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AZ31B镁合金断裂应变与应力三轴度的关系研究周梦成;冯飞;胡建华;雷雨;何鹏;黄尚宇;邹方利【摘要】对AZ31 B镁合金光滑圆棒和缺口圆棒进行了系列准静态拉伸试验，采用 ABAQUS 对各试样拉伸过程进行了模拟分析。
拟合得到了 Johnson-Cook 断裂失效模型的部分材料常数，建立了AZ31 B镁合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。
将建立的失效模型输入到ABAQUS中进行仿真模拟，模拟结果与试验结果基本一致，验证了断裂失效模型的正确性。
%Series of quasi-static tensile tests were conducted on smooth and notched round rod made of AZ31B magnesium alloy.ABAQUS software was used to simulate the tensile process of each sample.Part material constants of Johnson-Cook fracture failure model were fitted out,and the rela-tional model between fracture strain and stress triaxiality of AZ31B magnesium alloy were estab-lished.Inputing the fracture failure model into ABAQUS for simulation,the simulation results and ex-perimental results are basically consistent,thus the correctness of the fracture failure model was veri-fied.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】5页(P694-697,698)【关键词】AZ31B镁合金;准静态拉伸试验;Johnson-Cook失效模型;有限元模拟【作者】周梦成;冯飞;胡建华;雷雨;何鹏;黄尚宇;邹方利【作者单位】武汉理工大学，武汉，430070;武汉理工大学，武汉，430070;武汉理工大学，武汉，430070;武汉理工大学，武汉，430070;武汉理工大学，武汉，430070;武汉理工大学，武汉，430070;武汉理工大学，武汉，430070【正文语种】中文【中图分类】TG146.2镁合金是目前最轻的金属结构材料之一[1],由于节能环保的需要，镁合金在汽车、航空航天以及电子行业等领域的应用日益广泛[2-3]。
AZ31镁合金各向异性力学行为及微观形变机制的模拟研究镁合金因其具有高的比刚度比强度、低密度、良好的导电和导热性成为未来最具应用潜力的轻质材料之一。
然而,制约镁合金发展的主要问题在于其室温塑性变形能力差,形变各向异性严重,而从微观角度分析位错滑移、孪生等机制对镁合金的织构演化影响一直是材料学界研究的热点和难点。
本课题通过单轴拉伸实验确定材料参数,建立fortran77语言的可描述镁合金主要形变系统(位错滑移、孪生)的自洽模型,研究镁合金的宏细观力学行为以及微观机制对宏观力学性能的影响。
同时模拟镁合金板材在冷轧过程中的织构演化,并讨论了微观形变机制对织构演化的贡献。
