AZ31B鎂合金大應變循環變形行為研究

耿長建，師俊東，李曉欣，王志宏，滕佰秋

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

AZ31B鎂合金大應變循環變形行為研究

耿長建，師俊東，李曉欣，王志宏，滕佰秋

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

為了研究A Z31B鎂合金在大應變幅條件下的變形機制，開展了該合金在7.5%應變幅條件下的循環行為研究。結果表明：在拉伸階段的最大應力值隨著循環周次的增加而減小，而在壓縮過程中的最大應力值隨著循環周次的增加而增大，在整個循環過程中材料呈現循環應變硬化特性，拉應力是導致循環應變硬化的主要原因；隨著循環周次增加，滯回曲線的不對稱性基本不變。真應力-真應變滯回曲線在卸載和反向拉伸階段出現3個拐點。在壓縮過程中發生｛10-12｝孿生，反向拉伸過程發生去孿生行為，包申格效應對去孿生行為具有較大影響。研究表明：孿生-去孿生是大應變幅循環變形的主要變形機制；對拉伸、反向壓縮過程的變形特征及機制的分析，可為低周疲勞行為的研究提供參考。

A Z31B鎂合金；非對稱；應變硬化；滯回曲線；孿生-去孿生

0　引言

鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、鑄造性能良好、電磁屏蔽能力較強以及易于再生利用等一系列優點，被譽為“21世紀最具發展潛力和前途的材料”。其結構件在汽車、飛機、計算機、通訊等領域的應用日益廣泛［1-3］。AZ31B變形鎂合金因其延展率良好和強度較高，是目前應用最多的擠壓變形鎂合金。在不同加載方向下，AZ31B變形鎂合金呈現各向異性。許多對鎂合金在應變控制的低周疲勞的研究表明，加載方式和樣品的織構對其疲勞性能具有重要影響［4-10］。研究表明，在鎂合金低周疲勞過程中每周期都發生的孿生-去孿生行為對其疲勞起重要作用［11-14］。在以往研究中，大都加載對稱性應變幅進行疲勞試驗。在同一應變幅下，由對稱性應變幅和非對稱性應變幅控制的疲勞中產生的初始孿生種類、數量及產生機制大不相同。

為了更清楚地了解不同加載方式下的低周疲勞過程中塑性變形機制與疲勞行為之間的關系。本文研究了大應變幅條件下AZ31B鎂合金的疲勞行為，對鎂合金材料設計和應用具有重要意義。

1　試驗材料和方法

試驗采用的AZ31B鎂合金屬于Mg-Al-Zn系合金，是目前工業界使用較廣泛的1種變形鎂合金。合金中加入的Al元素可與Mg形成固溶體，提高了合金的力學性能；同時Al元素還可提高合金的耐腐蝕性，減小凝固時的收縮，改善合金的鍛造性能，增強鑄件強度。Zn是另1種有效的合金化元素，在鎂合金內以固溶體形式存在，對合金性能的影響與Al相似，但Zn的質量分數高于2%時會導致熱裂現象，因而應嚴格控制。加入Mn元素可提高鎂合金的韌性，還能改善其耐腐蝕性能。鐵、銅、鎳等雜質元素會降低合金的耐腐蝕性能，應嚴格控制其含量。綜上可知，該合金成本較低。AZ31B鎂合金的名義成分見表1。

表1　AZ31B鎂合金名義化學成分

將合金棒材加工成標距長度30 mm、標距直徑6 mm、總長度90 mm的軸向光滑疲勞試樣。EBSD樣品的電解拋光液為10%HClO4+90%乙醇，電壓為30～40V，電流為1～2 mA，電解拋光的溫度為243 K。使用液氮作為制冷劑。拋光后，在酒精中反復沖洗以洗掉樣品表面殘留拋光液，吹干即可。在應變控制的低周試驗中，三角波能保持應變速率在整個循環拉壓過程中的狀態保持不變；采用軸向加載方式在MTS試驗機上進行試驗。

