基于準原位ＡＺ３１鎂合金雙軸動態壓縮變形行為

摘 要：【目的】鎂合金具有質量輕、比強度和比剛度高且易回收的優點。汽車、飛行器前端及汽車側面、尾部的鎂合金零部件由于受到較高應變速率的沖擊載荷作用，導致其在極短時間內失效，對設備的安全性能造成威脅，產生不可預料的后果。因此，對基于準原位鎂合金在高應變速率動態壓縮下的變形行為及其變形機理進行研究具有重要意義。【方法】為了分析ＡＺ３１鎂合金受到動態沖擊載荷作用時的動態力學性能，以擠壓態ＡＺ３１鎂合金為研究對象，基于準原位方法，利用分離式霍普金森壓桿（ＳＨＰＢ）裝置研究了擠壓剪切態ＡＺ３１鎂合金在雙軸動態壓縮條件下的變形行為，利用電子背散射衍射技術（ＥＢＳＤ）及透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）對試樣變形前后的微觀組織進行表征。【結果】雙軸動態壓縮實驗結果表明：ＡＺ３１鎂合金在塑性變形過程中，沿著擠壓徑向壓縮，大量拉伸孿晶被激活；當反向加載后，發生了退孿生現象并伴隨少量拉伸孿晶被激活。深入分析不同的退孿生行為，發現ＳＦ值較高是發生退孿生行為的主要原因。采用滑移跡線法確定被激活的滑移系統并與退孿生行為相結合，用于判斷滑移對退孿生的促進作用。當垂直于晶體ｃ軸方向壓縮時，拉伸孿晶容易被激活且孿晶與母晶粒夾角為８６３°，孿晶ｃ軸接近平行于壓縮方向；當改變壓縮方向時，壓縮方向垂直于孿晶ｃ軸方向，即改變加載方向后，孿晶會發生退孿生行為。隨著累積應變的積累，ＬＡＧＢｓ峰值會持續升高。整個變形過程伴隨滑移存在，說明ＬＡＧＢｓ的產生是由滑移造成的，且滑移對塑性變形起到至關重要的作用。ＡＺ３１鎂合金在塑性變形過程中，先被激活的孿晶隨著壓縮方向的改變發生退孿生現象；改變加載方向，變形過程均有滑移被激活，孿生與退孿生過程均伴隨滑移的發生；ＡＺ３１鎂合金在不同方向的動態壓縮變形行為主要由滑移及孿生的共同作用導致。【結論】本文對ＡＺ３１鎂合金微觀組織的變形行為進行研究，為其廣泛應用提供理論基礎。

關 鍵 詞：ＡＺ３１鎂合金；分離式霍普金森壓桿；滑移；孿生；退孿生；施密特因子（ＳＦ）；晶界取向差；孿晶變體

中圖分類號：ＴＧ１４６.２ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２５）０１－００４５－０８

鎂合金作為輕合金的代表，具有良好的導熱性能及力學性能，在３Ｃ、汽車以及航空航天等領域得到了廣泛的應用［１－４］。在目前節能減排以及“雙碳”大背景下，使用輕材料是實現汽車輕量化及減少碳排放的主要途徑之一，鎂合金因其優異的減震性能和質輕的特點，在車身減重以及降低二氧化碳排放量方面無疑是最佳選擇［５－９］，因此其被廣泛應用在汽車及航空航天結構部件。鎂合金作為結構部件在服役過程中，難免會受到高速沖擊載荷的作用而在極短時間內失效，帶來不可估量的后果。因此，為了在保障司乘人員安全的前提下實現汽車減重的目的，研究人員將鎂合金在高應變速率下的變形行為作為關注重點。毛萍莉等［１０－１１］通過轉角擠壓探究ＡＺ３１鎂合金絕熱剪切敏感性，而轉角擠壓可以明顯細化晶粒。通過對Ｍｇ２Ｚｎ３Ｙ合金進行固溶處理，合金的抗拉強度、屈服強度及伸長率均呈現先升后降的趨勢，最高值分別為１８７ＭＰａ、１０７ＭＰａ和８０％，并在４５０℃時固溶效果最佳。ＡＺ３１鎂合金在動態載荷作用下的變形行為極為復雜，在動態壓縮變形過程中的塑性變形主要由滑移和孿生所導致，常見的孿生類型有｛１０１１｝壓縮孿生、｛１０１２｝拉伸孿生及二次孿生［１２］。ＮＡＫＡＩ等［１３］對擠壓ＡＺ３１鎂合金試樣進行了幾種不同類型的循環應力測試，通過電子背散射衍射（ＥＢＳＤ）分析孿晶、退孿生和疲勞裂紋萌生機制。軋制ＡＺ３１Ｂ鎂合金在３種不同應力狀態下的應力－應變關系和孿晶特性表明，拉伸孿晶的６種變體均在沿法線方向的拉伸下被激活，而在軋制方向的壓縮下最多可激活４種變體［１４］。動態力學性能是材料在極高應變率下的性能，與靜態力學性能相比，動態力學性能的特點是負荷強度大且作用時間短［１５－１７］，孿生本身對晶體塑性變形的直接貢獻并不大，但孿生可以調節晶體的取向，激發進一步的滑移和孿生，使滑移和孿生交替進行，從而獲得較大的變形。研究表明，鎂合金在塑性變形過程中孿生及孿晶的作用可歸納為以下幾點：１）改變原始晶粒的取向方向，加強不易激活的滑移或孿晶激活的傾向性，變形得以持續；２）不同晶粒中孿晶的相互作用會發生二次或多次孿生，使合金整體塑性得到提升；３）周圍晶粒間應變調節和局部應力狀態變化綜合影響孿晶變體選擇［１８］；４）成為動態再結晶的形核點，增大動態再結晶的溫度范圍并細化晶粒，提高均勻塑性變形能力。