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摘要：镁合金是目前最轻的商用金属结构材料，具有高的比强度、比刚度，优良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散热等特性，是目前室温下应用最为广泛的绿色材料。开发高性能镁合金可对我国航天航空事业的发展产生重大的意义。方法在不同的变形速率和不同的变形温度条件下，分别对AZ31和AZ61进行单向压缩变形实验，根据所得数据制作σ-ε曲线，分析AZ31和AZ61的塑性变形机制。

关键词：AZ31，AZ61，塑性变形，动态再结晶

镁合金作为最轻的商用金属结构材料，具有高的比强度、比刚度，优良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散热等许多特性，是目前室温下应用最为广泛的绿色材料[1-4]。但是AZ和AM系镁合金的机械性能在高于120℃～130℃时急剧下降，使得镁合金在高温领域的应用受到极大的限制[5，6]。虽然我国镁资源含量丰富，但许多高性能的镁合金，如用于航空航天方面的镁合金，都是引进的国外的高性能镁合金。因此，开发高性能镁合金对我国航天航空事业的发展具有重要的意义。

当前镁合金研究的焦点多放在其拉深、弯曲及胀形等加工工艺上。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有优良的综合性能，更高的强度和塑韧性，更适合制作大型结构件，满足结构多样化要求。现代镁合金工业生产常采用温成形加工方法， 温成形加工法具有加热温度低、节能安全、升温速度快、生产效率高、组织性能优异、避免高温下的晶粒长大等优点。合金晶粒越细小，则力学性能越好，现今合金细化的研究方法中，以在铸造合金中添加细化剂为主，而有关动态再结晶的细化研究相对较少，我国目前研究的变形镁合金型号主要有AZ31和AZ61，本论文就对AZ31和AZ61的塑性变形及变形机制做了相关的比较，希望能为制定变形镁合金成型工艺提供有效的依据。

1 实验过程

压缩试样由AZ31和AZ61镁合金挤压棒经过机加工得到，其化学成分如表1所示。

先将挤压态的AZ31和AZ61加工成Ф8×12mm的圆柱形试样，然后在经过改造后的GWTA304电子高温蠕变持久试验机上进行单向压缩实验，该试验机包括三个部分：拉伸装置、加热装置和加热控制器，通过加热装置可将试样加热至不同温度后再进行拉伸或压缩实验。

在本次实验中，变形温度分别为20、100、150、200、250、300℃，变形速率分别为1×10-2/s和1×10-3/s，分别对AZ31和AZ61进行单向压缩实验，通过分析压缩变形后的应力应变曲线和试样显微组织，研究变形条件对AZ31和AZ61镁合金的力学性能及动态再结晶的影响。

2 分析

2.1流变应力行为

应力随应变量的增加而不断上升，直到应力达到峰值应力状态，当应变量继续增加，应力呈现下降趋势。

在应力上升过程中，曲线呈凹形，即应力增长速率先下降后上升，这与合金加工过程中内部组织变形机制有密切关系。根据应力应变曲线的走势，大致可将镁合金的塑性变形分为五个部分：

形向塑性变形过渡阶段：此阶段的应力与应变基本上呈线性关系，此时的应力还很小，不足以诱变机械孪晶的产生，也不能启动非基面滑移系，只能促使基面上两个独立的滑移系{0001}<11-20>开动，但根据Von-Mises判据，一般多晶体材料至少需要5个独立的滑移系开动才能进行稳定的塑性变形，因此在此阶段只发生微量的塑性变形。

低变形硬化阶段：由于诱发机械孪晶所需的应力小于激活非基面滑移所需的应力，所以当所加载的应力超过机械孪晶切变应力时，锥面{10-12}<10-11>孪晶开动，孪晶本身对塑性变形的贡献不大，但它可以改变一些晶粒的取向，使一些不利于滑移的晶粒产生软取向，因此在此阶段发生较大的塑性变形，但应力增长趋势变得缓慢。

