AZ31鎂合金
關注創建者：航空材料學報期刊 創建時間：2021-06-24
AZ31鎂合金的實例教程
AZ31鎂合金軋制模擬
在700 ℃下融化AZ31鎂合金，同時加熱模具至350 ℃并保溫；將融化的AZ31鎂液倒入在液壓機上組裝好并保溫的模具中，等待適當時間后進行擠壓。上述整個過程都用熱電偶和溫度巡檢儀測溫，擠壓速度為50 mm/s。共進行了一次不加轉角和兩個不同轉角的固液兩相區復合擠壓實驗。
值得注意的是，變形區從上至下的基面極圖的極值強度先略微上升，到變形區出口時又迅速下降。結合不同部位的再結晶分布圖來分析固液兩相區擠壓過程的組織演變及織構弱化原因。圖3為圖2各部位所對應的再結晶分布圖，圖中藍色表示再結晶區域，紅色表示變形區域，黃色表示亞結構區域。傳統擠壓在擠壓過程中的變形是由滑移和孿晶協調進行的，變形過程中的狹長大晶粒大部分為變形區，小晶粒全部為再結晶小晶粒，并在變形階段出現明顯的孿晶結構。而固液兩相區擠壓過程明顯不同，熔體在（560±10） ℃時開始擠出，此時熔體為固液混合狀態，靠近模具壁的位置固相率更高，為初生的α-Mg枝晶；進入變形區之后凝固過程中的結晶潛熱和變形過程中的剪切效應導致α-Mg枝晶臂斷裂和熔合，破碎枝晶周圍形成了元素富集，可以促進形核；而剩余的液相部分凝固后形成了粗大的晶粒，儲存的殘余應力較少。
此外，壓力的加入會改變金屬的平衡凝固溫度，使鎂鋁合金的過冷度增大，加快凝固過程，同時，由于剩余液相形成均勻的溫度場和濃度場，剩余液相處于整體過冷狀態，在快速冷卻條件下，容易發生爆炸形核，在剩余的液相中，短時間內形成大量的晶核。晶核迅速長大，變得不穩定，形成初生枝晶。但由于殘余液相中晶核密度較高，相鄰晶核生長界面前沿的溫度場和濃度場相互重疊，限制了晶粒的進一步生長。最后，在殘余液相中得到細小均勻的等軸α-Mg枝晶。
展開 4.2.2 觀察材料第二相
圖4 AZ31鎂合金SEM高倍顯微組織
從圖4中可以清楚的觀察到破碎后的第二相Mg17Al12尺寸約為4μm，在“大塊”Mg17Al12附近有許多彌散分布的的小顆粒，尺寸在0.5μm左右，此為熱軋后冷卻過程中由α-Mg基過飽和固溶體中析出的二次Mg17Al12相，呈這種形態分布的細小第二相Mg17Al12能有效的阻礙位錯運動，提高材料強度，起到彌散強化的作用，而不會明顯降低AZ31鎂合金的塑性。
4.2.3 觀察材料界面
圖5 Mg/Al 軋制界面線掃描
圖5是Mg/Al軋制復合界面的線掃描圖像，從圖中我們可以看到，穿過Mg和Al的界面進行線掃描，可以得到，在Al的一側，Mg含量低，在Mg一側，Al幾乎為零；但在界面處，Mg和Al各大約占一半，說明在界面處發生了擴散，形成了Mg和Al的擴散層。
4.2.4 觀察材料斷口
（a）鑄態（b）熱軋態
圖6AZ31鎂合金拉伸斷口形貌
AZ31鎂合金鑄態試樣拉伸斷口SEM掃描形貌如圖6所示。從圖6（a）可以觀察到明顯的解理斷裂平臺，在最后撕裂處也存在少量韌窩，基本上屬于準解理斷裂，塑性較差。這是因為鑄態AZ31鎂合金晶界處存在粗大的脆性第2相Mg17Al12，在拉伸變形過程中容易破碎形成裂紋源。熱軋態AZ31鎂合金拉伸試樣斷口處有明顯的縮頸現象，其宏觀斷口SEM掃描形貌如圖6（b）所示，呈現出以韌窩為主的延性斷口形貌特征，韌窩大小為5~20μm。
5 結語
