與Z參數的自然對數滿足良好的線性關系，其相關系數為0.987，由此進一步說明了合金壓縮變形的流變應力與應變速率及變形溫度之間的關系可用Arrhenius關系曲線來描述。通過擬合得到A＝1.367×109，n＝5.096，將α，Q，A 和n代入式（3）得到AZ61鎂合金高溫塑性變形的本構方程為：

圖4 lnZ與ln［sinh（ασ）］之間的關系曲線Fig.4 lnZvs ln［sinh（ασ）］

2.3 顯微組織

應變速率為0.001s－1時，初始晶界上形成了項鏈狀細小的再結晶組織，同時在初始晶粒內有少量孿晶，如圖5（a）所示；隨著應變速率的增加，初始晶界附近項鏈狀再結晶組織的晶粒尺寸有所長大，初始晶粒內的孿晶密度升高，如圖5（b），（c）所示；當應變速率增加到10s－1時，初始晶粒內的孿晶密度明顯升高，再結晶同時在初始晶界和孿晶上啟動，合金再結晶程度大幅提高。由于鎂合金為密排六方結構金屬，缺少足夠的獨立滑移系，孿生在塑性變形過程中發揮著重要作用，特別是在高應變速率的變形條件下，位錯滑移等速度控制機制將受到抑制，孿生協調變形作用顯著增強［14］。因此，隨著應變速率的增加，孿晶的密度明顯增大。孿晶界與晶界一樣可以阻礙位錯運動，為再結晶提供儲能，促進再結晶在孿晶上形核［15］。因此，鎂合金在高應變速率下壓縮變形時可以獲得比低應變速率下更高的再結晶程度。

圖5 AZ61鎂合金在250℃和不同應變速率下壓縮變形后的顯微組織Fig.5 Microstructure of AZ61magnesium alloy compressed at 250 ℃ and different strain rates

從圖6中可以看出，隨著變形溫度的升高，初始晶粒內的孿晶密度下降；當變形溫度升高到350℃時，合金組織中基本沒有觀察到孿晶。這是由于隨著變形溫度的升高，非基面滑移開始啟動，參與滑移的滑移系數量增多，降低了孿生在塑性變形中的作用。此外，從圖中還可以看出，隨著變形溫度的升高，再結晶程度和再結晶晶粒尺寸明顯增大。變形溫度為250℃時，合金再結晶程度為20%，再結晶晶粒尺寸為4μm；變形溫度升高到400℃時，合金基本完全再結晶，再結晶晶粒尺寸為12μm。這是由于隨著溫度升高，位錯的交滑移、攀移以及亞晶的形成、合并更容易進行，促進了動態再結晶的發生，從而使合金的再結晶程度增大；同時由于晶界擴散和遷移的能力隨溫度的升高而增強，晶粒容易長大，從而導致再結晶晶粒尺寸增大［16］。

圖6 AZ61鎂合金在應變速率為10s－1和不同變形溫度下壓縮后的顯微組織Fig.6 Microstructure of AZ61magnesium alloy compressed at strain rate of 10s－1 and different temperatures

3 結 論

（1）AZ61鎂合金的熱壓縮變形行為可用Arrhenius關系曲線來表示，其高溫塑性變形本構方程為：Z ＝1.367×109［sinh（0.01σ）］5.096。

（2）在同一變形溫度下，合金的再結晶程度隨應變速率的增加而增大；在0.001～1s－1的低應變速率下變形時，再結晶主要發生在初始晶界上；在高應變速率10s－1下變形時，再結晶在初始晶界和孿晶上啟動，獲得了比低應變速率變形條件下更為均勻的再結晶組織。

（3）在同一應變速率下，再結晶程度和再結晶晶粒尺寸隨變形溫度的升高而增大；應變速率為10s－1時，合金在250℃壓縮變形時的再結晶程度和平均晶粒尺寸分別為20%和4μm，變形溫度升高到400℃時，合金的再結晶程度和平均晶粒尺寸分別增加至100%和12μm。

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