文章编号：1004-0609(2009)10-1720-06

AZ91D镁合金的热压缩变形行为

张晓华，姜巨福，罗守靖

(哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150001)

关键词：

AZ91D镁合金；高温压缩；流变应力；Zener-Hollomon参数；

中图分类号：TG146.2       文献标识码： A

Compression deformation behavior of

AZ91D magnesium alloy at elevated temperature

ZHANG Xiao-hua, JIANG Ju-fu, LUO Shou-jing

 (School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract: The compression tests of AZ91D magnesium alloy at elevated temperature were carried out on Instron-5500 at strain rates ranging from 0.005 to 1 s^-1 and deformation temperate between 250 and 350 ℃. The true stress—strain curves were obtained and the influences of deformation temperature and strain rate on the curves were analyzed. The constitutive equation and some constants of AZ91D magnesium alloy during compression deformation were gained. The results show that during the compression, the flow stress of AZ91D magnesium alloy decreases with increasing deformation temperature whereas it increase with increasing strain rates. The flow stress of AZ91D magnesium alloy at elevated temperature can be described with the hyperbolic sine function, and the hyperbolic sine value of flow stress will increase linely with increasing natural logarithm of Zener-Hollomon parameter. The strain rate sensitivity index (m) of AZ91D magnesium alloy is equal to 0.14.

Key words: AZ91D magnesium alloy; elevated temperature compression; flow stress; Zener-Hollomon parameter

镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，具有较高的比强度和比刚度，易于机械加工，且回收方便，是理想的绿色材料^[1-3]。在日益追求轻量化和环保的今天，汽车、通讯、航空和航天等众多领域对镁合金的需求迅猛增加^[4]。由于Mg-Al-Zn合金，具有均衡的力学性能，在工业生产中获得了较为广泛的应用。但由于其为密排六方结构，滑移系少，冷塑性加工性能较差，制约了高性能镁合金材料的开发与应用。而在高温下，一些滑移角锥面开始发挥作用，从而使镁合金在高温下塑性增强，成形变得相对容易^[5-8]。因此，研究镁合金在高温条件下的塑性变形流变应力行为与加工工艺参数的相互影响关系具有重要意义。

本文作者通过对AZ91D镁合金进行高温压缩实验，研究了合金的高温热压缩流变行为，为Mg-Al-Zn系镁合金在压力加工领域进一步的应用提供必要的实验数据和参考。

1  实验

实验材料采用工业半连续AZ91D镁合金铸锭，其化学成分列于表1。

表1  AZ91D镁合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of AZ91D magnesium alloy (mass fraction, %)

沿镁合金铸锭轴向取试样，加工成d8 mm×12 mm的圆柱状。热压缩实验在Instron-5500热模拟机上进行。在试样两端均匀涂以石墨润滑剂，以减小摩擦对实验结果的影响。变形温度选择为250、265、295、310、340和350 ℃；应变速率为0.005、0.05、0.1和1 s^-1。试样采用电磁感应加热，加热到预定温度后，保温15 min，以使试样温度均匀。变形过程由计算机控制并自动采集数据。

压缩实验中仪器记录的是载荷-位移曲线，假定压缩过程中材料的体积恒定不变，则可以根据式(1)计算出压缩变形过程中的真实应力应变曲线^[9]，即

式中：H₀和H₁为试样压缩前、后的高度；A₁为压缩过程中某t₁时刻材料的有效横截面积；D₀为试样压缩前的直径。

则

式中：F为t₁时刻材料承受的载荷。

2  结果与分析

2.1  合金的真实应力—应变曲线

实验所得载荷位移数据，经过式(1)和(2)的换算，可以得到AZ91D镁合金的真实应力—应变曲线，结果如图1所示。

图1  不同变形条件下AZ91D的真实应力—应变曲线

Fig.1  True stress—strain curves of AZ91D magnesium alloy under different conditions: (a) =0.005 s^-1; (b) =0.1 s^-1; (c)    295 ℃; (d) 350 ℃

从图1可以看出，AZ91D镁合金在不同的应变速率和不同的压缩温度下，其压缩过程大致都可以分为4个阶段：首先直线上升，到达峰值，为第一阶段；然后曲线有所下降，到达谷底，为第二阶段；曲线再稳步升高，为第三阶段；最后曲线下降，为第四阶段。在第一阶段中，坯料在冲头的冲击作用下，发生弹性和塑性变形，在很小的变形范围内，应力急剧上升，且其弹性阶段和塑性阶段并没有明显的分界线。在这个阶段，主要是坯料本身对外界的一种抵抗能力，在压缩中，产生加工硬化现象，导致流动应力直线上升，达到峰值。第二阶段是真实应力不断减小的阶段。当应力达到峰值以后，随着应变的增加，应力在峰值保持很短的时间后，就开始下降。这主要是由加工硬化和动态回复和再结晶综合作用造成的，动态回复和再结晶消除或者部分消除了加工硬化，降低了试件此时的强度。在第三阶段中，外加载荷越来越大，变形量也越来越大，位错在外力的作用下，不断增多，且相互交割加剧，引起变形抗力的增加。在第四阶段中，变形进入尾声，应力下降，材料彻底失效^[9]。