掃描電鏡已成為各種科學領域和工業部門廣泛應用的有力工具。除了在材料科學中應用廣泛，在地學、生物學、醫學、冶金、機械加工等領域均大量應用掃描電鏡作為研究手段。我們應該了解掃描電鏡的工作原理及其應用，并在自己的科學研究中利用好掃描電鏡這個工具，對材料進行全面細致的研究。
展開 應力疲勞一般用于材料疲勞S-N曲線，如圖1和圖2，采用升降法測試AZ31B鎂合金疲勞極限(應力比為0.1，疲勞壽命為107對應的疲勞載荷)。圖中AZ31B鎂合金試樣的疲勞極限為97.29MPa。
圖1. AZ31B鎂合金疲勞測試
圖2.AZ31B鎂合金疲勞測試 S-N 曲線
應變疲勞應用于高載荷低設計壽命構件的測試。其定義是：若最大循環應力Smax大于屈服應力Sy，為應變疲勞。應力疲勞測試用于研究部件在高載荷低頻率的場合，如壓力容器使用壽命期限內，總循環次數數量級為104，因此，用應變作為疲勞性能參量描述。應力疲勞也被稱為低周疲勞。
基于應變疲勞研究學者提出以下理論，材料的應力-應變(Remberg-Osgood彈塑性應力應變)關系：
式中εe彈性應變幅，εp為塑性應變幅。
在恒幅對稱應變測試過程中，由于材料發生塑性變形，應變減小時應力不能以原始路徑減小，應力-應變曲線呈環狀，這一曲線稱為滯后環。隨著循環次數增加，達到相同的應變幅應力會增加或減小，這一應力對應變的響應被稱為循環硬化或循環軟化，循環足夠多周次，有的材料會形成穩定滯后環。
應變疲勞中，用應力-應變曲線，描述材料的循環硬化或循環軟化趨勢。對于具有對稱滯后環曲線材料，稱為Massing材料。
下圖為ZK60鎂合金，載荷分別沿軋制方向和橫向加載的σ-ε曲線。沿橫向，循環硬化現象明顯。
圖3. ZK60A鎂合金載荷沿軋向σ-ε曲線
圖4.
展開 《Simulation of texture evolution and macroscopic properties in Mg alloys using the crystal plasticity finite element method》
給出了結合PTR方法處理的TWIN-CPFEM方法的詳細方案，同時與宏觀實驗進行了對比，為HCP結構多晶模擬提供了相對簡單的解決思路，以及合理的參數用于AZ31B鎂合金，可以較為容易的在黃永剛程序上進行修改易于數值實現。
這里簡要介紹一下作者理論框架和數值模擬結果：
理論框架基于經典的亞彈性本構框架，不做贅述
流動方程使用經典的冪律流動方程
硬化方程：
其中作者考慮四組滑移＋一組孿晶
對應的材料參數為
另外所有滑移和孿晶系統使用統一的：參考剪切應變率0.001，率相關系數20
孿晶處理方案基于PTR方法
即孿晶體積分數達到臨界體積分數，晶粒整體發生旋轉，孿晶體積分數定義為：
即孿晶的剪切應變/孿晶特征剪切應變（例：AZ31B：拉伸孿晶特征剪切0.129），PTR模型假設允許每個方向相對于最活躍的孿晶系統中的鏡面的法線方向重新定向，如由CPFEM確定的。矩陣中晶格取向和孿晶區中晶格取向之間的變換矩陣T可以定義為
數值案例及實驗對比：
樣品初始取向：
沿著RD方向壓縮實驗結果：
作者的有限元邊界條件設置以及模擬結果
模擬的變形后取向
變形過程中各個系統的相對活躍情況
孿晶演化情況
模擬結果表明，單軸加載下的織構演變、孿晶體積分數和宏觀性能與加載f方向密切相關。變形模式的相對活動性可以從理論上解釋AZ31鎂合金板的拉壓屈服的不對稱行為和明顯的R值。
