挤压态镁合金动态再结晶临界模型

丁小凤，赵富强

(太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

镁合金具有低密度、高比强度和比刚度等优点，作为轻金属结构件被广泛应用于航天、航空、汽车等领域[1]。但其自身的密排六方结构使得塑性变形能力差，室温塑性加工较为困难[2]。

热加工变形可有效提高镁合金性能，可降低镁合金变形抗力提高其可成形性。镁合金在热加工过程中内部会随着应变的累积发生大量位错，从而发生加工硬化；同时变形伴随软化现象，比如动态再结晶(Dynamic Recrystallization，DRX)和动态回复。镁合金内部位错密度达到临界值时发生DRX，对应的应变为临界应变。在热加工微观组织演变过程中DRX发挥重要作用，特别是作为低层错能的镁合金在高温变形过程中，DRX成了主要的软化机制，故需精准确定其发生的临界应变。材料的化学成分、初始晶粒尺寸及变形条件决定其动态再结晶临界应变。一般采用流动应力应变曲线分析法和金相实验法确定临界值，但需大量的实验，工作量大且消耗成本。Poliak和Jonas(P-J法)提出临界条件动力学理论确定DRX临界值[3]，已被应用在镁合金[4-5]、钛合金[6-7]及钢[8-9]等材料中计算DRX临界模型。而挤压态AZ31镁合金的DRX临界动力学模型还未见报道。本文基于挤压态镁合金的热压缩实验得到的应力应变曲线，研究变形条件对热变形行为的影响，采用单参数法并引入温度补偿应变速率因子Z，计算热激活能并构建挤压态镁合金DRX临界表征模型。

1 实验材料及方法

1.1 试验材料

采用Φ38 mm×100 mm挤压态AZ31镁合金棒料，ICP等离子光谱仪测得其化学成分为(质量分数, %)：Al 3.21，Zn 0.99，Mn 0.34，Fe 0.0021，Si 0.017，Cu 0.0021，Ni 0.00061，Mg 余量。为了消除偏析使得组织均匀，在400 ℃下对镁合金棒均匀化处理12 h。随后沿挤压轴方向切取Φ8 mm×12 mm圆柱试样为等温压缩实验做准备。

1.2 试验方案

采用温度200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃，应变速率0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1、3 s-1的变形条件，分别将试样在Gleeble-1500D 热模拟试验机上压缩，最大变形量达60 %。压缩前，在试样的上下两个端面涂抹机油并粘上石墨片，减少压头与试样间摩擦力带来的影响。试样升温速率采用5 ℃/s，保温90 s后连续压缩变形，通过配套的电子计算机及相关软件自行采集数据，最终获得真实应力-应变数据。选取典型变形条件(温度400 ℃，应变速率0.05 s-1)的压缩试样，通过采用机械抛光和离子刻蚀设备(Leica RES101)制样，进行EBSD测试，统计动态再结晶发生情况。

2 结果及讨论

2.1 热变形行为

如图1所示为挤压态镁合金在不同温度应变速率下的应力应变曲线，由图1可知，各流变曲线变化趋势相似：应变较小时镁合金开始发生加工硬化，随着应变不断增加，应力迅速增大，达到峰值后开始出现软化现象，应力随之降低到一定值后开始达到流变稳定状态，其实质是位错重组和抵消引起的软化与位错密度增大引起的加工硬化达到平衡状态。变形初期，镁合金主要的变形机制是位错萌生和增值。镁合金属于底层错能金属，由交滑移和攀移引起的动态回复软化较难发生，致使初期应力极速上升。当位错密度达到一定值，镁合金开始发生DRX，其软化作用与变形引起的硬化达到平衡，流变曲线呈稳定状态。从图1还可以看出应力随着温度降低和应变速率的增加而增大。温度对流变曲线影响显著，变形是热激活的过程，原子活动随温度升高而增强，动能增加可降低晶体滑移剪切力，降低变形抗力[10]。

