拉伸条件下镁合金第Ⅱ阶段加工硬化

;张诗昌;张尚威;张长春;常庆明 

（1．武汉科技大学材料与冶金学院；2．武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室）

摘要  在温度为25～100℃，应变速率为3×10-2～3×10-3 S-l范围内，对挤压态A231镁合金沿挤压方向进行拉伸试验，研究了第Ⅱ阶段加工硬化产生的条件及机理。结果表明，温度≤75℃，应变速率≥10-2 S-1，镁合金出现第Ⅱ阶段加工硬化，其加工硬化率为2 400～2 650 MPa。产生第Ⅱ阶段加工硬化的主要原因是，低温、高应变速率拉伸时，屈服应力升高，镁合金发生屈服时的初始位错密度及位错密度累积速率增加。当初始位错密度≥4. 62×10 16m-2时，镁合金出现第Ⅱ阶段加工硬化。

; 加工硬化第Ⅱ阶段的一个显著特征是具有较高的加工硬化率，在某一给定的变形条件下，加工硬化率为一确定常数。由于第Ⅱ阶段加工硬化与位错交互作用有关，因此产生第Ⅱ阶段加工硬化需要具备一定的条件。WU H Y等研究了A231B-H24镁合金热轧薄板的加工硬化行为，发现室温拉伸且当应变速率高于4×10-3 S-I时，镁合金出现第Ⅱ阶段加工硬化，但当拉伸温度达到250口C时，第Ⅱ阶段加工硬化消失。对于在室温到250℃之间拉伸变形时，镁合金是否发生加工硬化第Ⅱ阶段，以及第Ⅱ阶段加工硬化的产生条件，未见相关报道。本课题主要研究了挤压态A231镁合金拉伸变形时产生加工硬化第Ⅱ阶段的变形温度及应变速率范围，探讨镁合金发生第Ⅱ阶段加工硬化的主要原因。

1  试验方法

; 拉伸试样由A231镁合金挤压棒加工而成，试样的拉伸轴与挤压棒的挤压方向平行。为了避免织构对拉伸试验结果产生影响，所有试样均沿同一方向截取。试样的标距尺寸为φ5 mm×15 mm，其主要化学成分（质量分数，下同）：Al为2.75%，Zn为0.99%，Mn为0. 46%，Si、Fe、Cu微量，其余为Mg。金相组织为单一a-Mg固溶体，平均晶粒尺寸为25μm。拉伸试验在GWTA304高温拉伸试验机上进行，该试验机的炉腔均热带长度为150 mm，试验温度的误差为±2℃。为了保证试验温度均匀，先将试样升至试验温度，然后保温15 min。试验温度分别为25、75和100℃，初始应变速率为10-4～3×10-2 S-1。

2  试验结果与分析

2.1  A231镁合金拉伸应力一应变曲线

; 在温度为25℃，应变速率ε分别为3×10-2、1×10 -2以及3×10-3 S-1时，A231镁合金拉伸应力一应变曲线见图1。可以看出，当ε≥10-2 s-1时，弹性变形后进入塑性变形阶段，应力一应变曲线上出现了一段直线，该直线段对应的应变量≤1. 5%，也就是在塑性变形量≤1. 5%范围内，产生了第Ⅱ阶段加工硬化。而当ε=3×10-3 S-l时直线段消失。图2和图3分别为75℃和100℃拉伸时，镁合金的应力一应变曲线。可以看出，在75℃，ε=3×10-2 S-1时，应力一应变曲线上也出现了直线段，而100℃拉伸时，应力一应变曲线没有直线段，这表明，当应变速率ε≤3×10-2 S-1拉伸时，A231镁合金不会出现第二阶段加工硬化。

2.2; A231镁合金加工硬化率曲线

; 根据加工硬化率的定义：

式中，θ为加工硬化率；σ、ε分别为应力、应变。得到各试验条件下的加工硬化率，绘制出θ- (σ-σ0.2)曲线，见图4。

; 从图4中可以看出，在25℃，ε≥1×10-2 S-l时，（σ-σ0.2）≤10～13 MPa范围内，A231镁合金表现为明显的第Ⅱ阶段加工硬化，其加工硬化率θπ =2 550～2 650 MPa；在75℃，应变速率为3×10-2 S-1时，（盯 -σ0.2）=10 MPa范围内出现第Ⅱ阶段加工硬化，且θⅡ一2 400 MPa；100℃拉伸时不出现第Ⅱ阶段加工硬化。

3  分析与讨论

; 由上述试验结果可知，温度及应变速率是影响第Ⅱ阶段加工硬化的主要因素，温度较低，应变速率较高时，A231镁合金出现了第Ⅱ阶段加工硬化。根据试验结果得到A231镁合金拉伸时出现第Ⅱ阶段加工硬化的温度及应变速率范围，见图5。图5中阴影部分为第Ⅱ阶段加工硬化的变形条件。

; 产生第Ⅱ阶段加工硬化的根本原因是位错密度的急剧增高。为了进一步分析产生第Ⅱ阶段加工硬化时A231镁合金位错密度的变化，流变应力和位错密度的关系式：

式中，a为流变应力，MPa；μ为剪切模量，15.8×103MPa;p为位错密度，m-2；a为材料常数，取0. 2;b为柏氏矢量，b=3. 21×l0-10。

; 根据式(2)，由材料的屈服应力σ0.2计算得到对应的初始位错密度p0.2，将式(2)变形为

式中，dp/ dt为位错的累积速率。

; A231镁合金拉伸时屈服应力σ0.2与峰值应力σp见图6。

; 从图6中可以看出，室温下(25℃)，应变速率对镁合金的峰值应力影响不大，峰值应力在270 MPa左右。但应变速率对屈服应力的影响较大，随着应变速率的增加，屈服应力增加。温度对峰值应力和屈服应力均有较大影响。

; 将屈服应力代入式(2)，得到镁合金开始塑性变形时的初始位错密度P0.2与温度及应变速率的关系见图7。可以看出，随着温度的升高和应变速率的降低，A231镁合金的位错密度减小，25℃时，出现第Ⅱ阶段加工硬化的初始位错密度P0.2 =4.7×10 16m-2，75℃时，出现第Ⅱ阶段加工硬化的初始位错密度P0.2-4. 62×l016 m-2。

; 根据式(3)，得到A231镁合金位错密度的累积速率与温度及应变速率的关系，见图8。由图8可知，随着温度升高和应变速率降低，A231镁合金的位错密度累积速率减小，在25℃时，出现第Ⅱ阶段加工硬化的位错密度累积速率dp／dt=1.09×l016m-2·s-1，在75℃时，出现第Ⅱ阶段加工硬化的位错密度累积速率dp/dt=3.05×l016 m-2·S-l。随着温度升高，镁合金产生回复，导致位错湮灭，因此需要更高的位错累积速率，才能保证出现第Ⅱ阶段加工硬化所需要的位错密度。

4  结  论

; (1)温度为25℃，应变速率≥1×10 -2以及温度为75℃，应变速率为3×10-2 S-l拉伸时A231镁合金应力一应变曲线出现第Ⅱ阶段加工硬化，其加工硬化率为2 400～2 650 MPa。

; (2)低温、高应变速率拉伸时，镁合金的屈服应力增加，产生屈服变形时的初始位错密度以及位错密度累积速率增加，当初始位错密度p0.2≥4. 62×l016 m-2时，镁合金出现第Ⅱ阶段加工硬化。