根据由实验获得的AZ31镁合金热轧板材的单轴拉伸应力-应变曲线,拟合确定了模型所需的材料参数,建立fortran77语言的自洽模型。
热轧板材通常具有较强的基面织构。
结果表明,该模型能准确预测镁合金在不同方向加载时的单轴拉伸力学行为,沿不同方向施加载荷时微观形变系统的开动时机和贡献不同是造成宏观力学行为各向异性的根本原因。
沿RD、TD方向加载时,位错滑移是主要的形变机制,基面滑移和柱面滑移是弹塑性转变阶段主要开动的形变系统。
形变后期,锥面滑移成为塑性阶段的主导机制。
沿ND方向加载时,孪生则是主要的形变机制,该方向大多数晶粒沿C轴受拉,应力方向近似垂直于基面,导致基面滑移的schmid因子几乎为0,难以开动。
在该方向加载时,材料的宏观屈服强度明显小于其他方向。
对材料沿着不同方向加载时各晶面微观应变的分析表明,在微观尺度上,镁合金的晶格应变分布也表现出很强的各向异性。
在弹性阶段,各品面的晶格应变基本保持一致,进入塑性阶段不同晶面出现了明显的“软”、“硬”取向之分。
沿RD方向加载时,当应力载荷为150-225MPa,(0002)晶面为最软取向,(1011)为最硬取向；225MPa以后,(0002)变为最硬取向,(1011)变为最软取向,这表明随着载荷增加微观形变系统相互竞争,使得材料内部存在晶粒取向相关的应力。
第45卷第6期2016年12月有色金属加工NONFERROUS METALS PROCESSINGVol . 45 No . 6December 2016AZ 31镁合金在拉应力下的组织演变规律刘筱\朱必武2,王璀2,唐昌平\陈宇强1(1.湖南科技大学高温耐磨材料及制备技术湖南省国防技术重点实验室，湖南湘潭411201;2.湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201)摘要:采用In s t_ 3500拉伸试验机对挤压态AZ31镁合金在室温下进行不同应变速率的室温拉伸，利用X -射线衍射 仪和光学显微镜分别对织构和金相进行观测。
实验结果表明，拉伸后形成了卷曲的晶粒结构;动态再结晶的临界应力随着应变速率的增加而增加；应变速率对动态再结晶晶粒尺寸的影响不大，其晶粒尺寸约1〜2pm ;动态再结晶分数随 着应变速率的增加而增加。
关键词:镁合金;微观组织;动态再结晶;应变速率；中图分类号:TG146.22文献标识码:A文章编号：1671 -6795(2016)06 -0019 -04近年来，镁合金因其一系列的优点受到越来越广 泛的关注[1'2]。
但目前镁合金在工程中的应用并没有 铁碳合金和铝合金应用广泛。
原因是其具有密排六 方结构，塑性成形能力较差[3]。
细化晶粒是提高强度 和增加合金塑性成形能力的方法之一。
镁合金作为 中低层错能金属，容易发生动态再结晶[4]。
研究表 明，通过控制变形的工艺参数能有效的控制动态再结 晶，达到细化晶粒的效果[5_7]。
鉴于此，本文研究了 拉应力条件下应变速率对挤压态AZ 31镁合金晶粒结 构、晶粒尺寸和再结晶分数的影响规律。
图1拉伸试样尺寸示意图(单位:mm)Fig. 1 Size and geometry of the tensile sample2结果与讨论1实验过程为了保证实验所有镁合金样品的初始织构保持 一致，采用AZ 31挤压态样品，成分(质量分数，wt . % ) 为 A 12. 8 ~3. 2，Mn 0. 2 〜0. 1，Zn 0. 8 ~ 1. 2,余量Mg 。
AZ31镁合金的变形织构和协调变形机理一、AZ31镁合金的变形织构AZ31镁合金是一种高性能的镁合金，具有良好的可塑性和延展性，可以用于制作各种结构件。