加工硬化率上升阶段：在第二阶段形成的大量孪晶相互交错，彼此交错的孪晶界对位错的阻碍作用也越大，从而使得合金的加工硬化作用越来越明显，加工硬化率也不断上升。

加工硬化率下降阶段：此阶段又可细分为两部分，峰值应力前与峰值应力后。峰值应力前阶段，加工硬化为主，伴随有部分动态软化。由于第三阶段形成的大量孪晶储存了大量的畸变能，而孪晶界周围的原子相互堆积，为动态再结晶的形核提供了充分的能量条件与结构条件，所以当变形超过第三阶段后，晶体内开始发生动态再结晶，再结晶产生的新晶粒使合金细化，同时又消耗了变形过程中的畸变能，产生一定的软化效果；但此阶段中加工硬化作用强于动态软化作用，所以应力仍呈增长趋势，但增长速率下降。

峰值应力后阶段，动态软化为主，加工硬化效果逐渐消失。峰值应力是加工硬化与动态软化共同作用的结果，在峰值应力处，两者达到平衡，当应变继续增加，大规模的动态再结晶软化作用超过加工硬化，因此应力逐渐下降。

2.2工艺参数及组织对塑性的影响

2.2.1变形温度对塑性的影响

从图2中可以看出，在相同的变形速率下，随着变形温度的升高，应力水平不断下降，应力应变曲线中的凹形也渐渐变浅，最后消失，也就是说变形过程中形成很少或者不再形成孪晶；峰值应力对应的应变也逐步减小，充分说明变形温度的升高有利于动态再结晶的发生。

有研究表明，当镁合金的变形温度低于498K时，其塑性变形仅限于通过基面上两个独立的滑移系{0001}<11-20>来执行，为了协调变形，于是开动了许多机械孪晶；当变形温度高于498K时，非基面滑移系开动所需的临界分切应力大大降低，使得棱面和锥面的滑移系被激活，而滑移与孪晶是两个相对的过程，滑移越多，则形成的孪晶就越少，应力应变曲线的凹形也就越来越浅，峰值应力也越来越低，塑性变形变得更容易。同时，动态再结晶的形核以及晶核长大都与原子扩散有直接的联系，变形温度越高，则原子的扩散能力越强，使得动态再结晶速率增加，对应的加工硬化率就下降。

2.2.2 变形速率对塑性的影响

通过以不同的应变速率（10-2s-1、10-3s-1）对AZ61进行压缩变形，当变形温度相同时，变形速率越低，则对应的应力水平也越低，曲线上的凹形也越浅，峰值应力以及对应的峰值应变都减小，并且变形温度越高，这种现象越明显，说明较低的变形速率有利于动态再结晶的形成，有利于镁合金的塑性变形。再结晶的形核和长大过程都需要时间，因此，在较高的变形温度下，应力所受应变速率的影响比较明显，变形速度越慢，则变形时间越长，合金内部的原子也有足够的时间来扩散，来完成动态再结晶的形核以及晶核长大，所以应变速率越慢，动态软化过程也越明显，变形中对应的应力水平也越低；相反，变形速率越快，变形时间越短，动态软化过程也越短，加工硬化更为显著。

