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攪拌摩擦加工處理對A231鎂合金高應(yīng)變率變形行為的影響

2016-02-20 10:46:29 安裝信息網(wǎng)

韓若冰，沙桂英，黃高仁，劉禹含，于爽

（沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽1 10136）

摘要：對15 fnm厚熱軋態(tài)A231鎂合金板進行攪拌摩擦加工處理，進給速度V=400 mm/min，攪拌針旋轉(zhuǎn)速度U=600 r/min~1 400 r/min。利用Hopkinson壓桿測試裝置對不同狀態(tài)的A231鎂合金進行了高應(yīng)變率沖擊試驗，分析了攪拌摩擦加TT藝對該合金動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變行為及其應(yīng)變率效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在高應(yīng)變率沖擊條件下，攪拌摩擦加工后的A231鎂合金的動態(tài)屈服強度提高。V=400 mm/min、U=600 r/min攪拌摩擦加工工藝處理的A231鎂合金獲得了最好的沖擊變形抗力，且攪拌摩擦加工處理后A231鎂合金的動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變行為對應(yīng)變率不敏感。品粒細化是提高合金抗沖擊變形能力的主導(dǎo)因素。

關(guān)鍵詞：A231鎂合金；攪拌摩擦加T；晶粒細化；應(yīng)變率

攪拌摩擦加工( Friction stir processing，F(xiàn)SP)是一種新型固相加工技術(shù)，能有效改善鎂、鋁合金的顯微組織，提高其性能。Wang等人對鑄態(tài)A231鎂合金進行攪拌摩擦加工處理后，實現(xiàn)了合金微觀組織的均勻化、細化和致密化，伸長率、疲勞強度和抗拉強度較鑄態(tài)合金的也均有明顯提高。Mohan等人利用FSP處理技術(shù)制備出了超細晶鎂合金，晶粒的平均尺寸不超過1um，并且獲得了良好的超塑性變形能力。Zhang等人對熱軋態(tài)A231鎂合金進行攪拌摩擦加工處理后，合金的平均晶粒尺寸由原來的92.0um細化至11.4um，并且在470℃、Sx10-4 s-應(yīng)變率條件下表現(xiàn)出超塑性，伸長率達1050%。沙桂英等人對經(jīng)不同工藝攪拌摩擦加工處理后的Mg-2. 67 % Nd-0.5 % Zn-0.5%Zr合金進行了沖擊試驗，結(jié)果表明FSP處理可顯著降低合金動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變行為的應(yīng)變率敏感性。總結(jié)現(xiàn)有研究，雖然國內(nèi)外在攪拌摩擦加工處理對變形鎂合金的微觀組織、常規(guī)力學(xué)性能和超塑性變形行為等方面進行了較為深入的研究，但對經(jīng)FSP處理后的鎂合金在高應(yīng)變率下沖擊變形行為的研究則相對不足。

本試驗對熱軋態(tài)A231鎂合金進行FSP處理，利用Hopkinson壓桿測試技術(shù)對其進行了高應(yīng)變率沖擊壓縮試驗，研究了FSP處理工藝對A231鎂合金在高應(yīng)變率下的變形行為，并探討了相關(guān)影響機制。

1 試驗材料與方法

本試驗所選用的材料為熱軋態(tài)商用A231鎂合金，板材尺寸為90 mm×65 mm×15 mm。FSP處理在FSW-RT31-003型攪拌摩擦焊機上進行，采用M8柱形螺紋攪拌針，針長7.2 mm，攪拌頭軸肩為圓臺內(nèi)凹型，直徑20 mm，下壓量為0.3 mm。采用Hop-kinson壓桿裝置進行沖擊試驗，沖擊試樣尺寸為φ6mm x7 mm，沖擊方向平行于FSP進給方向。采用Matlab和Origin軟件對試驗所得數(shù)據(jù)進行處理，獲得不同狀態(tài)A231鎂合金在不同應(yīng)變率條件下的動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變曲線。對于FSP處理后的試樣，選取進給方向的橫截面，對于沖擊后的試樣，沿沖擊方向?qū)⒃嚇幼灾行钠书_，選取縱截面，利用GX71型Olym-pus金相顯微鏡觀察沖擊變形前后A231鎂合金的顯微組織。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同狀態(tài)A231鎂合金的顯微組織

進給速度V= 400 mm/min時，攪拌針旋轉(zhuǎn)速度對A231鎂合金顯微組織的影響如圖1所示。

表1給出了不同攪拌針旋轉(zhuǎn)速度加工后A231鎂合金的平均晶粒尺寸�？梢钥闯�，熱軋后A231鎂合金的晶�；境实容S狀，但晶粒尺寸不是很均勻，平均晶粒尺寸約為20.3um。從圖1b～e和表1中可以看出，在攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)下，由于大變形和摩擦產(chǎn)生高溫的共同作用，A231鎂合金攪拌區(qū)內(nèi)的組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，并且在進給速度為400 mm/min條件下，攪拌區(qū)獲得的晶粒的平均尺寸隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加而逐漸增大。這主要是由隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加，摩擦產(chǎn)生的熱量增多，加快了晶粒長大的速度。當攪拌針旋轉(zhuǎn)速度不高于1 000 r/min時，F(xiàn)SP處理后，攪拌區(qū)呈j為均勻的等軸再結(jié)晶組織，且與母材相比，晶粒尺寸得到了顯著細化，平均晶粒尺寸小于10 um。但當攪拌針旋轉(zhuǎn)速度提高到1 400 r/min時，晶粒尺寸明顯粗化，平均晶粒尺寸大于母材的。

