轧制镁合金板材超塑性变形时的空洞损伤行为.pdf

第5 8 卷第4 期 2 0 06 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 。N o ．4 N o v e m b e r2 0 0 6 轧制镁合金板材超塑性变形时的空洞损伤行为 宋美娟1 ，一，王智祥2 ，汪凌云1 ，向毅2 1 ．重庆大学材料科学与工程学院，重庆4 0 0 0 4 4 ；2 ．重庆科技学院，重庆4 0 0 0 5 0 摘 要通过扫描电镜观察、定量分析和数学模型，研究热轧A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形过程中的空洞损伤演化行为。 轧制A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形时产生空洞化现象，空洞形核于晶界处，尤其是在三又交界处。空洞不断长大、连接是引起材 料断裂的原因。空洞出现连接或聚合的同时，存在二次空洞的形核和长大。得出了A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形损伤材料特征 参数和损伤变量临界值，为镁合金板材超塑性变形失稳、成形极限理论预测和成型工艺参数优化提供了依据。 ’ 关键词金属材料；A Z 3 1 B 镁合金；超塑性；损伤 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G l l 3 ．2 5 ；T G 3 3 5 ．5 5文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 4 0 0 0 1 0 4 镁具有的密排六方晶格结构使得镁合金室温塑 性差，难以塑性加工，所以其在特定组织结构、变形 温度和速度条件下的超塑性研究受到国内外广泛关 注【1 ～1 。超塑性成形为解决难变形和成形形状复 杂问题提供了有效手段，同时可以简化加工工艺，降 低模具加工费和生产成本。然而超塑性变形伴随着 空洞的形核、长大，继而发生空洞的聚合或连接，最 终导致材料断裂，因此，为了预测镁合金板材超塑性 变形失稳，优化镁合金板材成型工艺参数，对镁合金 变形过程中空洞损伤演变规律进行定量研究具有实 际意义。 目前，镁合金超塑性变形损伤研究报道很少， D ．H ．B a e 等【5J 通过铝合金高温超塑性拉伸试验，研 究了铝合金超塑性变形过程中，空洞形核和早期长 大的细观机制，给出空洞长大的数学模型； K ．K ．C h o w 等L 6J 对粗晶A 1 5 0 5 2 铝合金高温超塑性 变形空洞演化进行了试验研究。文献[ 7 ] 的作者基 于L e m a i t r e 等人在不可逆热力学框架内建立的连 续损伤力学模型，以铝合金L Y l 2 C Z 板材为例给出 了超塑性变形损伤演化方程，这方面的研究正在引 起材料和力学研究工作者的关注旧_ 1 1 J 。 通过超塑性拉伸试验，研究了A Z 3 1 B 镁合金板 材超塑性变形过程中的空洞损伤演化行为，建立相 关的空洞长大数学模型，给出A Z 3 1 B 镁合金板材超 收稿日期2 0 0 5 0 5 1 1 基金项目重庆市自然科学基金资助项目 8 4 1 3 作者简介宋美娟 1 9 6 3 一 ，女，武汉市人，副教授，博士生，主要从 事材料成型数值模拟、轻合金加工技术、金属塑性成形 过程中的失稳与损伤等方面的研究。 塑性变形损伤材料特征参数和损伤变量临界值，旨 在为镁合金板材成型工艺参数优化提供依据，为进 一步研究镁合金板材超塑性变形失稳和成形极限理 论预测奠定基础。 1实验方法 试验用材料为工业态轧制A Z 3 1 B 镁合金板材， 化学成分 训／％ 为A 12 ．9 2 ，Z n1 ．0 1 ，M n0 ．3 4 ，余 量M g 。从轧制A Z 3 1 B 镁合金薄板上沿着平行于轧 制方向切取超塑性拉伸试样，其标距部分尺寸为 1 ．5 m m 6 m m 1 5 m m 。图1 为A Z 3 1 B 镁合金板材 拉伸试样的原始组织，平均晶粒尺寸约为1 7 ．5 肚m 。 图1A Z 3 1 B 镁合金试样原始组织 F i g ．1 I n i t i a lm i c r o s t r u c t u r eo ft h eA Z 3 1t e n s i l es p e c l ’m e n 超塑性拉伸试验在H T 一9 1 0 2 电脑伺服控制材料试 验机上进行，加热装置为三段温控电阻炉，温控误差 为1 K ，试验在空气中进行。试验温度分别为 6 7 3 K 和7 6 3 K ，相应的应变速率为3 ．3 1 0 叫和1 1 0 - 3 S 一。采用X L 3 0 一T M P 扫描电镜对拉伸后试样 及超塑性变形各阶段试样轴剖面的空洞进行观察， 并用自编的“空洞识别图像分析软件”对空洞体积分 万方数据 2有 色金属 第5 8 卷 数和空洞半径进行定量分析。 2 试验结果及分析‘ 2 ．1 超塑性变形时空洞的形核与扩展 2 。1 ．1 空洞的形成。由图 1 可见，轧制A Z 3 1 B 镁 合金板材拉伸试样的原始组织无明显空洞，随着变 形程度的增加空洞形核于晶界处。图2 所示为在应 变速率为1 1 0 - 3 S 一，变形温度为7 2 3 K 的变形条 件下，真应变￡ 0 ．5 9 时合金的组织。由图2 可见， 空洞位于晶界处，尤其是在三叉交界的位置，这是由 图27 2 3 K 和1X1 0 - 3 S _ 1 条件下试样 于超塑性变形的主要机制为晶界滑动，在晶界滑动 变形到￡ O ．5 9 的组织 时所产生的局部应力集中，虽然可借助扩散和位错 F i g 2M i c r o s t r u e t u r eo fs p e c i m e na t ￡2 0 5 9 运动来协调，但如果晶界滑动速度超过了协调速度， u n d e r7 2 3 Ka n d1 1 0 ～s 1 则导致空洞在三叉交界处形核。 