拉伸條件下鎂合金第Ⅱ階段加工硬化
;張詩昌;張尚威;張長春;常慶明
（1．武漢科技大學材料與冶金學院；2．武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室）
摘要 在溫度為25～100℃，應變速率為3×10-2～3×10-3 S-l范圍內，對擠壓態(tài)A231鎂合金沿擠壓方向進行拉伸試驗，研究了第Ⅱ階段加工硬化產生的條件及機理。結果表明，溫度≤75℃，應變速率≥10-2 S-1，鎂合金出現第Ⅱ階段加工硬化，其加工硬化率為2 400～2 650 MPa。產生第Ⅱ階段加工硬化的主要原因是，低溫、高應變速率拉伸時，屈服應力升高，鎂合金發(fā)生屈服時的初始位錯密度及位錯密度累積速率增加。當初始位錯密度≥4. 62×10 16m-2時，鎂合金出現第Ⅱ階段加工硬化。
; 加工硬化第Ⅱ階段的一個顯著特征是具有較高的加工硬化率，在某一給定的變形條件下，加工硬化率為一確定常數。由于第Ⅱ階段加工硬化與位錯交互作用有關，因此產生第Ⅱ階段加工硬化需要具備一定的條件。WU H Y等研究了A231B-H24鎂合金熱軋薄板的加工硬化行為，發(fā)現室溫拉伸且當應變速率高于4×10-3 S-I時，鎂合金出現第Ⅱ階段加工硬化，但當拉伸溫度達到250口C時，第Ⅱ階段加工硬化消失。對于在室溫到250℃之間拉伸變形時，鎂合金是否發(fā)生加工硬化第Ⅱ階段，以及第Ⅱ階段加工硬化的產生條件，未見相關報道。本課題主要研究了擠壓態(tài)A231鎂合金拉伸變形時產生加工硬化第Ⅱ階段的變形溫度及應變速率范圍，探討鎂合金發(fā)生第Ⅱ階段加工硬化的主要原因。
1 試驗方法
; 拉伸試樣由A231鎂合金擠壓棒加工而成，試樣的拉伸軸與擠壓棒的擠壓方向平行。為了避免織構對拉伸試驗結果產生影響，所有試樣均沿同一方向截取。試樣的標距尺寸為φ5 mm×15 mm，其主要化學成分（質量分數，下同）：Al為2.75%，Zn為0.99%，Mn為0. 46%，Si、Fe、Cu微量，其余為Mg。金相組織為單一a-Mg固溶體，平均晶粒尺寸為25μm。拉伸試驗在GWTA304高溫拉伸試驗機上進行，該試驗機的爐腔均熱帶長度為150 mm，試驗溫度的誤差為±2℃。為了保證試驗溫度均勻，先將試樣升至試驗溫度，然后保溫15 min。試驗溫度分別為25、75和100℃，初始應變速率為10-4～3×10-2 S-1。
2 試驗結果與分析
2.1 A231鎂合金拉伸應力一應變曲線
; 在溫度為25℃，應變速率ε分別為3×10-2、1×10 -2以及3×10-3 S-1時，A231鎂合金拉伸應力一應變曲線見圖1�？梢钥闯�，當ε≥10-2 s-1時，彈性變形后進入塑性變形階段，應力一應變曲線上出現了一段直線，該直線段對應的應變量≤1. 5%，也就是在塑性變形量≤1. 5%范圍內，產生了第Ⅱ階段加工硬化。而當ε=3×10-3 S-l時直線段消失。圖2和圖3分別為75℃和100℃拉伸時，鎂合金的應力一應變曲線�？梢钥闯觯�75℃，ε=3×10-2 S-1時，應力一應變曲線上也出現了直線段，而100℃拉伸時，應力一應變曲線沒有直線段，這表明，當應變速率ε≤3×10-2 S-1拉伸時，A231鎂合金不會出現第二階段加工硬化。
2.2; A231鎂合金加工硬化率曲線
; 根據加工硬化率的定義：