它的变形织构是由许多主要和次要的变形织构组成的，它们经过变形后可以形成复杂的织构。
1. 主要变形织构AZ31镁合金的主要变形织构主要包括晶粒变形、滑移变形和脱钙变形。
晶粒变形是由晶界移动而形成的，晶界可以在组织中移动，形成新的晶界，从而形成新的织构。
滑移变形是由晶粒内部滑移而形成的，它可以在晶粒内部形成新的织构。
脱钙变形是由钙原子从晶粒中沉积而形成的，它可以形成新的织构。
2. 次要变形织构AZ31镁合金的次要变形织构主要包括滑移变形、拉伸变形、压缩变形和拉伸变形。
滑移变形是由晶粒内部滑移而形成的，它可以在晶粒内部形成新的织构。
拉伸变形是由晶粒外部的力作用而形成的，它可以在晶粒外部形成新的织构。
压缩变形是由晶粒内部的压力作用而形成的，它可以在晶粒内部形成新的织构。
拉伸变形是由晶粒内部的拉伸力作用而形成的，它可以在晶粒内部形成新的织构。
二、AZ31镁合金的协调变形机理AZ31镁合金的协调变形机理是由多种变形机理协同作用而形成的，它们可以有效地改善AZ31镁合金的力学性能。
1. 晶粒变形机理晶粒变形机理是由晶界移动而形成的，晶界可以在组织中移动，形成新的晶界，从而形成新的织构。
晶粒变形机理可以有效地增强AZ31镁合金的变形织构，从而提高材料的强度和延展性。
2. 滑移变形机理滑移变形机理是由晶粒内部滑移而形成的，它可以在晶粒内部形成新的织构。
滑移变形机理可以改善AZ31镁合金的变形性能，增加材料的可塑性和延展性。
3. 脱钙变形机理脱钙变形机理是由钙原子从晶粒中沉积而形成的，它可以形成新的织构。
脱钙变形机理可以改善AZ31镁合金的变形性能，增加材料的可塑性和延展性。
三、结论AZ31镁合金的变形织构由主要变形织构和次要变形织构组成，它们经过变形后可以形成复杂的织构。
AZ31镁合金挤压成形微观组织演化的试验研究与数值模拟镁合金具有质轻、比强度、比刚度高以及容易回收等优点,在汽车、航空航天等行业具有广阔的应用前景。
但由于镁合金是密排六方晶体结构,其室温成形性能很不理想,而在温热状态下具有良好的塑性成形性能。
镁合金在塑性加工过程中,会由于滑移和孪晶使晶粒发生转动而形成强烈的织构。
同时镁合金在热变形过程中容易发生动态再结晶,使晶粒细化。
试验研究表明,镁合金成形过程中的晶粒尺寸与织构演化对其材料性能有着明显影响。
因此,研究成形过程中微观组织的变化规律对预测镁合金产品性能具有重要的意义。
集成计算材料工程集选材、设计、制造、优化于一体,是材料学科一个新的研究方向。
它将材料初始的微观组织结构信息作为计算机仿真的输入,模拟宏观制造过程及相应的微观组织演变,最终获得不同度量尺度和加工过程里所有相关的材料信息,实现低成本下产品的最优化设计,并且能够缩短新材料的研发时间。
本文根据集成计算材料工程的研究方法对镁合金挤压过程的微观组织演化进行研究,采用试验和模拟两种手段,系统学习了挤压对平均晶粒尺寸和织构分布的影响,为今后镁合金产品的性能预测奠定坚实的基础。
晶体塑性力学在织构模拟中已经得到广泛的应用,本文对不同模型和模拟方法进行对比,确定最适合于AZ31镁合金的模拟方法。
首先建立了滑移主导的率无关单晶体模型,通过模拟单晶体铝板的冲压验证了其正确性。
基于该单晶体模型,分别根据泰勒模型和弹塑性自洽模型建立滑移主导的多晶体模型。
进一步考虑孪晶在织构演化中的作用,建立了耦合滑移、孪晶的多晶体塑性力学模型。
通过模拟AZ31镁合金挤压棒材在压缩过程中的织构分布,对不同的多晶体模型和模拟方法进行对比,该研究为后续的数值模拟提供理论基础。
