铸态AZ80A镁合金热加工图及高温变形行为研究

邱友权，袁林，单德彬

（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001）

镁合金是目前所使用的最轻的金属结构材料，具有高比强度、高比刚度、优良的机械加工性能和良好的电磁屏蔽性能等优点，被称之为“21世纪最具发展潜力的绿色工程材料”［1—4］。不过，镁合金为密排六方结构，滑移系少，在室温下塑性变形能力差［5］。由于镁合金具有良好的铸造性能，大多数镁合金产品都是通过铸造方法制造出来的，这大大限制了镁合金在关键受力构件方面的应用。近年来，随着航天航空领域对于轻量化需求的不断增加，镁合金塑性加工技术成为镁合金加工领域的主要研究方向之一。在所有的变形镁合金中，由于Mg-Al-Zn系镁合金价格较为便宜，该系合金又具有较高的强度、良好的塑性和韧性，是使用非常广泛的变形镁合金之一。

热锻、热挤压和热轧制是有效提高镁合金成形能力的手段。在这些热变形过程中，会同时伴随着加工硬化、动态回复（DRV）和动态再结晶（DRX）过程，变形过程发生DRX会使得晶粒细化，变形抗力降低，有利于后续的加工成形［6］。镁合金的层错能较低，在250℃以上时易发生动态再结晶，获得的产品具有较高的强度和良好的塑性和机械加工性能［6—7］。制定合理的热加工工艺对于变形镁合金的性能有着较大的影响。本文主要通过构建铸态AZ80A镁合金热加工图，研究其高温变形行为，实现AZ80A镁合金组织结构和热加工性能的优化。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用的材料牌号为AZ80A镁合金，铸态坯料由中南大学提供。表1为经X射线荧光光谱分析（XRF）获得的AZ80A镁合金化学成分。

表1AZ80A合金的化学（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of AZ80A magnesium alloy

材料的原始组织如图1所示。图1中大块的晶粒为先共晶的α-Mg，在先共晶的α-Mg固溶体边界上白色具有黑色轮廓的相是在非平衡凝固过程中产生的Mg17Al12共晶组织（图1a）。在共晶组织附近的呈黑色的部分组织为层片状组织，这些组织是α-Mg固溶体在冷却过程中析出的二次Mg17Al12相（图1b）。

将实验铸态材料在355℃，保温12 h条件下进行了均匀化处理，材料均匀化后微观组织如图2所示。铸态组织原来存在的较多共晶组织和成分偏析，经均匀化处理后，均得到了减弱和消除。

图1 AZ80A铸态材料原始组织Fig.1 Optical micrographs of original structure of as-cast AZ80A

图2 AZ80A铸态材料均匀化后组织Fig.2 Optical micrographs of homogenized structure of as-cast AZ80A

1.2 试验方案

沿AZ80A镁合金铸态坯料的轴向取试样，加工成直径为8 mm，高度为12 mm的圆柱状试样，并在低温电阻炉中按照上述条件进行均匀化处理。在Instron5500R热模拟试验机上进行高温压缩试验，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。变形温度分别选择为270，300，330，350，380，410 ℃;应变速率为 0.001，0.01，0.1，0.5 s-1。试样采用电阻加热，加热到预定温度后，保温3 min，以使试样内部温度均匀。变形过程由计算机控制并自动采集数据。

2 试验结果及讨论

2.1 高温压缩流动应力应变曲线分析

图3所示为铸态AZ80A镁合金在不同变形温度和应变速率下的真应力-真应变曲线。可以看出，在变形开始阶段，存在明显的加工硬化，应力随着应变的增加很快增大到峰值应力。当变形温度为270℃和300℃时，真应力-真应变曲线在加工硬化阶段出现了拐点，其斜率有所减小，这是新的滑移系开动产生的结果。随着温度升高和应变速率减小，拐点逐渐消失。在达到峰值应力阶段之后，随着应变的增加，应力在峰值保持较短的时间后，逐渐下降。这是由于材料动态再结晶的软化效应大于加工硬化的强化效应，导致这一阶段在整体上表现出应变软化。当材料变形温度在270℃和300℃，应变速率较高时，由于温度较低，动态再结晶的时间很短暂，软化效应很弱，材料在达到峰值应力后，很快就发生了断裂。随着应变进一步增加，流变应力基本不随应变的增加而发生变化或者略有下降，该阶段就是稳态流动阶段。此时动态再结晶引起的软化和加工硬化二者达到了动态平衡，就产生了稳态流变应力。其他条件相同的情况下，变形温度的降低和应变速率的增大都使得加工硬化加剧，峰值应力和与其对应的应变也随之增大，而且动态再结晶的临界应变值变大，即材料在低温时动态再结晶发生很慢;与之相反，在高温低应变速率时动态再结晶发生很快。