晨的空洞之间相互发生连接，空洞连接开始沿拉伸 2 ．1 ．2 空洞的扩展与连接。在上述变形条件下的 轴方向，然后沿垂直于拉伸轴方向，同时存在二次空 超塑性变形过程中‘，形核初期空洞较小，其长大主要 洞形核和扩展，并且变形量越大空洞化越严重。 是通过扩散长大机制实现，如图3 a 所示。随着变 2 2 A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形时空洞长大数 形程度的增加，空洞长大的机制转化为由基体超塑 字模型 性变形控制的机制，表现出空洞沿拉伸轴方向被拉 为了定量研究镁合金板材超塑性变形条件下空 长且开始连接现象，如图3 b ／i r 示，此时真应变为 洞生长和连接规律，对拉伸试样的空洞体积分数和空 0 ．7 3 。当真应变增大到0 ．9 6 时，如图3 c 所示，扩 洞半径进行了测量。在应变速率分别为1 1 0 - 3 S - 1 图3 试样在7 2 3 K 和1 1 0 - 3 S - 1 条件下变形时最小截面‘ 附近轴‘剖面空洞的S E M 像 拉伸轴为水平方向 F i g ．3S E Mm i c r o g r a p hs h o w i n gl o n g i t u d i n a ls e c t i o no ft e n s i l es p e c i m e nd e f o r m e da t7 2 3 Ka n d1X1 0 3 S 一1 量 嚣 婴 州 真应变，％ 图4 超塑性变形中空洞半径与真应变的关系 F i g ．4 R a d i u so fc a v i t i e sa saf u n c t i o no ft r u e s t r a i nd u r i n gs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o n 和3 ．3X1 0 - 4 S _ 。，变形温度相应为7 2 3 K 和6 7 3 K 的条件下，试样经不同程度变形以后，在标距内的中 段或缩颈 断裂 处附近取样，用扫描电镜对超塑性 变形各阶段试样轴剖面的空洞进行观察，取5 个视 域进行测量，采用“空洞识别图像分析软件”算出空 洞体积分数和空洞半径，取平均值进行定量分析。 图4 为轧制A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形过 程中空洞半径和拉伸方向真应变之间的关系曲线， 随着真应变的增加，空洞半径开始增长较缓慢，接近 后期增长迅速，明显呈指数变化规律。根据R i c e ． T r a c e y 提出的空洞半径 r 长大模型，将空洞半径 万方数据 第4 期宋美娟等轧制镁合金板材超塑性变形时的空洞损伤行为3 r 和真应变 e 的定量关系用式 1 表示，对式 1 积分可得式 2 。式中刁为空洞体积扩张系数，其 值与合金种类、超塑性应变速率敏感性指数m 以及 应力三轴度有关，￡。为空洞形核等效应变，r 。为初 始空洞半径。 d r ／r r ／d e 1 r r o e x p [ 叩 ￡一e o ] 2 采用G a u s s - N e w t o n 法对超塑性变形空洞半径 与真应变的关系曲线进行非线性回归分析，得到两 种变形条件下A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形空洞 损伤特性参数r 0 和1 ／的值如表1 所示。 i 2 ．3 超塑性变形时损伤演化方程 大量研究表明，损伤变量D 越大，损伤应变能 释放率y 的绝对值也越大。在材料及损伤均为各 向同性的情况下，L e m a i t r e 从试验出发，假设了损伤 演化方程的形式，见式 3 ，式中S 和口为与材料和 变形条件有关的常数。 D 7 y ／S 9 声7 3 文献[ 7 ] 将损伤应变能释放率y 与损伤变量D 之间的关系表示为式 4 ，式中仃。为平均应力；％ 为宏观等效应力；仃7 为基体材料等效应力；A 、B 和 r ，为与材料和变形条件有关的常数。 Y A e x p 勘。／吼 D d d 7 4 根据L e r n a i t r e 有效应力的概念，超塑性变形过 程中有效等效应力 基体材料等效应力 可表示为式 5 ，式中P 为累积超塑性应变；p7 为超塑性应变速 率；m 为应变速率敏感性指数；扎 为应变强化指数； K 为材料常数。 盯7 K p ～P ” 5 经推导，文献[ 7 ] 给出了金属超塑性变形时的损 伤演化方程积分式，见式 6 ，式中D 为损伤变量， D 0 时，材料无损伤；当D D 。时 珥损伤变量 临界值 ，材料破坏；B 。和B l 为与材料和变形条件 有关的特征常数，只要在单向拉伸试验时确定了材 料特性常数B o 和B 1 ，就可以确定在任意加载路径 下超塑性变形后的损伤变量D 值。 。 r D B o [ | e x p 盯。／e r e d p ] B I 6 在比例加载时，应变比P o 为常数，应力三轴度d 。／ ％可表示为式 7 ，式中R 为厚向异性指数。 叮。／a e 1 l D o ／{ [ 3 1 R ／2 2 R 1 1 ／2 ] [ 1 2 R p o ／ 1 R 』D 0 2 ] 1 应} 7 故口。／a e 常数，设P D 为累积塑性应变门槛 值，即P P D 值，D 0 ，由 6 式积分可得式 8 。 D c B o [ e x p ％他 ] 肌 P i 一加 B 1 8 在单向拉伸时，d ，。／吼 1 ／3 ，设e r 为单向拉伸 破坏时的塑性应变，￡D 为单向拉伸时的应变门槛 值，则式 8 成为式 9 ，D ，为损伤变量临界值。 D 。 B o [ e x p 1 ／3 ] B 1 ￡，一e D B 1 9 2 ．