为了研究铸态AZ31镁合金高温变形时的微观组织演化,对铸态AZ31镁合金进行了不同变形条件(温度、应变速率和应变)下的恒温热压缩试验。
在相同变形条件下,铸态棒材中间部位和边缘部位的应力应变曲线比较接近。
增刊３刘祖岩等：Ａｚ３１镁合金应力－应变关系的测定与四维描述·３０５．具体方法是，在本实验结果的基础上．引用其他参考文献【２～８】中的数据，互相比较和佐证，再采用线性插值的方法，计算出不同温度，应变速率，应变条件下的应力值，从而得到比较完整的数据。
这里，在线性插值之前，需要对应变速率的值取对数。
经过整理和扩充后的数据涵盖了温度范围２０４００℃，应变速率范围００１埘０，ｓ，应变范围Ｏ屯。
图２是应变为０．２时，温度对退火态和挤压态Ａｚ３ｌ镁合金变形应力的影响。
虽然应力随着温度的增高而降低。
但在不同应变速率下，其下降的速度是有所不同的。
低应变速率时，在１０¨３００℃范围内，应力下降较快，高应变速率时，在３０肚４００℃范围内，应力下降快，这样约在３００℃时，不同应变速率对应的应力范围较大。
１ｂｍｗｍｔＩｌｒ“℃图２不同应变速率下，温度对不同组织形杏Ａｚ３ｌ镁台金变形应力的影响Ｆｉｇ２Ｔｈｅｉｎｎｕｃｎｃｃｏｆ蛔唧ｅｒｇｈ腓ｏｎｔｈｃｓ虮ｓｓｏｆａ皿ｅａｋｄ粕ｄ“虮ｌｄｅｄＡＺ３】ａｔｄｊ丘ｂ雎Ｄｆ砌ｊ珊眦ｂｎａｊ丑ｎ２）以上是应力－应变关系的二维表现形式，比较直观，易于理解。
考虑到二维图形中的一条曲线只能描述应力与一个变量的对应关系，若用一组曲线还可以考虑到另外一个因素的影响。
这样的话，用二维空间全面地描述材料的应力一应变关系，就需要６个二维图形，或是６组二维曲线来表示。
当然若用三维空间来全面地描述应力应变关系，就只需要３个三维图形。
图３是不同温度时，挤压态Ａｚ３ｌ镁合金的一组应力．应变．应变速率三维曲面。
还可以画出不同应变时的一组应力．应变速率．温度三维曲面和不同应变速率的一组应力．应变．温度三维曲面。
这些曲面园应力数值不同，配以不同颜色，也是比较清晰明了的。
从中可以分析出各种因素对应力的影响规律。
若用某一等值平面与这些曲面相交割，相交处得到一组组平面曲线，他们实质上就是上面提到的二维空间中的６组曲线。
可见三维图形中包含了全部二维的信息，比二维空间的信息量更大。
实际上，对这３组三维空间曲面中的任意ｌ组来讲，由上下２个曲面和四周４个平面围成的不规则的空间就完全代表了材料在这一范围内的应力．应变关系。
可见材料的应力一应变关系可以有３种不同的，也是不规则的三维表现形式。
图３不同温度时，挤压态ＡＺ３】镁合金应力—应变．应变速率三雏曲面Ｆｉｇ３Ｔｈｒｅｅ—ｄＬｍ即ｓｌｏｎｓｍｆｈｃｅｓｏｆ１ｈｅｎ∞ｓｓ－ｓｔｒａ血．ｓ妇ｉｎｒａ把∞ｌ砒ｌｏｎｓｈｉｐｏｆｅｘｔｍｄｅｄＡＺ３ｌ砒ｄｉ丘ｂ仲ｎｔ钯ｍｐ啪ｍｎｓ３应力一应变关系的四维描述按照上面的思路，进一步考虑应用四维的空间来描述材料的应力一应变关系，即用应变，应变速率，温度组成一个三维的空间，在此空间中，用颜色来描述应力值，从而构成了一个，仅仅一个四维的应力．应变关系模型。
四维模型可以用ＭＡＴＬＡＢ软件来实现，见圈４。
这一模型同上述的三维空间～样，包含了材料应力．应变关系的全部信息，而且形状非常规则，可称为应力应变彩砖模型。
利用ＭＡＴＬＡＢ命令，可以对这一模型进行各种各样的描述，分析和说明，从中得到任意的等值线、等值面，以及各种平面、曲面与之相交的结果等，为材料性能研究提供强有力的工具。
实际上，四维模型算是三维模型的一个变种，反之亦然。
两者所含的信息量是一样的。
在三维模型描述中．应力值的大小既用坐标高度值表示，又用颜色表示．重复了。
如果只用颜色表示应力值，而用坐标高度值表示另外一个变量，那就是这个四维模型。