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這篇文章研究的對象，是 AZ31B 鎂合金在室溫條件下的塑性變形行為。作者關注的問題非常明確：為什么這種 HCP 結構材料在不同加載方向下，會表現出強烈的不對稱性、明顯的織構演化，以及非常突出的孿晶效應？換句話說，這篇文章不是簡單去擬合一條應力—應變曲線，而是試圖回答：鎂合金在室溫下究竟是靠哪些機制在變形，這些機制又如何共同決定宏觀響應。
并應用于識別織構化AZ31鎂合金中主動滑移系統和拉伸孿晶的初始和飽和臨界分解剪切應力以及硬化模量。結果與文獻中的數據基本一致，分析表明，用作輸入的獨立實驗應力-應變曲線的數量對于獲得逆優化問題的精確解至關重要。作者研究表明在高織構鎂合金的情況下，至少需要三條獨立的應力-應變曲線來確定多晶測試中的單晶行為。
作者研究使用的滑移+孿晶的本構模型遵循Surya R.
[7] 郭麗麗，郭浩然，汪建強，等.軋制工藝對連續擠壓AZ31鎂合金板材成形性的影響[J].塑性工程學報，2021,28(7):56-63.
[8] 林方敏，武學俊，章小峰，等.Fe-12Mn-2Al-0.1C冷軋鋼板沖壓成形數值模擬與實驗[J].塑性工程學報，2023,30(1):42-48.
變形模式的相對活動性可以從理論上解釋AZ31鎂合金板的拉壓屈服的不對稱行為和明顯的R值。
圖4 AZ31鎂合金原始軋態及攪拌摩擦焊后不同樣品取向的拉伸性能
織構還會對材料的彈性性能產生影響，圖5表示的是織構對一種金薄膜的彈性模量的影響，圖中的三個圖分別表示的是單晶金在晶體坐標系下、無織構的金薄膜在樣品坐標系下以及含有絲織構的金薄膜在樣品坐標系下的彈性模量參數曲面，可以看出，織構使得材料的彈性模量出現各向異性，沿著材料不同方向的彈性模量表現出顯著差異
AZ31鎂合金軋制模擬
圖4 室溫拉伸性能
（a）室溫拉伸曲線；（b）室溫拉伸數據
原文出處：
一種細化AZ31鎂合金的固液兩相區復合擠壓工藝（點擊“題目”可鏈接全文）
馮靖凱，張丁非，陳霞，趙陽，蔣斌，潘復生
2021, 49 (4): 78-88.
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109562
本研究使用的原料是商用AZ31B鎂合金板，軋制板的尺寸為500×100×6.5mm，通過電火花加工成壓縮載荷方向(CLD)與TD平行的圓柱試樣(直徑6mm，高6mm)，下文中，RD、TD、ND、CLD和TLD分別指軋制、橫向、法向、壓縮載荷和拉伸載荷方向。
（2）Ｍg基非晶合金的挑戰
圖3:Mg基非晶合金、Mg合金復合材料與AZ31鎂合金應力-應變曲線比較
圖3為室溫下得到的單軸壓縮應力-應變曲線。由圖3可知，Mg基非晶合金和傳統Mg合金復合材料均比商用鎂合金具有更高的屈服強度和抗壓強度。
應力疲勞一般用于材料疲勞S-N曲線，如圖1和圖2，采用升降法測試AZ31B鎂合金疲勞極限(應力比為0.1，疲勞壽命為107對應的疲勞載荷)。圖中AZ31B鎂合金試樣的疲勞極限為97.29MPa。
圖1. AZ31B鎂合金疲勞測試
圖2.AZ31B鎂合金疲勞測試 S-N 曲線
應變疲勞應用于高載荷低設計壽命構件的測試。