从图3中可以看到在150℃和300℃条件下，变形速率及合金组织对应力应变曲线的影响都不是很大，主要是因为在低温条件下，AZ31和AZ61的变形机制都是孪生变形机制，所以应力应变曲线上都有比较明显的凹形特征；而在300℃的高温条件下，AZ31和AZ61的大部分非基面滑移均已开动，所以在此温度下的变形机制主要是滑移变形，彼此交错的滑移系也促使动态再结晶速率加快。处于中间温度（200℃、250℃）条件下的应力应变曲线离散程度比较大，如图3（b）所示，当应变速率为1×10-3/s、变形温度为200℃时，AZ31任然是通过形成大量的孪晶来实现塑性变形，但AZ61已经发生了明显的动态再结晶。根据Mg-Al合金相图可知，在200℃下，Al在Mg中的溶解度大约为3%左右，因此，对于AZ61镁合金来说，一方面形成饱和固溶体，由于Al和Mg的原子半径存在差异，所形成的固溶体存在畸变能，并能阻碍变形过程中位错的运动；而多余的Al则以Mg17Al12的形式析出，析出的第二项粒子一方面对位错有钉扎作用，形成位错塞集群，塞集的位错逐渐从小角度转变为大角度，最后成为再结晶晶核；另外，析出的第二项粒子越多，则晶界也越多，使得再结晶形核据点也增多。所以，AZ61镁合金比AZ31镁合金更易发生动态再结晶，且所得到的再结晶晶粒更细小更均匀，这一点我们可以从其组织图片中清楚的看到。

2.3显微组织观察

图4为AZ31和AZ61镁合金在相同变形速率（1×10-3/s）、不同变形温度（150℃、250℃、300℃）下压缩变形后的显微组织。

可以清楚的看到在150℃条件下（图4 a、b），AZ31和AZ61合金中都出现了不同程度的孪晶组织，充分说明在低温条件下，它们的变形机制相同，即属于孪晶变形机制。而在250℃条件下（图4 c、d），AZ31和AZ61均发生了动态再结晶，但再结晶的程度相差很大，AZ31镁合金中在晶界附近出现少量的“项链”状的细小晶粒，即再结晶组织，周围的原始组织仍然成粗大块状，所以形成的组织极不均匀；AZ61合金在250℃下的组织大部分均匀发生了动态再结晶，形成了比较均匀的细晶粒组织。当变形温度为300℃时（图4 e、f），两种镁合金均发生了动态再结晶，但是AZ61镁合金的再结晶组织明显比AZ31镁合金的组织细小，这也印证了上面的结论——AZ61镁合金比AZ31镁合金更易发生动态再结晶，且所得到的再结晶晶粒更细小更均匀。

根据第二相质点对再结晶尺寸的影响：d=4r/3φ，d为达到平衡时的稳定晶粒尺寸；r为第二相质点的半斤；φ为单位体积内第二相质点的体积分数，我们可以看出第二相质点的大小及数量对再结晶尺寸有重要影响，弥散的第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。AZ61中析出的Mg17Al12相阻碍位错运动，对促进再结晶晶核的形成和阻碍再结晶晶粒的长大做出了极大贡献，所以AZ61镁合金的动态再结晶组织比AZ31镁合金的再结晶组织细小的多。

3 结论

1、在低温条件下（<200℃）压缩变形时，由于{10-12}孪晶的产生，使得应力应变曲线呈凹形，根据曲线凹形，我们可以把合金的塑性变形分为五个部分，每一部分的变形机制都不相同。

2、变形温度越高，使得非基面滑移系的临界分切应力下降，可以启动的非基面滑移系越来越多，也越有利于动态再结晶的发生；变形速率越小

3、AZ61镁合金比AZ31镁合金更易发生动态再结晶，且再结晶组织更均匀。

参考文献

[1]谭军，王芳磊，蒋斌，等.镁合金结构材料应用现状与展望 [J].自然杂志，2023，45 （2）：93-105.

[2]徐淑波，刘建营，任国成，等. AZ31镁合金剧烈塑性变形过 程分析与力学性能研究[J].塑性工程学报， 2021， 28 （6）：160-166.

[3]候正全，蒋斌，王煜烨，等.镁合金新材料及制备加工新技 术发展与应用[J].上海航天（中英文）， 2021， 38 （3）： 119-133.

通讯作者：

黄印，男，1987年2月，讲师，主要研究方向为实训基地建设和实训教学改革。

作者简介：

雷方芳，女，1988年6月，讲师， 主要研究方向模具设计与制造。