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66 材料工程/2012年1期 不同应变率下MgAIZnY合金的 拉伸性能与断口研究 TensileProperty MgA1ZnYAlloys andFractureSurfacefor atDifferentStrainRates 梁浩,陈勇梅,胡文军,丰杰,谭 云 (中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900) — — LIANGHao,CHENYongmei,HUWenjun,FENGJie,TANYun (InstituteofSystemEngineering,ChinaAcademyofEngineering Physics,Mianyang621900,Sichuan,China) 摘要:利用材料试验机开展了室温拉伸实验,在o.001,0.1,0.6s_。不同应变率下,研究了Mg3AllZn2Y,Mg3A12Zn2Y 与Mg3A16Zn2Y合金流动应力的应变率敏感性,其大小为Mg3A12Zn2Y>Mg3AllZn2Y:>Mg3A16Zn2Y。基于分形理论 和计算机图像处理技术,结合扫描电镜分析,研究了合金断裂特征,结果表明:合金在不同应变率拉伸下的断口分形行为 显著,分形维数可将断口的韧脆性与形貌特征联系起来,分形维数越大,合金塑性相对越好,合金越倾向于延性断裂,断 口形貌也越复杂;三种合金断裂特性的应变率敏感性大小为Mg3A12Zn2Y>Mg3A16Zn2Y>Mg3AllZn2Y,且表现m 正负不同的应变率效应。 关键词:镁合金;应变率;断口;分形维数 中图分类号:TG146.2 文献标识码:A —— 文章编号:10014381(2012)01006605 Abstract:Thetensiletestswereconductedatroomtemperatureusingmaterialtestmachine.Thesensitivityof flowstrengthtostrainratewasresearchedatstrainratesof0.001,0.1,0.6sforMg3AllZn2Y, Mg3AI2Zn2YandMg3A16Zn2Y.ThesensitivitysequenceofflowstrengthisMg3A12Zn2Y> Mg3AllZn2Y>Mg3A16Zn2Y.Therupturecharacteristicsofmagnesiumalloysweredescribedbased — onthefractaltheoryandtechnologyofcomputerimagedisposalcombinedwithscanningelectronmi ’ croscope.TheresultsshowthatthefractalbehaviorofthealloysfracturesurfaceiSremarkable.The brittleness,plasticityandtheappearanceoffracturesurfacecanberelatedbythefractaldimension. ’ — Thehigherthefractaldimension,thebetterthealloySplasticity,themorecomplexthefracturesur faceandthealloyinclinestoductilerupture.Thesensitivitysequenceoffracturesurfacetostrainrate isMg3AI2Zn2Y>Mg3A16Zn2Y>Mg3AllZn2Ywithpositiveornegativeeffect. Keywords:magnesiumalloy;strainrate;fracturesurface;fractaldimension 有研究发现,一些镁合金在变形过程中拉伸与 断裂具有应变率敏感性口],该现象与其密排六方结 构有关。文献[4,5]报道了不同Al含量的镁合金 (AS21,AM60,AZ91,AM20,AM50与AM60)的应 变率效应,初步揭示了随Al含量增加应变率敏感性 降低的现象;文献[6]报道了AMSOA,AM60B与 AZ91合金的应变率敏感性,发现了微小的应变率效 应。以上研究表明,镁合金应变率效应与成分密切 相关。 相关研究表明[7--10],适量稀土元素Y对AZ系列 镁合金的静态力学性能及微观组织有改善,含钇镁合 金成为应用研究热点。本工作以不同zn含量的三种 含钇镁合金为对象,研究其流动应力的应变率敏感性。 近年来发展起来的分形理论认为,如果材料断口 具有一定的分形特征,那么分形维数可给出断口统计 意义上的描述,这为定量比较材料断口特征提供了新 途径。而目前,将分形理论与方法用于镁合金断裂特 性研究的报道较少。