搅拌摩擦加工处理对A231镁合金高应变率变形行为的影响

韩若冰，沙桂英，黄高仁，刘禹含，于爽

（沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳1 10136）

摘要：对15 fnm厚热轧态A231镁合金板进行搅拌摩擦加工处理，进给速度V=400 mm/min，搅拌针旋转速度U=600 r/min~1 400 r/min。利用Hopkinson压杆测试装置对不同状态的A231镁合金进行了高应变率冲击试验，分析了搅拌摩擦加TT艺对该合金动态应力一应变行为及其应变率效应的影响。结果表明，在高应变率冲击条件下，搅拌摩擦加工后的A231镁合金的动态屈服强度提高。V=400 mm/min、U=600 r/min搅拌摩擦加工工艺处理的A231镁合金获得了最好的冲击变形抗力，且搅拌摩擦加工处理后A231镁合金的动态应力一应变行为对应变率不敏感。品粒细化是提高合金抗冲击变形能力的主导因素。

关键词：A231镁合金；搅拌摩擦加T；晶粒细化；应变率

  搅拌摩擦加工( Friction stir processing，FSP)是一种新型固相加工技术，能有效改善镁、铝合金的显微组织，提高其性能。Wang等人对铸态A231镁合金进行搅拌摩擦加工处理后，实现了合金微观组织的均匀化、细化和致密化，伸长率、疲劳强度和抗拉强度较铸态合金的也均有明显提高。Mohan等人利用FSP处理技术制备出了超细晶镁合金，晶粒的平均尺寸不超过1um，并且获得了良好的超塑性变形能力。Zhang等人对热轧态A231镁合金进行搅拌摩擦加工处理后，合金的平均晶粒尺寸由原来的92.0um细化至11.4um，并且在470℃、Sx10-4 s-应变率条件下表现出超塑性，伸长率达1050%。沙桂英等人对经不同工艺搅拌摩擦加工处理后的Mg-2. 67 % Nd-0.5 % Zn-0.5%Zr合金进行了冲击试验，结果表明FSP处理可显著降低合金动态应力一应变行为的应变率敏感性。总结现有研究，虽然国内外在搅拌摩擦加工处理对变形镁合金的微观组织、常规力学性能和超塑性变形行为等方面进行了较为深入的研究，但对经FSP处理后的镁合金在高应变率下冲击变形行为的研究则相对不足。

  本试验对热轧态A231镁合金进行FSP处理，利用Hopkinson压杆测试技术对其进行了高应变率冲击压缩试验，研究了FSP处理工艺对A231镁合金在高应变率下的变形行为，并探讨了相关影响机制。

1 试验材料与方法

  本试验所选用的材料为热轧态商用A231镁合金，板材尺寸为90 mm×65 mm×15 mm。FSP处理在FSW-RT31-003型搅拌摩擦焊机上进行，采用M8柱形螺纹搅拌针，针长7.2 mm，搅拌头轴肩为圆台内凹型，直径20 mm，下压量为0.3 mm。采用Hop-kinson压杆装置进行冲击试验，冲击试样尺寸为φ6mm x7 mm，冲击方向平行于FSP进给方向。采用Matlab和Origin软件对试验所得数据进行处理，获得不同状态A231镁合金在不同应变率条件下的动态应力一应变曲线。对于FSP处理后的试样，选取进给方向的横截面，对于冲击后的试样，沿冲击方向将试样自中心剖开，选取纵截面，利用GX71型Olym-pus金相显微镜观察冲击变形前后A231镁合金的显微组织。

2  试验结果与分析

2.1  不同状态A231镁合金的显微组织

进给速度V= 400 mm/min时，搅拌针旋转速度对A231镁合金显微组织的影响如图1所示。

表1给出了不同搅拌针旋转速度加工后A231镁合金的平均晶粒尺寸。可以看出，热轧后A231镁合金的晶粒基本呈等轴状，但晶粒尺寸不是很均匀，平均晶粒尺寸约为20.3um。从图1b～e和表1中可以看出，在搅拌针的高速旋转下，由于大变形和摩擦产生高温的共同作用，A231镁合金搅拌区内的组织发生了动态再结晶，并且在进给速度为400 mm/min条件下，搅拌区获得的晶粒的平均尺寸随着搅拌针旋转速度的增加而逐渐增大。这主要是由随着搅拌针旋转速度的增加，摩擦产生的热量增多，加快了晶粒长大的速度。当搅拌针旋转速度不高于1 000 r/min时，FSP处理后，搅拌区呈j为均匀的等轴再结晶组织，且与母材相比，晶粒尺寸得到了显著细化，平均晶粒尺寸小于10 um。但当搅拌针旋转速度提高到1 400 r/min时，晶粒尺寸明显粗化，平均晶粒尺寸大于母材的。