2　試驗結果

原始擠壓AZ31B鎂合金退火后顯微組織如圖1所示。從圖中可見，樣品晶粒為等軸組織，尺寸不均勻，平均尺寸為15 μm左右。

圖1　擠壓AZ31B鎂合金顯微組織

樣品反極如圖2所示。從圖中可見，織構主要由強的＜10-10＞絲織構組分和較弱的＜11-20＞絲織構組分構成，｛0002｝晶面平行于擠壓方向（ED）。

應力幅（Δσ/2）隨循環周次變化曲線如圖3所示。從圖中可見，在循環變形的前5周期，應力幅值隨循環周次的增加迅速增大，即合金產生了明顯硬化。隨著變形的發展，應力幅值的增大變得緩慢，直至樣品斷裂。由于循環變形時應變幅為7.5%，（采用如此大的應變幅是因為在大應變幅下鎂合金的孿晶-去孿晶行為更加明顯）如此大的應變量在循環變形中累積大量的塑性變形，造成材料損傷，因此至斷裂時的循環周次較小，僅為68。

在循環變形過程中拉伸和壓縮時的最大應力隨循環周次的變化如圖4所示，表明了循環過程中應力幅的變化。從圖4（a）中可見，在拉伸過程中最大應力值隨著循環周期的增加而減小，特別是在初始階段，其減小速度較快。在壓縮過程中最大應力絕對值隨著循環周期的增加而增大，而在初始階段，增加速度較快（如圖4（b）所示）。由于在壓縮過程中應力增大速度大于拉伸過程中的應力減小速度，故圖3中應力幅隨循環周次增加而增大，從而出現循環硬化現象。由此可以推斷，循環應變硬化是因壓縮變形過程中的形變強化所致。

圖2　樣品反極

圖3　應力幅-循環周次曲線

圖4　最大應力-循環周次曲線

不同循環周期的真應力-真應變滯回曲線如圖5所示。從圖中可見，在循環過程中滯回曲線呈非對稱性。初始拉伸過程曲線與一般拉伸曲線基本一致，呈下凹狀，隨著循環變形的發展，其它循環周次拉伸過程曲線形狀基本與初始拉伸過程曲線一致。而在初始卸載和反向壓縮過程中，曲線開始出現3個拐點（圖中A、B、C所示）。隨著循環周次增加，滯回曲線非對稱性無明顯變化。

圖5　不同周期下真應力-真應變滯回曲線

3　分析討論

3.1循環變形組織

拉-拉大應變幅前2周期的金相組織如圖6所示。在初次拉伸過程中，變形組織中出現孿晶（圖6（a）），說明孿生機制在此變形過程中起重要作用。在卸載和反向壓縮過程中，出現大量孿晶（圖6（b）），而在隨后的第2次拉伸過程中，大量孿晶消失（圖6（c）），在第2次卸載和反向壓縮中，又有大量孿晶產生（圖6（d））。

圖6　不同循環周次的變形組織

3.2循環變形過程中的孿生-去孿生機制

從前2周期的真應力-真應變滯回曲線（圖5）中可見，在大應變幅下，在前2周期內循環變形滯回曲線已呈現不對稱性，說明拉伸與壓縮階段的塑性變形機制有所不同，拉伸與壓縮變形組織中孿晶數量的變化反映了這種差異。

初次拉伸、初次卸載壓縮、第2次拉伸和第2次卸載壓縮的變形組織的EBSD取向及其所對應的差取向分布如圖7所示。從圖7（a）中可見，在初次拉伸過程中產生的少量孿晶主要為｛10-12｝拉伸孿晶（藍線所示），其余為｛10-11｝壓縮孿晶（黃線所示）和｛10-12｝-｛10-11｝雙孿晶（紅線所示）；在接下來的初次卸載和壓縮過程中出現的大量孿晶幾乎全部為｛10-12｝拉伸孿晶（圖7（b）），且有些孿晶穿過晶界，貫穿幾個晶粒，說明在卸載和反向壓縮過程中具有很強的孿生傾向。在第2次拉伸過程中，｛10-12｝拉伸孿生的數量急劇減少（圖7（c）），說明在該拉伸過程中發生了去孿生行為，然后在第2次卸載和反向壓縮過程中又產生了大量拉伸孿生（圖7（d））。