图3 不同温度下铸态镁合金的真应力-真应变曲线Fig.3 The true stress-true strain curves of as-cast AZ80A magnesium alloy at different temperatures

2.2 本构方程建立

镁合金的应力、应变速率和温度之间有很明显的相互作用。镁合金的塑性变形大部分都在较高的温度下进行，镁合金的热变形过程是一个热激活的过程，该过程的一个主要特点就是变形过程受热激活过程控制，并遵循Arrehenius公式:

Tegart和 Sellars［8］利用 Arrehenius 公式推导出了双曲正弦函数关系（式2），该关系式包含了变形激活能Q和变形温度T，是对Arrehenius公式的修正。

在所有的应力下:

式中:ε为应变速率;n为应力指数;α，A为材料常数;σ为材料的峰值应力或指定应变时材料的流变应力，文中为峰值应力;R为气体常数;T为热力学温度;Q为变形激活能。

为了能够求得方程中的未知参数，对公式（2）进行简化。

在低应力水平下:

在高应力水平下:

对式（3）和（4）两边分别取自然对数，可以得到:

式中:n1为应力指数;β，A1，A2分别为材料常数（α为应力水平参数，α=β/n1）。

式（5）和（6）表明n1为ln和ln σ关系曲线的斜率，而β为ln和σ关系曲线的斜率。如图4和图5所示，对每组曲线进行拟合，求得了n1和β的平均值，根据公式α=β/n1可以计算该材料应力参数 α=0.009 958。

图4ln-ln σ的关系曲线Fig.4 Relationship between ln and ln σ

图5ln-σ的关系曲线Fig.5 Relationship between ln and σ

假定变形激活能Q跟温度T不相关，对式（2）两边取自然对数，当温度为常数时可以得到:

图6ln与ln［sinh（ασ］关系曲线Fig.6 Relationship between ln and ln［sinh（ασ］

式中:m为应变速率敏感因子，m=1/n=0.15。

图7 ln［sinh（ασ］与1/T的拟合曲线Fig.7 Relationship between ln［sinh（ασ］and 1/T

从式（10）可以看出，ln［sinh（ασ］与1/T成线性关系，将不同变形条件下的应力值代入式（10），对二者进行线性回归，绘制出相应的ln［sinh（ασ］-1/T曲线（见图7）。由图7可知，在应变速率相同的情况下，流变应力的ln［sinh（ασ］和1/T之间是满足线性关系的。拟合后直线的斜率的平均值为3.67。

对式（2）两边取自然对数并求偏微分，可以得到AZ80A镁合金激活能Q的表达关系式，即:

应变速率和温度之间的关系常用Z（Zener-Hollomon）参数表示，该参数是由Zener和Hollomon综合了应变速率和温度的影响后得到的。

Z参数的表达式如下:

对公式（12）两边取自然对数，得到:

将曲线的变形条件和变形激活能Q代入式（13）中，则可以得到 lnZ的值，利用 lnZ和ln［sinh（ασ）］关系作图，结果如图8所示。从图8中可以看出两者成直线关系，相关系数达到98.3%。因此，利用双曲正弦函数来描述AZ80A镁合金高温压缩变形行为是合适的。

图8 ln Z 和 ln［sinh（ασ）］的关系Fig.8 Relationship between lnZ and ln［sinh（ασ）］

联立式（12）和式（13），可得以下关系:

对式（14）两边取自然对数，得:

由式（15）可以看出，n为 lnZ-ln［sinh（ασ］所构成直线的斜率，lnA为拟合后直线的截距，lnA=34.86，A=1.37×1015，则建立的本构方程为:

2.3 热加工图

热加工图是由功率耗散图与失稳图叠加构成的，其基础是动态材料模型。其中材料微观组织的变化利用功率耗散系数η来表示，η与另外一个与应变速率和温度有关的参数m有关，其表达式如下:

式中:m为应变速率敏感因子。

不同温度和不同应变速率下获得的功率耗系数的等高线图就构成了功率耗散图，功率耗散系数的不同，用于微观组织变化的能量就不同，导致其微观组织会产生差异。连续失稳判据［9—10］是 Prasad等学者根据Ziegler的研究提出的。失稳判据如下:

其物理意义为，当外加熵的速率大于系统产生熵的速率，系统就会产生局部流动失稳现象。ξ（）随应变速率和温度变化就构成了失稳图。其中失稳区域的微观现象是局部流动失稳、绝热剪切带和机械孪晶等。

图9所示为应变为ε=0.3和ε=0.6时的热加工图。图中等高线的数字代表功率耗散的大小，根据Prasad的流变失稳理论，在ξ（）＜0的区域为流变失稳区。利用ξ＞0（空白处）、-1≤ξ≤0（单向条纹阴影区）和ξ≤-1（双向条纹阴影区）将加工图分为3个区域，其中ξ＞0为发生协调变形的区域;ξ≤-1区域为一定发生流变失稳，-1≤ξ≤0为亚失稳流变区，距离ξ≤-1越近的位置发生流变失稳的概率越大。

ε=0.3时的失稳区集中在270～300℃，高应变速率的情况下，270℃至330℃且应变速率大于0.01 s-1时为亚失稳区，动态回复区域为270～330℃和0.1～0.5 s-1的区域和270℃，0.001～0.01 s-1的区域。动态再结晶区域出现在300～410℃和0.001～0.01 s-1区域内，在410℃和0.001 s-1处塑性变形功率耗散峰值达42%，但是此时应变速率较慢。因此，当ε=0.3时最佳加工工艺参数为330～380℃，应变速率在0.001～0.01 s-1之间。

ε=0.6时的失稳区集中在高温高应变速率和低温低应变速率的情况下，亚失稳区面积较大。动态回复为270～300℃，0.1～0.5 s-1的区域。动态再结晶域为300～410℃和应变速率在0.001～0.1 s-1的区域内进行。对压缩后组织进行观察得到失稳后组织如图10a所示，动态再结晶组织如图10b所示。从330℃开始出现了较为明显的再结晶晶粒，最大功率耗散系数出现在410℃和0.001 s-1时，但在410℃可加工的区域仅限于较低的应变速率。因此，最佳的工艺参数范围为330～380℃，应变速率在0.001～0.01 s-1之间，与应变ε=0.3时的最佳工艺参数相同。

图9 不同应变量时绘制的热加工图Fig.9 Hot processing map of AZ80A at different strains

图10 不同条件下的压缩微观组织Fig.10 Microstructure of the deformed AZ80A under different conditions

3 结论

研究了AZ80A镁合金在270～410℃，应变速率在0.001～0.5 s-1之间的压缩变形行为。从本构方程和对不同条件下热加工图的分析，得到了以下结论。

1）建立了AZ80A镁合金热变形本构方程:

2）变形温度的降低和应变速率的增大都将使得加工硬化加剧，而且峰值应力和与其对应的应变也随之增大，动态再结晶的临界应变值变大，即表示材料在低温时动态再结晶发生很慢，与之相反，在高温低应变速率时动态再结晶发生很快。

3）ε=0.3时，动态回复区域为270～330℃和0.1～0.5 s-1的区域和270 ℃，0.001～0.01 s-1的区域。动态再结晶区域出现在300～410℃和0.001～0.01 s-1区域内。

4）ε=0.6时，动态回复区域为270～300℃，0.1～0.5 s-1的区域，动态再结晶区域为300～410℃，0.001 ～0.1 s-1的区域。

5）通过综合分析热加工图，最佳的工艺参数范围为330～380℃，应变速率在0.001～0.01 s-1之间。

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