SPCC/AM60/SPCC复合板热拉伸变形行为

刘泽成，郑小平，李红斌，田亚强，陈连生

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210)

引言

镁合金可以通过提高几种运输系统的能源利用率来解决生态问题，具有低密度、高比强度、高阻尼能力和高循环利用、良好的可加工性和环境友好性等优良性能[1-5]，有望在轻量化设计至关重要的行业中用作结构产品。因此，AM60镁合金被认为是众多行业的潜在候选材料，尤其是在交通运输和3C(计算机、通信和消费电子)领域，如：汽车、轻质外壳等[6-10]。但镁合金存在一些缺点，如延展性差、导热性和电阻率低[11]。由于镁合金具有六方密排(HCP)晶体结构[12]，可参与变形的滑移系统数量有限，因此镁合金在室温下的成型性相对较差。镁合金在变形过程中容易发生断裂，这已经成为镁合金实际工程应用的一大挑战。在这种背景下，全面研究镁合金在各种应力状态下的变形和断裂是必不可少的。

近年来，单一金属材料越来越具有局限性，航空航天、新能源、交通运输、汽车制造和建筑工程等行业要求材料具有更好的力学性能、成形性能，同时可持续发展政策也迫切需要材料的变革。通过各种复合技术手段将两种不同化学性能不同物理性能不同力学性能的金属板材制备成复合板材，组元金属间突破机械结合形成冶金结合，称为双金属复合板材。SPCC/AM60/SPCC双金属复合板采用钢/镁/钢的堆叠形式，对镁合金起到一定的保护作用，可抑制镁合金表面裂纹的产生与扩散，从而提高镁合金的塑性变形能力。组元金属SPCC提供优良的抗冲击性能[13,14]，AM60镁合金又具有抗震减噪、抗辐射等性能优点[15]。为了准确反映SPCC/AM60/SPCC双金属复合板高温下的热变形行为特性，对复合板的塑性成形工艺研究提供理论与试验依据。使用Gleeble-3500热模拟机对SPCC/AM60/SPCC双金属复合板进行热拉伸试验，分析变形温度和变形速率对复合板热变形行为的影响。组元金属的断裂失效形式和复合界面的结合状况对复合板的拉深成形行为具有重大影响。使用扫描电子显微镜对拉伸断口进行表征，结合热拉伸试验获得的真应力-应变曲线分析变形温度和应变速率对组元金属断裂模式、复合板结合状态的影响，为SPCC/AM60/SPCC双金属复合板的塑性成形研究打下良好的基础。

1试验材料与方法

试验用钢板选用目前市场上使用率较大的家电、汽车用SPCC钢，属于普通低碳钢，往往需要经过“冶炼-热轧-酸洗-冷轧-精整”轧制成厚度小于4 mm的薄钢板，也称为冷轧薄钢板。其冷轧工序不需要预热在室温条件下进行，所以轧制板材表面没有氧化铁皮，钢板没有发生再结晶，经冷轧后的板材表面平整光滑。选用的镁合金为AM60镁合金，具有强度高、塑性成型能力强等特点。SPCC的主要化学成分是C 0.06%、Si 0.03%、Mn 0.06%、Fe余量，AM60镁合金的主要化学成分为Al 5.6%、Mn 0.3%、Zn 0.2%、Mg余量。选用轧制板材，板材厚度为1 mm。采用同步轧制工艺将SPCC钢板与AM60镁合金板材结合制备出钢/镁/钢复合板，试样切割成长度为90 mm、宽度为30 mm的尺寸。轧制前，钢板进行一次退火，加热至750 ℃保温1 h。退火后酸洗，用丙酮冲刷干净后使用砂纸将钢板和镁板打磨至划痕一致，按照钢/镁/钢的顺序堆叠组合，头部钻孔后使用细铁丝固定。将固定好的复合样品放置于分体式加热炉预热30 min，轧制温度定为380 ℃。保温结束立即进行一道次轧制，总压下率为50%。机加工复合板制备出拉伸试样，拉伸试样尺寸规格如图1所示，厚度是1.5 mm。

图1 拉伸试样尺寸

2试验结果与分析

2.1 温度对流变应力的影响

复合板不同变形温度、应变速率下的真实应力应变曲线，如图2所示。

图2 复合板的真实应力应变曲线

由图2可知：温度对AM60镁合金的高温流变行为影响显著，复合板的延伸率δ和峰值应力σ随温度变化而变化。从图2中不难发现，随着温度升高，复合板峰值应力表现出下降趋势。而延伸率则明显增大，固定应变速率为0.1 s-1，变形温度350 ℃时延伸率增加至8.5 %，相比于250 ℃的3.2 %提高了一倍，表明温度越高AM60镁合金塑性成型性能越高。这是由于高温激活了AM60镁合金非基面滑移系，参与滑移和交滑移的滑移系增多，从而增加复合板滑移系数量。

2.2 应变速率对流动应力的影响

2.3 应变速率敏感性指数

应变速率敏感性指数m的大小反应材料流变应力对应变速率的敏感性，指数m受多种因素影响，如：变形温度、变形速度等。指数m通过公式(1)求出：

σ=C×εm

(1)

式(1)中σ是流动应力，这里只研究峰值应力，ε是应变速率。同时取对数得： lnσ= lnC+mlnε

(2)