圖7　不同周次變形組織的取向成像及其相應的取向差分布

在循環變形過程中，孿晶的變化導致晶體取向分布的變化。初次拉伸、初次卸載壓縮、第2次拉伸和第2次卸載壓縮的變形組織的極圖如圖8所示，其中Z0對應ED，X0、Y0對應徑向。從圖8（a）中可見，經過初次拉伸后，變形組織的晶體取向分布無大的變化，為｛0001｝//ED。經卸載與反向壓縮后，部分取向旋轉至c-軸平行于拉伸軸位置（圖8（b）），其原因是由于產生大量的｛10-12｝拉伸孿生（晶粒與基體間的＜11-20＞86°取向）所致。在第2次拉伸變形后，由于去孿晶的作用，取向回復到初始位置（圖8（c）），由于測試時樣品放置有些傾斜，因此與原始位置相比，取向有些偏斜）。在第2次壓縮變形后，由于又產生大量拉伸孿晶，取向變化與第1次的壓縮相似，孿晶晶粒的取向集中在c-軸與拉伸軸平行的位置（圖8（d））。由上述過程可知，在大應變幅的循環變形中，｛10-12｝孿生-去孿生機制起重要作用。

圖8　不同周次變形后極圖

3.3滯回曲線

一般來說，材料在非對稱應變循環變形條件下的應力變化與對稱應變循環變形條件下的應力變化有差異。材料在拉-拉循環變形條件下（Ra=0）的應力隨應變變化如圖9所示。從圖中可見，在小應變幅下的拉伸開始階段，首先發生彈性形變，然后是彈塑性變形至a點。卸載后，發生回彈，應力降為零，但殘留有小的塑性應變。此時，若將應變回復到零，需要有壓縮應力形成反向加載，所需壓縮應力的大小取決去殘留塑性應變的大小和反向壓縮過程中材料的屈服應力大小。由于在小應變幅下發生的塑性應變極小，所以從a到b的應力-應變曲線為線性，該過程為彈性應變。在接下來的循環變形過程中，應力-應變響應將沿著圖中所示的紅色直線在a、b之間往復進行。然而在大應變幅下的循環變形過程中，在拉伸初始階段發生彈性應變后，從a到c發生較大的彈塑性應變。卸載后，發生回彈，應力降為零，但殘留的塑性應變比較大，若將應變回復至零，需要較大的壓縮應力。但在該過程中有可能發生塑性屈服，屈服應力的大小取決于塑性變形的大小和是否發生包申格效應［15-17］。在理想情況下，從c到d發生彈性應變，在d點發生屈服，而從d到e為彈塑性應變。在接下來的卸載和反向拉伸過程中，應力-應變曲線從e到f為線性，為彈性過程，而從f到c為非線性，為彈塑性過程，由f到c，構成c-d-e-f-c滯回曲線。

圖9　小應變幅和大應變幅下第1周期滯回曲線

4　結論

（1）在拉-拉大應變幅循環變形過程中，在拉伸過程中的最大應力值隨著循環周次的增加而減小。

（2）拉-拉大應變幅下真應力-真應變滯回曲線在卸載和反向拉伸階段出現3個拐點。

（3）在大應變幅下，在前2周期內循環變形滯回曲線已經呈現不對稱性，說明拉伸與壓縮階段的塑性變形機制有所不同，在壓縮過程中產生孿生行為，在拉伸過程中產生去孿生行為。

［1］Bamett M R，Keshavar Z Z，Beer A G，et al.Influence of grain size on the compressive deformation of wrought Mg-3Al-1Zn［J］.Acta Materialia，2004，52（17）：5093-5103.

［2］Kim W J，Hong S I，Kim Y S.Texture development and it effect on mechanical properties of all AZ61 Mg alloy fabricated by equal channel angular pressing［J］.Acta Materialia，2003，51（11）：3293-3307.

［3］Agnew S R，Mehrotra P，Lillo T M，et al.Crystallographic texture evolution of three wrought magnesium alloys during equal channel angular extrusion［J］.Material Science and Engineering，2005，408（1-2）：72-78.

［4］Begum S，Chen D L，Xu S，et al.Effect of strain ratio and strain rate on lowcycle fatigue behavior of AZ31 wrought magnesium alloy［J］.MaterialsScience and Engineering A，2009，517（1-2）：334-343.

［5］LI Q Z，YU Q，ZHANG J X，et al.Effect of strain amplitude on tension-compression fatigue behavior of extruded Mg6Al1ZnA magnesium alloy［J］.Scripta Materialia，2010，62（10）：778-781.

［6］Patel H A，Chen D L，Bhole S D，et al.Cyclic deformation and twinning in a semi-solid processed AZ91D magnesium alloy［J］.Materials Science and Engineering A.2010，528（1）：208-219.