4A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性损伤演化方程材料 特征常数确定 依据超塑性变形的实际情况，一般选用空洞体 积分数 厶 作为超’塑性变形损伤变量测定值， A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性损伤材料特征常数 B o 和 B 1 可以通过单向拉伸试验确定。 设P D 0 ，对式 8 两边取对数，并用空洞体积 分数L 作为超塑性变形损伤变量，则有式 1 0 ，式 中B l n B o B 1 d 。／％。 l n 二 B B l l n p ；l n f ， B B l I n e 1 0 由 1 0 式可以看出，B 】为1 n 兀～l n e 直线的斜 率，B 为该直线1 n ．凡轴的截距，利用单向拉伸试验 获得的空洞体积分数和真应变实测数据，可得上述 试验条件下的A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性损伤材料 特征常数B o 和B 1 值，然后由 9 式计算出损伤变 量临界值D c 。两种热力学条件下轧制A Z 3 1 B 镁合 金板材超塑性变形损伤特征参数见表1 。 表1A Z 3 1 B 镁合金超塑性变形损伤特征参数 T a b l e1C h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fA Z 3 1 Bm a g n e s i u m a l l o yd u r i n gs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o n 3结论 轧制A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形时产生空 洞化现象，空洞形核于晶界处，尤其是在三叉交界 处；空洞不断长大、连接是引起材料断裂的原因；空 洞出现连接或聚合的同时，存在二次空洞的形核和 长大。得出的A Z 3 1 B 镁合金板材超塑性变形损伤 材料特征参数和损伤变量临界值，为进一步研究镁 合金板材超塑性变形失稳和成形极限理论预测奠定 了基础，同时为镁合金板材成型工艺参数优化提供 了依据。 万方数据 4 有色金属第5 8 卷 参考文献 ～ [ 1 ] 陈培生，孙扬善，蒋建清，等．S i C ／M B 2 复合材料高应变速率超塑性变形的空洞行为[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 2 ，1 2 1 1 4 0 1 4 4 ． [ 2 ] 宋美娟，汪凌云，王智祥，等．热轧A Z 3 1 B 镁合金板材超塑成形性能研究[ J ] ．金属成形工艺，2 0 0 4 ，2 2 3 5 0 5 2 ． [ 3 ] M o h r iT ，M a b u c h iM ，N a k a m u r aM ，e ta 1 ．M i e r o s t r u c t u r a le v o l u t i o na n ds u p e r p l a s t i c i t yo fr o l l e dM g 一9 A I 一1 Z n [ J ] ．M a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ， A 2 9 0 1 3 9 1 4 4 ． [ 4 ] W a t a n a bH e ，T s u t s uH i ，M u k a iT ，e ta 1 ．D e k ，r m a t i o nm e c h a n i s mi nac o a r s e g r a i n e dM g A 1 Z na l l o ya te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP l a s t i c i t y ，2 0 0 1 ，1 7 3 8 7 3 9 7 ． [ 5 ] B a eDH ，G h o s hAK ．C a v i t yf o r m a t i o na n de a r l yg r o w t hi nas u p e r p l a s t i eA I M ga l l o y [ J ] ．A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 2 ，5 0 5 1 1 5 2 3 ． [ 6 ] C h o wKK ，C h a nKC ．E f f e c to fs t r e s ss t a t eo nc a v i t a t i o na n dh o tf o r m i n gl i m i t so fac o a r s e - g r a i n e dA 1 5 0 5 2a l l o y [ J ] ．M a t e r i a l s L e t t e r s ，2 0 0 2 ，5 2 6 2 6 8 ． [ 7 ] 吴诗悖．金属超塑性变形理论[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 9 7 1 6 5 1 7 2 ． [ 8 ] k h a l e e lMA ，Z b i bHM ，N y b e r gEA ．C o n s t i t u t i v em o d e l i n go fd e f o r m a t i o na n dd a m a g ei ns u p e r p l a s t i cm a t e r i a l s 【J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fP l a s t i c i t y ，2 0 0 1 ，1 7 2 7 7 2 9 6 ． [ 9 ] T a y l o rMB ，Z b i bHM ，k h a l e e lMA ．