计算出lnσ和lnε的数值，对lnσ和lnε进行拟合，拟合曲线如图3所示，斜率即m值。应变速率敏感性指数m随温度升高而升高，250 ℃、300 ℃、350 ℃下分别是0.005 86、0.006 09、0.006 42，可见温度越高复合板延伸率越好，越有利于拉伸成型。

图3 lnσ-lnε拟合曲线

2.4 变形温度对断口形貌的影响

恒定应变速率为0.001 s-1，250～350 ℃变形温度区间的SPCC钢基体和AM60镁合金基体的拉伸断口形貌，如图4所示。

图时不同温度下SPCC钢基体和AM60镁合金基体的拉伸断口形貌

如图4(a)～(f)所示，随着变形温度升高，组元金属SPCC基体断口处韧窝呈现小而密集的趋势，而AM60镁合金基体的拉伸断口形貌特征由脆性断裂逐渐转变为韧性断裂。变形温度250 ℃时，AM60镁合金基体断口形貌出现解理平面，平面上呈河流花样，韧窝几乎不可见，此时AM60镁合金基体为脆性断裂；SPCC钢基体的断裂区域由韧窝和撕裂棱组成，其中部分韧窝包裹着第二相粒子，如图4(d)所示。撕裂棱上开始出现韧窝，同时部分区域出现零星几个孔洞，此时SPCC钢基体出现韧性断裂。变形温度提高到300 ℃时，SPCC钢基体以韧性断裂为主，韧窝细化并且数量增加，撕裂棱上出现更多细小密集的韧窝。同时，第二相粒子数目减少，部分离开韧窝暴露在外面，如图4(e)所示；AM60镁合金基体的断口形貌与250 ℃下区别不大，依然出现解理平面，表现出河流花样的特征，以脆性断裂为主。当变形温度进一步提高至350 ℃时，SPCC钢基体的拉伸断口几乎都是韧窝。韧窝继续在撕裂棱上进一步生长呈现出密集细小的状态，韧窝数量明显增多演变得最小深度最浅，同时，孔洞缩小，第二相粒子进一步减少,如图4(f)所示；AM60镁合金基体转变为韧性断裂，表现出韧性断裂形貌，开始出现撕裂棱和韧窝，推测是由于镁合金在350 ℃时发生了动态再结晶使部分晶粒细化。复合板中SPCC钢层厚比远大于AM60镁合金，且SPCC强度较大，复合板拉伸变形过程中SPCC占据主导地位。因此，可以认为SPCC/AM60/SPCC双金属复合板在250 ℃以上发生变形时整体以塑性变形为主，通过图2复合板的应力-应变曲线可以看出相同的规律。

2.5 应变速率对断口形貌的影响

始终选取250 ℃作为变形温度，不同应变速率下表征复合板的拉伸断口形貌，研究不同应变速率对SPCC/AM60/SPCC双金属复合板组元金属热变形的影响，表征结果如图5所示。0.1 s-1和0.01 s-1应变速率下的SPCC钢基体断口形貌进行对比，可以看出0.01 s-1应变速率下SPCC钢基体韧窝数量明显变多，撕裂棱上开始出现小型韧窝，应变速率0.1 s-1时，几乎没有小型韧窝沿撕裂棱出现。同时，两个应变速率下均出现了第二相粒子以及少量孔洞，如图5(a)和图5(b)所示。结合图4(d)，应变速率降至0.001 s-1时，对比0.01 s-1应变速率下SPCC钢基体的断口形貌可以发现，韧窝数量进一步增加，小型韧窝沿撕裂棱不断出现，韧窝变浅变小。AM60镁合金基体与应变速率关系不大，不同应变速率下均为脆性断裂。可以得出结论，变形温度250 ℃时，SPCC/AM60/SPCC双金属复合板整体韧窝数量随应变速率降低而增多，即应变速率越低成型性能越好。

图5 变形温度250 ℃时SPCC钢基体和AM60镁合金基体不同应变速率的断口形貌

2.6 变形温度对结合强度的影响

当应变速率为0.001 s-1时，不同变形温度下SPCC/AM60/SPCC双金属多层复合板断口形貌如图6所示。不同变形温度下复合板界面整体均表现出开裂的情况，没有良好的结合层。从图6(a)可以看出，变形温度250 ℃时，复合板界面分离最为严重，开裂现象明显，结合情况最差。变形温度提高至300 ℃时，复合板界面裂缝缩小，结合情况得到明显改善，断口呈撕裂状，如图6(b)所示。变形温度来到350 ℃时，界面结合情况进一步得到改善，裂缝几乎消失不见，界面结合状态最好，如图6(c)所示。当变形温度为250 ℃及以上变形时，复合板界面结合情况随变形温度变化而变化，温度提高界面分层现象减弱，裂缝减小。即，变形温度升高，复合板结合强度提高。

图时复合板不同温度的断口形貌

3结论

(1)同等应变速率下，延伸率随变形温度升高而升高，而峰值应力则降低。同等变形温度下，流变应力随应变速率增大而增大，而延伸率反之。

(2)计算出复合板不同应变速率下的应变速率敏感性指数m，且m值随温度增大表现出增大的趋势。

(3)复合板拉伸试样250 ℃及以上变形时发生颈缩现象，结合断口形貌，可以认为复合板在250 ℃及以上发生拉伸变形时以塑性变形为主。同时复合板结合情况随温度升高而改善，350 ℃时结合情况最好，应变速率越低成形性能越好。