［7］ZHANG J X，YU Q，JIANG Y Y，et al.An experimental study of cyclic deformation of extruded AZ61A magnesium alloy［J］.International Journal of Plasticity，2011，27（5）：768-787.

［8］LYU F，YANG F，LI S X，et al.Effects of hysteresis energy and mean stress on low-cycle fatigue behaviors of an extruded magnesium alloy［J］.Scripta Materialia，2011，65（1）：53-56.

［9］LYU F，YANG F，Duan Q Q，et al.Fatigue properties of rolled magnesium alloy（AZ31）sheet：influence of specimen orientation［J］.International Journal of Fatigue，2011，33（5）：672-682.

［10］YU Q，ZHANG J X，JIANG Y Y，et al.Multi-axial fatigue of extruded AZ61A magnesium alloy［J］.International Journal of Fatigue，2011，33（3）：437-447.

［11］WU L，JAIN A，Brown D W，et al.Twinning-detwinning behavior during the strain-controlled low-cycle fatigue testing of a wrought magnesium alloy，ZK60A［J］.Acta Materialia，2008，56（4）：688-695.

［12］Proust G，Tomé C N，Jain A，et al.Modeling the effect of twinning and detwinning during strain-path changes of magnesium alloy AZ31［J］.International Journal of Plasticity，2009，25（5）：861-880.

［13］Park S H，Hong S G，Lee C S.Role of initial｛10-12｝twin in the fatigue behavior of rolled Mg-3Al-1Zn alloy［J］.Scripta Materialia，2010，62（1）：666-669.

［14］WU L，Agnew S R，REN Y，et al.The effects of texture and extension twinning on the low-cycle fatigue behavior of a rolled magnesium alloy，AZ31B［J］.Materials Science and Engineering A，2010，527（26）：7057-7067.

［15］White L W，Strader J T，Austin R J，et al.An elasticity measurement in the Mg-Cd alloy system［J］.Acta Metallurgica，1967，15（1）：45-47.

［16］Buciumeanu M，Palaghian L，Miranda A S，et al.Fatigue life predictions including the Bauschinger effect［J］.International Journal of Fatigue，2011，33（2）：145-152.

［17］Park S H，HONG S G，Lee B H，et al.Low-cycle fatigue characteristics of rolled Mg-3Al-1Zn alloy［J］.International Journal of Fatigue，2010，32（11）：1835-1842.

（編輯：趙明菁）

Cyclic Deformation Behavior of AZ31B Magnesium Alloy at Large Amplitude

GENG Chang-jian，SHI Jun-dong，LI Xiao-xin，WANG Zhi-hong，TENG Bai-qiu
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

In order to research the deformation mechanism of material under large amplitude conditions，the cyclic deformation behavior of an extruded AZ31B magnesium alloy with the fiber texture components was investigated under tensile-tensile asymmetric strain loading at 7.5%amplitude.It was found that the maximum tensile stress decreased with the increase of cyclic number，while the maximum compressive stress increased，the alloy presented cyclic strain-hardening characteristics in the whole cycle.The cyclic hardening was resulted from tensile deformation；the asymmetry of the hysteresis loop basically unchanged during the whole cyclic.Three turning points appeared during unloading and reversal tension process on the true stress-true strain curves.｛10-12｝tension twinning was activated in compressive process and its detwinning happened in reversal tension process，Bauschinger effect has a greater impact on the detwinning.It was found from deformed microstructures that twinning-detwinning is dominant plastic deformation at the high amplitude.Through the analysis of the deformation characteristics and mechanism of stress and reversal tension process，it can provide reference for the research of low cycle fatigue behaviors.

AZ31B magnesium alloy；asymmetric；cyclic hardening；hysteresis loop；twinning-detwinning

V 216.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.016

2015-03-30基金項目：國家自然科學基金（51171120，90202001）資助

耿長建（1980），男，博士，從事金屬材料性能及其微觀變形機制研究工作；E-mail：gengchangjian2008@163.com。

引用格式：耿長建，師俊東，李曉欣，等.AZ31B鎂合金大應變循環變形行為研究［J］.航空發動機，2016，42（1）：79-83.GENG Changjian，SHI Jundong，LI Xiaoxin，et al.Cyclicdeformation behavior of AZ31B magnesium alloy at large amplitude［J］.Aeroengine，2016，42（1）：79-83.