从图1(a)和图1(b)可以看出，相同的应变速率下，当温度升高时，试件的流动应力不断减小。这主要是因为随着温度的升高，试件原子激活能增加，促成回复和再结晶，使变形中的硬化效应得到消除或者部分消除。同时，温度越高，晶粒长大的速度也越快，晶界面积减小，很容易在外力的作用下，发生塑性变形。

同样可以看出，在相同的温度下，应变速率变大，试件的流动应力也相应提高。这一方面是因为变形速度的增加，意味着位错运动速度的加快，因此必然需要作用更大的剪切力；另一方面，由于变形速度的增加，试件没有足够时间发展软化过程，这也会促使流动应力提高^[9-10]。

2.2  本构方程

人们通常采用数学模型，如指数关系、幂指数关系和双曲正弦函数关系来描述材料高温变形稳态流变应力和应变速率、温度的关系^[11-15]，分别表述如下：

式中：为应变速率；A、A₁、A₂、n₁和β为常数；α为应力水平参数，α=β/n₁；σ为材料流变应力；n为应力指数，n=1/m；Q为变形激活能，反映材料热变形的难易程度；R为摩尔气体常数；T为绝对温度。

一般来说，在低应力水平下，其关系可用指数关系描述，中高应力水平下可用幂指数关系描述，而双曲函数关系则可以适用于所有的应力情况下，而与应力大小无关^[16]。双曲函数关系是Sellars和Tegart推导出来的，是Arrehenius关系包含变形激活能和变形温

度的双曲正弦表达形式，可以确定稳态热变形行为特性。很多工作已经证明了双曲函数关系可以描述热压缩的整体变形行为，此外，它也可以计算不同金属或合金的变形激活能Q。

Zener和Hollomon推导并证明了应变速率和温度之间的关系可以用一个参数表示，称为Z(Zener- Hollomon)参数，可以表示为

对式(3)和(4)两边分别取自然对数，可以得到：

从式(7)和(8)可以看出，，。

根据实验数据分别用ln-lnσ和ln-σ两种形式表述AZ91D镁合金高温压缩时应变速率与峰值应力的关系，结果如图2所示。由图2中曲线斜率分别表示n₁和β值，通过计算并取平均值，可得出β=0.075 694，n₁=10.111 130，则：

=0.007 5

对式(5)两边取自然对数，并假定变形激活能跟温度不相关，当温度为常数时则可以得到：

由式(9)可以看出，与成线性关系，其斜率即为应力指数n。

图2  AZ91D镁合金高温变形时应变速率与峰值应力的  关系

Fig.2  Relationship between strain rate and peak stress of AZ91D magnesium alloy: (a) ; (b)

根据AZ91D镁合金的真实应力—应变曲线，固定应变量为15%，可做出的关系曲线，结果如图3所示。

图3  AZ91D镁合金的应变速率和流变应力的关系

Fig.3  Relationship between strain rate and flow stress for AZ91D magnesium alloy

计算其斜率并取平均值得应力指数n=6.95，则应变速率敏感指数m=1/n=0.14。

在恒定应变速率条件下，假定一定温度范围内Q保持不变，对式(3)两边取对数，可以得到：

式中：m为应变速率敏感因子，m=1/n。

从式(10)可以看出，与1/T成线性关系，同样固定应变量为15%，将不同变形条件下的应力值代入式(10)，进行线性回归，绘制相应的曲线，结果如4所示。

由图4可知，在相同的应变速率条件下，流变   应力的双曲正弦对数项和温度的倒数之间满足线性 关系。

图4  AZ91D镁合金的流变应力和温度的关系

Fig.4  Relationship between flow stress and temperature of AZ91D magnesium alloy

对式(5)两边取自然对数并求偏微分可得

式(11)为AZ91D镁合金激活能Q的关系式。和分别为 和的斜率，其值分别为6.95和3.16，由此可以计算得到AZ91D镁合金的激活能Q为182.65 kJ/mol。

对公式(6)两边取自然对数，可以得到

将变形激活能Q和曲线的变形条件代入式(12)，则可以得到lnZ的值，利用lnZ和ln[sinh(ασ)]做图，结果如图5所示。由图5可知两者成直线关系，相关系数达到98.29%，表明用双曲正弦函数来描述AZ91D镁合金高温压缩变形行为是合适的。

图5  Z参数和流动应力的关系

Fig.5  Relationship between parameter Z and flow stress

联立式(5)和(6)，得到

两边取自然对数，得

由此可看出，n为的斜率，lnA为其截距，lnA=34.679 45，A=1.15×10¹⁶，则

3  结论

1) 在250~350 ℃温度区间，AZ91D镁合金高温压缩变形行为受变形温度和应变速率的影响较大，流变应力随变形温度的升高而降低，随应变速率的升高而升高。AZ91D镁合金为正应变速率材料，其应变速率敏感指数m=0.14。

2) 通过对流变应力的分析计算了AZ91D镁合金高温变形的基本材料常数，结构因子A为1.15×10¹⁶，应力水平参数α为0.007 5，应力指数n为6.95，热变形激活能Q为182.65 kJ/mol。其流变应力行为满足双曲正弦关系。

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(编辑 龙怀中)