D a m a g ea n ds i z ee f f e c td u r i n gs u p e r p l a s t i ed e f o r m a t i o n [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH a s t i c i t y ，2 0 0 2 ，1 8 4 1 5 4 4 2 [ 1 0 ] Y a s u d aHY ，H i r a g aK ．C a v i t yd a m a g ea c c u m u l a t i o na n df r a c t u r ei ns i C h d o p e dz i r c o n i ad u r i n gs u p e r p l a s t i ed e f o r m a t i o n [ J ] ． M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ， A 2 3 4 2 3 6 3 4 3 3 4 6 ． [ 1 1 ] 胡平，李运兴，陈塑寰．超塑性材料约束胀形中的空洞损伤与变形局部化[ J ] ．力学学报，1 9 9 5 ，2 7 2 2 2 6 2 2 3 1 ． [ 1 2 ] 余寿文，冯西桥．损伤力学[ M ] ．北京清华大学出版社，1 9 9 7 4 7 5 8 ． C a v i t yD a m a g eE v o l v e m e n to fM a g n e s i u mA l l o yS h e e tD u r i n gS u p e r p l a s t i eD e f o r m a t i o n S O N GM e i - j u a n l 一，W A N GZ h i - x i a n 9 2 ，W A N GL i n g - y u n l ，X I A N GY i 2 1 ．C o l l e g eo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 ．C h o n g q i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a e t T h ec a v i t yd a m a g ee v o l v e m e n to fh o t r o l l e dA Z 3 1 Bm a g n e s i u ma l l o ys h e e td u r i n gs u p e r p l a s t i c a ld e f o r m a t i o n i si n v e s t i g a t e db yS E Mo b s e r v a t i o n , q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ．T h ec a v i t yh a p p e n sw h i l et h eh o t r o l l e dA Z 31 Bm a g n e s i u ma l l o ys h e e ti ss u p e r p l a s t i c a l l yd e f o r m e d ，a n dt h ec a v i t ys t a r t so nt h eg r a i nb o u n d a r y ， e s p e c i a l l yo nt h et r i g r a i nb o u n d a r y ．T h ec o n t i n u o u s l yg r o w i n ga n dl i n k i n go ft h ec a v i t i e si st h er e a s o no ft h e m a t e r i a ld a m a g e ．T h es e c o n d a r yn u c l e u sf o r m a t i o na n dg r o w t ho ft h ec a v i t yi se o m p a n i e dw i t ht h el i n k i n ga n d c o n n e c t i n g ．T h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fd a m a g ee v o l v e m e n ta n dc r i t i c a lv a l u eo fd a m a g ev a r i a b l e s a r e a c h i e v e df r o mt h ee x p e r i m e n t s ，a n dt h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n df o rt h ep r o s p e c to fs u p e r p l a s t i c a ld e f o r m a t i o ni n s t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o nt h e o r e t i c a ll i m i ta n do p t i m i z e dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fm a g n e s i u ma U o ys h e e tf o r m i n gi s p r o v i d e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A Z 3 1 Bm a g n e s i u ma l l o y ；s u p e r p l a s t i c i t y ；d a m a g e 万方数据