2.2  不同状态A231镁合金高应变率下的动态应力。应变行为

图2为热轧态商用A231镁合金在不同应变率条件下的动态应力一应变曲线。

  由图2可以看出，在应变率为1  300 s-l～1 500s-范围内，热轧态A231镁合金的动态应力一应变曲线随着应变率的提高略有上升，表现为正应变率效应。应变率继续提高至1 700 S-I时，动态应力一应变曲线没有继续上升，反而有所降低，表现为负应变率效应。

不同工艺FSP处理后A231镁合金在不同应变率条件下的动态应力一应变曲线如图3所示。

图4为不同状态A231镁合金的动态屈服强度随应变率的变化。可以看出，经搅拌摩擦加工处理后，在不同应变率下的冲击变形后期，A231镁合金动态应力一应变曲线的斜率虽然较热轧态有所减小，但合金的动态屈服强度均有了明显的提高，且断裂应变没有减小。在同一应变率条件下，随着搅拌针旋转速度的增加，动态应力一应变曲线呈现下降趋势，合金的动态屈服强度也明显降低。相比之下，进给速度为400 mm/min，搅拌针旋转速度为600 r/min工艺处理的合金抗冲击变形能力最好。

图5为一定转速下FSP处理后A231镁合金动态应力一应变行为随应变率的变化。可以看出，在确定的工艺搅拌摩擦加工处理后，经1 300 S-l—1 700s一应变率高速冲击后，合金的应力，应变行为均表现出对应变率变化不敏感的特性。

2.3不同状态A231镁合金在不同应变率下冲击变形后的显微组织

热轧态A231镁合金在不同应变率下冲击后的显微组织如图6所示。图中水平方向为冲击加载方向。可以看出，在冲击载荷作用下，随着应变率的增加，热轧态A231镁合金晶粒均发生了不同程度的变形但不是很明显。镁合金具有密排六方晶体结构，对称性较低，其非基面滑移的剪切应力要远远大于其基面滑移的剪切应力。虽然基面滑移比较容易进行，但在高速冲击变形时，由于变形速率极快，滑移来不及充分进行，孪生则成为一种塑性变形机制来协调变形。在1 300 S-I—1 700 S-l应变率范围内，合金组织内产生了一些锲形或竹叶状细小的孪晶，且随着应变率的增加，孪晶的数量也有所增加。在17 00 s-1应变率条件下，原始态合金中有裂纹产生，裂纹扩展方向与冲击方向约呈450。

图7为不同工艺FSP处理态A231镁合金在不同应变率冲击后的显微组织。可以看出，在冲击载荷作用下，原来的等轴晶组织发生不同程度的变形。从图中a~c可以看出，随着应变速率的变化，合金组织中孪晶的数量变化并不是非常明显。这与搅拌摩擦加工后A231镁合金冲击变形行为对应变率不敏感的特性有关。但在一定的进给速度情况下，随着搅拌针旋转速度的增加，组织中孪晶的数量有所增多。此外，还发现搅拌摩擦加工后，孪生更容易发生在粗晶内部，这主要是由于晶粒粗大，位错的滑移程较长，不容易发生晶界的滑动或转动来调节局部应力集中现象而促进孪生。如前描述，在一定的进给速度情况下，随着搅拌针旋转速度的增加，搅拌区晶粒尺寸不断粗化，虽然高应变率冲击后组织中产生孪晶的数量有所增加，且这些孪晶界的形成相当于细化了晶粒，通过Hall-Petch效应使材料强度提高。但是，对于经FSP处理后的A231镁合金来说，晶粒细化引起合金抗冲击变形能力的提高仍占主导地位。因此，进给速度V= 400 mm/min，搅拌针旋转速度U= 600 r/min的FSP处理使A231镁合金的抗冲击变形能力提高最显著。

3  结论

  1)在1 300 s-l—1 700 s-l应变率范围，A231镁合金搅拌摩擦加工后，其动态屈服强度均比母材提高。进给速度V= 400 mm/min，搅拌针旋转速度U= 600 r/min的搅拌摩擦工艺处理，使合金获得了最好的抗冲击变形能力。

  2)与母材相比，搅拌摩擦加工处理后，A231镁合金的动态应力一应变行为对应变率不敏感。