本工作基于分形理论和计算机图 像处理技术l_】,编制计算材料断口形貌的MATLAB 程序,从非线性系统人手,从未简化和抽象的研究对象 本身去认识其内在规律性,将难以定量描述的镁合金 断裂特性通过定量方法表述,并在此基础上探讨断口 分形维数与伸长率的关系,从而将断口特征与材料韧 脆特性相联系。 70 材料工程/2012年1期 d一1,2,3,本研究中d取2。 图7为三种镁合金在0.001,0.6s两个应变率 下的H(r)一r关系曲线,表1为拟合的曲线方程及计 算的断口分形维数,为了考察分形维数与合金伸长率 是否存在特定关系,将三种镁合金不同应变率下的伸 长率也列入表1中。结合图4~6可知,由于合金 Zn含量不同、拉伸应变率不同,导致断口形貌呈现不 同的凹凸度、光滑度以及层次性。由线性方程相关系 数可看出,曲线线性度很好,强的相关性说明这三种镁 合金的断口分形行为显著,都是具有分形与自仿射的 表面结构。不同合金在不同应变率拉断下的断口分形 维数不同,表明其复杂程度存在差别。对于AZ31Y 合金,0.001s应变率下的断口分形维数小于0.6s 应变率,表明提高应变率增大了AZ31Y断口的复杂 程度,这可以从图4(b)与图4(d)中得到印证:图4 (b)断口上还存在较完整的晶粒,没有明显韧窝,而 图4(d)已经具有非常明显的河流花样,同时出现等 轴韧窝,表现出一定的延性断裂特性。对于AZ32Y 合金,情况相反,提高应变率减小了断口分形维数, 表明高应变率降低了Az32Y断口的复杂程度。对 于AZ36Y合金,断口分形维数与应变率的关系同 AZ31Y,这可以从图6(b)与图6(d)中得到印证,较 高应变率引发的大量浅韧窝与针状孔洞增加了表面 复杂程度。 表1拟合方程与分形维数 ’ Table1Thecurvesequationsandfractaldimensions 图8为分形维数与伸长率的关系,可见,断口分形 维数与合金伸长率大小一致,例如:AZ36Y合金在 0.6s应变率拉伸下体现出最高的伸长率,其分形维 数为1.404,是其中最大的;而AZ32Y合金在0.6s 拉伸下伸长率最小,其分形维数为1.237,是其中最小 的。伸长率一般可在一定程度上反映材料塑性大小, 由此可见,这三种镁合金断口的分形维数将其韧脆性、 断口形貌特征联系起来,体现出如下规律:分形维数越 大,合金的塑性相对越好,合金越倾向于延性断裂,体 现的断I=I形貌也越复杂。同时,根据不同应变率下D 值的差别大小AD,可在一定程度上定量比较断裂特 性的应变率敏感性大小,由表1可知,三种合金断裂特 性的应变率敏感性大小依次为AZ32Y>AZ36Y> AZ31Y。另外,由实验结果以及AD的正负可知,应变 率从0.001s增至0.6s_。,AZ31Y与AZ36Y合金倾 向于延性断裂,而AZ32Y合金倾向于脆性断裂,可见 该体系镁合金由于Zn含量的不同,其断裂特性表现 出正负不同的应变率效应。 3结论 Q 图8分形维数与伸长率的关系 Fig.8Relationshipbetweenfractaldimensionandelongation AZ31Y>AZ36Y。 (2)三种合金在不同应变率拉伸下的断口分形行 为显著,可由分形维数将其韧脆性与断口形貌特征相 关联,分形维数越大,合金的塑性相对越好,合金越倾 向于延性断裂,体现的断口形貌也越复杂;三种合金断 裂特性的应变率敏感性大小依次为AZ32Y>AZ36Y  ̄AZ31Y,且表现出正负不同的应变率效应。 参考文献 — [1]YOKOYAMAT.Impacttensilestressstraincharacteristicsof (1)由于Zn含量不同,三种含Y的AZ系列镁合 ghtgilloys[J].Strai,2003,39(4):167175. 金流动应力应变率敏感性大小依次为AZ32Y> (下转第76页) 76 材料工程/2012年1期 续,有利于提高合金板材的抗剥落腐蚀性能。 参考文献 [1]HOLMANMC.Autoclaveageforminglargealuminumaircraft panels[J].MechanicalWorkingandTechnology,1989,20(9):— 477488. — E2]ZHUAW,STARKEJrEA.Materialsaspectsofageformingof A1一xCualloys[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,— 2001。117(3):354358. — — [3]ZHUAW,STARKEJREA.StressageingofAIxCualloys:ex — periments[J].ActaMaterialia,2011,49(12):22852295. 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