式中，θ為加工硬化率；σ、ε分別為應力、應變。得到各試驗條件下的加工硬化率，繪制出θ- (σ-σ0.2)曲線，見圖4。
; 從圖4中可以看出，在25℃，ε≥1×10-2 S-l時，（σ-σ0.2）≤10～13 MPa范圍內，A231鎂合金表現為明顯的第Ⅱ階段加工硬化，其加工硬化率θπ =2 550～2 650 MPa；在75℃，應變速率為3×10-2 S-1時，（盯 -σ0.2）=10 MPa范圍內出現第Ⅱ階段加工硬化，且θⅡ一2 400 MPa；100℃拉伸時不出現第Ⅱ階段加工硬化。
3 分析與討論
; 由上述試驗結果可知，溫度及應變速率是影響第Ⅱ階段加工硬化的主要因素，溫度較低，應變速率較高時，A231鎂合金出現了第Ⅱ階段加工硬化。根據試驗結果得到A231鎂合金拉伸時出現第Ⅱ階段加工硬化的溫度及應變速率范圍，見圖5。圖5中陰影部分為第Ⅱ階段加工硬化的變形條件。
; 產生第Ⅱ階段加工硬化的根本原因是位錯密度的急劇增高。為了進一步分析產生第Ⅱ階段加工硬化時A231鎂合金位錯密度的變化，流變應力和位錯密度的關系式：
式中，a為流變應力，MPa；μ為剪切模量，15.8×103MPa;p為位錯密度，m-2；a為材料常數，取0. 2;b為柏氏矢量，b=3. 21×l0-10。
; 根據式(2)，由材料的屈服應力σ0.2計算得到對應的初始位錯密度p0.2，將式(2)變形為
式中，dp/ dt為位錯的累積速率。
; A231鎂合金拉伸時屈服應力σ0.2與峰值應力σp見圖6。
; 從圖6中可以看出，室溫下(25℃)，應變速率對鎂合金的峰值應力影響不大，峰值應力在270 MPa左右。但應變速率對屈服應力的影響較大，隨著應變速率的增加，屈服應力增加。溫度對峰值應力和屈服應力均有較大影響。
; 將屈服應力代入式(2)，得到鎂合金開始塑性變形時的初始位錯密度P0.2與溫度及應變速率的關系見圖7�？梢钥闯�，隨著溫度的升高和應變速率的降低，A231鎂合金的位錯密度減小，25℃時，出現第Ⅱ階段加工硬化的初始位錯密度P0.2 =4.7×10 16m-2，75℃時，出現第Ⅱ階段加工硬化的初始位錯密度P0.2-4. 62×l016 m-2。
; 根據式(3)，得到A231鎂合金位錯密度的累積速率與溫度及應變速率的關系，見圖8。由圖8可知，隨著溫度升高和應變速率降低，A231鎂合金的位錯密度累積速率減小，在25℃時，出現第Ⅱ階段加工硬化的位錯密度累積速率dp／dt=1.09×l016m-2·s-1，在75℃時，出現第Ⅱ階段加工硬化的位錯密度累積速率dp/dt=3.05×l016 m-2·S-l。隨著溫度升高，鎂合金產生回復，導致位錯湮滅，因此需要更高的位錯累積速率，才能保證出現第Ⅱ階段加工硬化所需要的位錯密度。
4 結 論
; (1)溫度為25℃，應變速率≥1×10 -2以及溫度為75℃，應變速率為3×10-2 S-l拉伸時A231鎂合金應力一應變曲線出現第Ⅱ階段加工硬化，其加工硬化率為2 400～2 650 MPa。
; (2)低溫、高應變速率拉伸時，鎂合金的屈服應力增加，產生屈服變形時的初始位錯密度以及位錯密度累積速率增加，當初始位錯密度p0.2≥4. 62×l016 m-2時，鎂合金出現第Ⅱ階段加工硬化。
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