图1 AZ31镁合金热压缩应力应变曲线

应变速率为5 s-1，对应的流变曲线不光滑，流动应力呈现锯齿状，主要由两方面原因造成：一是动态应变时效(DSA)导致，这与Cui等[11]发现的相似；二是在高应变速率下，DRX和加工硬化竞争激烈，软化与硬化交替进行，流动应力可能出现锯齿形状[10]。

2.2 临界条件的确定

国内外学者常采用sellars模型，即εc=(0.6～0.85)εp，来表示DRX临界应变模型。本文用Poliak和Jonas等[3]提出的单参数法确定挤压态镁合金的DRX临界条件或临界应变，即分析应变硬化速率θ(dσ/dε)-流变应力σ曲线的拐点或曲线-∂θ/∂θ-σ的最小值确定其临界应变εc。

温度引起的波动及不均匀流动导致曲线不光滑，则需通过高次多项式拟合流动应力来计算θ。通过实验数据计算θ值，并绘制θ-σ曲线，如图2所示。由图2可以看出，θ随σ增大而降低，这是DRX和动态回复软化导致的。根据Poliak可知，θ为0时对应的应力为峰值应力。恒定应变速率下，随着温度的升高，峰值应力减小，相应的加工硬化率降低。随着应力的增大，θ值降低，为0时出现拐点后又回升，但应变速率为5 s-1曲线的没有出现明显的拐点。

图2 不同变形条件对应的应变硬化速率θ-流变应力σ曲线

由于曲线θ-σ上的拐点值无法直接准确地计算，对θ-σ曲线进行三次拟合后，发现拐点对应曲线(dθ/dσ)-σ的最低点，故用曲线(dθ/dσ)-σ的最低点求DRX的临界应变 。绘制曲线(dθ/dσ)-σ，如图3所示，曲线中最低点对应的应力为DRX发生的临界应力。

图3 AZ31不同变形条件下的|-dσ/dε|与σ关系曲线

2.3 动态再结晶临界模型

引入温度补偿应变速率因子Z，分析临界应变与变形条件之间的关系

(1)

(2)

对式(2)两边取自然对数，得到

(3)

(4)

图4 n和Q值的拟合过程

通过实验数据及计算的临界应变得到Z与应力应变的关系如图5所示，随着Z参数的增大，临界应力σc和临界应变εc值升高，即随变形温度的下降和应变速率的上升而增加，且临界应变与峰值应力对应的应变εp呈线性相关，临界应力与峰值应力也呈线性相关，关系如图5所示，最终得到挤压态镁合金DRX的模型

应用所建立的动态再结晶临界模型，可以理论预测挤压态镁合金热加工过程中DRX发生情况。

图5 Z参数与应力应变的关系

2.4 动态再结晶模型验证

选取应变速率0.05 s-1、400 ℃及不同变形量的试样分析DRX，依据本文构建的DRX模型得到临界应变值为0.1，传统理论认为镁合金峰值应变的80%为DRX的临界应变[10]，应用到本文中得到临界应变为0.21，观察应变速率0.05 s-1、400 ℃，应变量分别为0.15、0.2的微观组织DRX分布情况，如图6所示，蓝色代表DRX组织，黄色代表形变亚组织，红色代表变形组织。从图a可知变形量为0.15已经存在33.6%的动态再结晶组织，即此条件下已经发生DRX，而当应变为0.2时已经有47.6%发生DRX,可知应变还未到0.15就开始发生少量DRX了，而本文构建的模型计算值为0.1，表明本文构建的模型精确，可精确预测挤压态镁合金热加工过程中DRX发生情况。

图6 不同变形量下的DRX组织分布(0.05 s-1，400 ℃)

3 结论

(1)升高温度和降低应变速率可促进挤压态镁合金动态再结晶的发生。发生动态再结晶的临界激活能为171.15 kJ/mol。

(2)临界应力σc与临界应变εc随温度补偿应变速率因子Z值的增大而升高，减小Z值可促进挤压态镁合金动态再结晶的发生

(3)采用单参数法构建了挤压态镁合金发生动态再结晶的临界应变模型

此模型可精确预测挤压态镁合金在热加工过程中DRX发生情况。