上海交大《IJP》新模型！預測AZ31B鎂合金板熱成形極限

2020-09-23 材料學網materials

導讀：鎂合金板材通常需要溫成形。應變路徑和組織演變的變化對其溫成形性能有顯著影響。本文建立並實現了AZ31B合金薄板在應變路徑變化下的成形極限試驗，研究了應變路徑和組織演變對成形極限的影響。在150°C、200°C和300°C條件下對薄板進行平面內單軸、平面應變和雙軸拉伸加載路徑的預應變，然後使用預應變樣品在三個溫度下進行半球形衝頭拉伸試驗。通過此預應變的FLDs預測得到了很大的改善。目前的工作提供了基於實驗和晶體塑性模型來評估鎂合金的熱成形性受溫度、預拉伸、DRX和回復的影響。


鎂(Mg)合金薄片在室溫下通常表現出較差的延展性和成形性，這是由於其密排六方(HCP)晶體結構中存在有限的滑移體系所致。因此，必須利用高溫下的可成形性而採用熱成形。由Keeler、Backofen(1963)和Goodwin(1968)提出的成形極限圖(FLD)已被公認為是表徵板材成形性的標準工具。通常採用兩個標準來獲得FLD的臨界應力: ASTM E2218(2008)和ISO 12004(2008)，即在斷口處或裂紋開始之前產生FLD的應變。最近，通過在半球形衝頭上拉伸不同寬度的試樣來測定鎂合金的FLDs已作了相當大的努力。採用中島試驗研究了從20℃到300℃之間鑄造、軋制和熱處理的雙輥AZ31合金薄板的成形性與溫度的關係。高溫下可成形性的提高主要歸因於非基位錯滑移、動態恢復和動態再結晶的作用機制。在300℃和400℃的氣吹成形實驗中，FLD的右側和左側分別由不同寬高比的橢圓模具和非粘接雙層試樣確定。Boba et al.(2015)測量了25-350℃ ZEK100鎂合金的FLDs。在高溫下，由於動態再結晶(DRX)導致組織隨機化，ZEK100和AZ31之間的成形性差異不太明顯。


加載路徑的改變會改變板材的成形性，這是眾所周知的。到目前為止，對鎂合金薄板在高溫非比例加載下的FLDs進行的實驗還很少。FLD實驗的困難和費時特性要求對FLD進行數值測定。M-K理論是計算成形極限的最著名的不穩定性理論之一，並在多年來得到進一步發展。結合M-K理論的結晶塑性方法被廣泛應用於面心立方(FCC)和體心立方(BCC)板材的成形極限分析。熱變形中的DRX建模已經有了一些研究，這些研究通過耦合晶體塑性集成了力學響應、微觀組織演變和織構發展的模擬。在他們的工作中，也實施了伴隨DRX的超塑性機制，並評估了WE43合金在550 K以上由大量非常小的核引起的另外明顯的應力軟化。然而，到目前為止，基於晶體塑性的FLD預測還沒有將DRX作為一個操作機制，將退火效應作為一個影響因素。


基於此，上海交通大學李大永和彭穎紅等人對AZ31B薄板在應變路徑變化下的成形極限測試進行了配置和實現。此外，結合DRX和退火的結晶塑性模型和M-K方法(表示為DRX-MK-退火方法)預測FLD。用該方法計算了一級和預應變的FLD。通過實驗和數值計算研究了溫度、加載路徑、預拉伸和退火對成形極限的影響。相關研究成果以Forming limits of magnesium alloy AZ31B sheet at elevated temperatures為題發表在國際塑性期刊International Journal of Plasticity上。

論文連結：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102822


這項工作在150°C，200°C和300°C的條件下，進行了一系列的半球形衝床拉伸實驗。結合DRX和靜態恢復效應的多晶塑性模型，採用M-K方法計算FLDs。應變路徑的變化對AZ31B合金薄板的成形性影響很大。UT、PS和BS預應變分別使FLDs向左、向上和向右移動。在200℃由於<<c+a>>滑移系的激活，形成的差異限制UT和PS在150℃負載明顯減輕。


圖1 HPS測試裝置：(a)高溫下HPS測試的MTS機械測試系統，(b)環境室內測試夾具的示意圖。

圖2 試驗試件幾何形狀:(a) HPS試驗和(b)預應變試驗(單位:mm)。

圖3三種溫度下一次成型試樣的顯微組織。


第一步HPS試驗後變形樣品的斷裂部分如圖4所示（以60mm寬的樣品為例）。斷裂模式從在150°C時幾乎沒有頸縮的脆性斷裂轉變為在200°C和300°C時出現頸縮的更易延展的斷裂。

圖4 測試的60mm寬的HPS樣品的裂縫部分和分別在:(a) 150℃，(b) 200℃和(c) 300℃的一級FLD。

圖5 預緊型AZ31B板的Net-FLDs:(a) 150℃，(b) 200℃和(c) 300℃


圖6 預緊的AZ31B板在300℃的Sub-FLDs


圖7在200℃下，不同退火時間後預應變試件的單軸應力-應變曲線。一級曲線代表單調張力。(當應變大於0.35時，曲線被截斷)


圖8 M-K理論的示意圖。


VPSC-DRX-MK方法可以很好地重現在150℃和200℃一個階段的FLDs。DRX提供了另一種變形機制，顯著提高了成形極限，尤其是在BS條件下。在結晶塑性模型中加入退火效應，大大提高了預應變FLDs的預測精度。FLD左側的改善更為明顯，說明了應變路徑與靜態恢復的關係。成形極限隨著退火時間的增加而明顯增大，這與位錯密度隨退火時間的變化一致，退火10min後成形極限的升高速度有所減緩。


圖9實驗和擬合的單軸應力-應變曲線持續10min


圖10 實驗和計算的FLDs在(a) 150℃和(b) 200℃


圖11 DRX和沒有DRX計算的FLD的比較


圖12計算應力在不考慮DRX的情況下的比較


圖13根據應變比預測了槽內和槽外DRX體積分數


圖14在150℃計算Net-FLD


圖15在200℃計算的(a) PS，(b) UT和(C) BS預應變Net-FLD


圖16在200℃退火時間下(a) PS，(b) BS和(C) UT預拉伸後位錯密度的恢復。

圖17在200℃對不同預應變下的滑動活性預測:(a) BS預應變，(b) PS預應變和(C) UT預應變


圖18在200℃下不同退火時間後計算net-FLD


圖19在200℃單軸拉伸下，測量了不同退火時間後的主要極限應變


圖20預測不同初始織構有DRX和沒有DRX的FLDs (ϕ代表織構被相對於TD旋轉ϕ角)。


當考慮DRX時，改變初始織構對主要極限應變的影響不明顯。在涉及DRX的熱變形過程中，一個應力可以對應多個應變。因此，在涉及DRX的情況下，不能用成形極限應力圖(FLSD)來評價高溫成形的成形極限。（文：張柯）

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