可以这样想像：将三维模型中的一组曲面沿应力坐标方向投影到某一平面上，得到一组平面，颜色不变。
将应力坐标改变为某一变量坐标，再将这一组平面沿着·３０６·稀有金属材料与工程第撕卷这某一变量坐标展开，就得到了四维的模型。
或者说全部展平，就得到了由６个平面构成的四维空间ａ是将由４个平面，２个曲面构成的三维空间中的曲面４结论图４退火态和挤压态Ａｚ３ｌ镁合金应力一应变关系的四维描述Ｆ１９４Ｔｈｃｆｏｕ｝ｄｍｅｎｓｉｏ凸ｅｘｐｆｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｌｎｆｅｌａＩｌｏｎｓｈｉｐｏｆａｎｎｅａｋｄ（ａ）ａｎｄｅｘｔｒＩＩｄｃｄ（”Ａｚ３１１）温度和应变速率对应力一应变关系有较大影响。
一般情况下，温度越低，应变速率越高．应力也越高；反之，应力越低。
但两者同时作用在Ａｚ３１镁合金上时，有其自身的特点。
室温时．挤压态的材料强度比退火态的明显高，可见微观组织形态对性能有很大影响。
在１０肛３００℃之间，２种材料的应力值逐渐下降，高应变速率时，应力下降速率低一些，反之，应力下降速率高一些。
在３００４００℃之间，情况恰好相反，高应变速率时，应力下降速率快一些，反之，应力下降速率慢一些。
３００℃左右时，不同应变速率导致的应力值差别最大。
接近４００℃时，无论是高应变速率，还是低应变速率，２种材料的应力一应变关系趋向一致，组织形态和应变速率的作用变小。
２）对于材料的应力．应变关系而言，应用已有的商业软件。
可以对它进行全方位的二维、三维和四维的描述和分析。
二维分析时，需要６个平面上的６组曲线来全面完整地表示出材料的应力．应变关系。
而三维分析时。
只需要３个三维的空间就可以。
这３个三维空间形式不同，也不规则，但都包含有同样的信息量，是等价的。
但用四维模型时，借助颜色来表示应力值，就可以把这３个不规则的三维的空间统一到１个规则的四维模型中。
可以说四维模型是三维模型的变种，它们是等价的，只是表现肜式不同而已。
参考文献ＲｅｋｒｅｎｃｅＢ【１】ｗ８ｎｇＱｉｎ目ｕａｎ（王庆娟）。
Ｄｕｚｈｏｎｇｚｅ（杜忠泽），Ｌｉｕｃｈ蚰ｇｒｕｉ（刘长瑞）“以Ｌ培胁』脚ｎ６ｍｄｆｌｏＨ死ｃ＾舳上０∥（轻合金加工技术）【几２００６，３４（１）‘１４【２］Ｈ啪ｇＧｌｌａｎ百Ｉｅ（黄光杰），ｚｌｌ∞Ｇｕｏｄ柚（赵国丹）由Ⅳ＂一０，ｃ＾ｏ删ｌ愕如，，，栅ｋ矿恐曲月。
如烈重庆工学院学报）【Ｊ］，２００６，２０（２）：６０口】ｘｌａＪｕｃｈｃｎ（夏巨谌）＇ｗａｎｇｘｉｎｙＩｌｎ（王新云），ｃｈｅｎｇＪ帅ｗｅｉ（程俊伟）甜ｄ』而曙７嘴＆跏”驴‘昭Ｔｂ幽Ｈｏ如∥（锻压技术）【几２００５．２：４９【４】“Ｌｉｎｌｉｎ（李琳琳）．ｚｈａ”ｇｚｈｊｍｉｎ（张治民）．ｘｕｅＹｏｎｇ（薛勇）ｃｈ埘ｎ＾｛ｅ抽蜘ｒｍ汹ｇＥｑｕｔｐ㈣｜矗ＭｄｎＭ如ｃ“ｎｎｇ赴ｃｈＨｏｌｏ封（锻压装备与制造技术）［Ｊ］，２００６，２：７０【５】Ｇ∞Ｑｉ卸ｇ（郭强），ＹａｎＨｏｎｇｇｅ（严红革），ｃｈｅｎｚｈｅｎｌｌｕａ（陈振华）“以ｎＰ西㈣而聊ｚｄ，矿Ⅳ０，毋，＂ｗ＾出ｋｈ（中国有色金属学报）【刀，２００５，１５（６）：９００【６］Ｈｕａｎｇｏｕ扑ｇｓｈｅ口ｇ（黄光胜）’ｗａｎｇＬｌ“ｇｙＩｌｎ（汪凌云），Ｈｕ蛆ｇＧｌｌａｎ舒ｉ“黄光杰Ⅻ以胁ｍ，Ｊ艮搠ｆ昭死ｃ＾加吲金属成形工艺）¨］，２００４，２２（２）：４ｌ［７】ＬａｐｏｖｏｋＲＹｃ．