2.2 不同狀態(tài)A231鎂合金高應(yīng)變率下的動態(tài)應(yīng)力。應(yīng)變行為

圖2為熱軋態(tài)商用A231鎂合金在不同應(yīng)變率條件下的動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變曲線。

由圖2可以看出，在應(yīng)變率為1 300 s-l～1 500s-范圍內(nèi)，熱軋態(tài)A231鎂合金的動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變曲線隨著應(yīng)變率的提高略有上升，表現(xiàn)為正應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變率繼續(xù)提高至1 700 S-I時，動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變曲線沒有繼續(xù)上升，反而有所降低，表現(xiàn)為負應(yīng)變率效應(yīng)。

不同工藝FSP處理后A231鎂合金在不同應(yīng)變率條件下的動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖4為不同狀態(tài)A231鎂合金的動態(tài)屈服強度隨應(yīng)變率的變化�？梢钥闯觯�(jīng)攪拌摩擦加工處理后，在不同應(yīng)變率下的沖擊變形后期，A231鎂合金動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的斜率雖然較熱軋態(tài)有所減小，但合金的動態(tài)屈服強度均有了明顯的提高，且斷裂應(yīng)變沒有減小。在同一應(yīng)變率條件下，隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加，動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下降趨勢，合金的動態(tài)屈服強度也明顯降低。相比之下，進給速度為400 mm/min，攪拌針旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min工藝處理的合金抗沖擊變形能力最好。

圖5為一定轉(zhuǎn)速下FSP處理后A231鎂合金動態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變行為隨應(yīng)變率的變化�？梢钥闯�，在確定的工藝攪拌摩擦加工處理后，經(jīng)1 300 S-l—1 700s一應(yīng)變率高速沖擊后，合金的應(yīng)力，應(yīng)變行為均表現(xiàn)出對應(yīng)變率變化不敏感的特性。

2.3不同狀態(tài)A231鎂合金在不同應(yīng)變率下沖擊變形后的顯微組織

熱軋態(tài)A231鎂合金在不同應(yīng)變率下沖擊后的顯微組織如圖6所示。圖中水平方向為沖擊加載方向�？梢钥闯�，在沖擊載荷作用下，隨著應(yīng)變率的增加，熱軋態(tài)A231鎂合金晶粒均發(fā)生了不同程度的變形但不是很明顯。鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，對稱性較低，其非基面滑移的剪切應(yīng)力要遠遠大于其基面滑移的剪切應(yīng)力。雖然基面滑移比較容易進行，但在高速沖擊變形時，由于變形速率極快，滑移來不及充分進行，孿生則成為一種塑性變形機制來協(xié)調(diào)變形。在1 300 S-I—1 700 S-l應(yīng)變率范圍內(nèi)，合金組織內(nèi)產(chǎn)生了一些鍥形或竹葉狀細小的孿晶，且隨著應(yīng)變率的增加，孿晶的數(shù)量也有所增加。在17 00 s-1應(yīng)變率條件下，原始態(tài)合金中有裂紋產(chǎn)生，裂紋擴展方向與沖擊方向約呈450。

圖7為不同工藝FSP處理態(tài)A231鎂合金在不同應(yīng)變率沖擊后的顯微組織�？梢钥闯�，在沖擊載荷作用下，原來的等軸晶組織發(fā)生不同程度的變形。從圖中a~c可以看出，隨著應(yīng)變速率的變化，合金組織中孿晶的數(shù)量變化并不是非常明顯。這與攪拌摩擦加工后A231鎂合金沖擊變形行為對應(yīng)變率不敏感的特性有關(guān)。但在一定的進給速度情況下，隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加，組織中孿晶的數(shù)量有所增多。此外，還發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦加工后，孿生更容易發(fā)生在粗晶內(nèi)部，這主要是由于晶粒粗大，位錯的滑移程較長，不容易發(fā)生晶界的滑動或轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象而促進孿生。如前描述，在一定的進給速度情況下，隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加，攪拌區(qū)晶粒尺寸不斷粗化，雖然高應(yīng)變率沖擊后組織中產(chǎn)生孿晶的數(shù)量有所增加，且這些孿晶界的形成相當于細化了晶粒，通過Hall-Petch效應(yīng)使材料強度提高。但是，對于經(jīng)FSP處理后的A231鎂合金來說，晶粒細化引起合金抗沖擊變形能力的提高仍占主導(dǎo)地位。因此，進給速度V= 400 mm/min，攪拌針旋轉(zhuǎn)速度U= 600 r/min的FSP處理使A231鎂合金的抗沖擊變形能力提高最顯著。