ＢａｍｅｎＭＲ＇ＤａｖＩｅｓｃＨＪＪＤ，胁蛔由ｂ＾㈣垤ｍ＾ｎ口岫［Ｊ】，２００４，１４６：４０８【８】ＴａｋｕｄａＨ，Ｍｏｎ出Ｉ乜Ｔ，Ｋｊｎｏｓｈｌ组Ｔ“以Ｊ矿胁船瑚ｂ尸ｒＤｃ黜ｓｊ噌‰＾肿虹秒Ⅲ，２００５，１６扣１６５：１２５８AZ31镁合金应力-应变关系的测定与四维描述作者：刘祖岩， 刘刚， 梁书锦， Liu Zuyan， Liu Gang， Liang Shujin作者单位：哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001刊名：稀有金属材料与工程英文刊名：RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING年，卷(期)：2007，36(z3)被引用次数：2次1.王庆娟.杜忠泽.刘长瑞查看详情[期刊论文]-轻合金加工技术 2006(01)2.黄光杰.赵国丹查看详情[期刊论文]-重庆工学院学报 2006(02)3.夏巨谌.王新云.程俊伟查看详情[期刊论文]-锻压技术 2005(02)4.李琳琳.张治民.薛勇查看详情[期刊论文]-锻压装备与制造技术 2006(02)5.郭强.严红革.陈振华查看详情[期刊论文]-中国有色金属学报 2005(06)6.黄光胜.汪凌云.黄光杰查看详情[期刊论文]-金属成形工艺 2004(02)povok R Ye.Barnett M R.Davies C H J查看详情 20048.Takuda H.Morishita T.Kinoshita T查看详情 20051.期刊论文徐绍勇.龙思远.廖慧敏.曹凤红.XU Shao-yong.LONG Si-yuan.LIAO Hui-min.CAO Feng-hong应变速率对AZ31挤压变形镁合金力学行为的影响-材料热处理学报2010,31(5)通过静态拉伸试验机和高应变速率冲击拉伸试验装置,对AZ31挤压镁合金分别进行了不同应变率下拉伸力学性能的试验,获得了各应变速率下完整的应力-应变曲线.并通过扫描电镜对其拉伸断口进行分析.结果表明,其屈服应力、拉伸强度随着应变速率的增加而增加,失稳应变则随着应变速率的增加而有所减小;而弹性模量则对应变率不敏感.采用Johnson-Cook 材料模型描述AZ31镁合金应变速率相关的应力应变本构模型,其拟合结果和实验结果基本相吻合.扫描电镜断口分析结果表明,动态和静态的断裂方式基本相同,都是以准解理断裂特征为主,局部区域伴有解理断裂.2.学位论文咸奎峰AZ31镁合金笔记本电脑外壳件温成形的有限元分析2006本文在温度为200～350℃和应变速率为0.001～0.1s-1的条件下，对AZ31镁合金板进行拉伸实验，得到了AZ31变形镁合金板在温拉伸成形的应力应变曲线。
通过对Fields-Backofen方程修正分析，建立了AZ31镁合金板温拉伸流变应力数学模型，在峰值应力之前，模型预测值与实测结果相比十分接近。
针对镁合金的软化特性，对加入软化因子s的模型进行了计算，与修正的Fields-Backofen相比，更好的模拟了软化阶段的流变应力变化。
在材料模型的基础上，利用DEFORM有限元软件对AZ31变形镁合金板温拉深笔记本外壳实验做了模拟。
得到了AZ31变形镁合金板笔记本外壳温拉伸成型的最佳工艺，并对一些实验中较难进行的工艺条件做了优化的预测。
针对拉深实验的温度，拉深速度，润滑等工艺条件的研究表明，模拟得到的结果与实验结果较为接近，证明DEFORM软件能够准确模拟金属成形加工时应力应变和温度场的分布和变化。
实验和模拟得到的最佳冲压温度为250℃，最佳拉深速率为0.1mm/s，最佳压边力为1吨，最佳模具间隙为0.1mm。
对工模具参数的模拟表明，大的凸模圆角有利于板料的拉深。
对于方形壳件的拉深，存在一个最佳的凹模直壁圆角。
