AZ31镁合金中绝热剪切带的组织演变规律

发布时间：2020-08-23 16:23

【摘要】：为了深入了解镁合金绝热剪切带与裂纹的关系,进而揭示镁合金在高速冲击载荷作用下局部变形绝热剪切的组织演变规律,采用分离式Hopkinson压杆对AZ31镁合金的帽状式样进行冲击压缩实验,而后利用光学显微镜,扫描电镜和维氏硬度计分别对冲击后的AZ31试样进行分析。结果表明,绝热剪切带形成于最大剪应力方向,随着冲击载荷的不断增加,沿着切应力方向上的微孔洞和微裂纹不断长大,直至彼此相互连接成裂纹,最终导致材料的断裂。经对剪切带及周围组织维氏硬度的测量发现,剪切带内细小晶粒区的硬度明显高于周围组织。
【图文】：

剪切区域,绝热剪切带

试样尺寸Fig.1Samplesize图2测试系统示意图Fig.2Testingsystem入射杆会对试样施加一定载荷，在试样的重叠处形成最大的剪应力区。这一方面放大了冲击载荷产生局部剪应力变形的能力，同时也能够比较容易地在试样最大的剪应力区域中捕捉到绝热剪切带。采用分离式Hopkinson压杆在高温150℃条件下对试样进行压缩。将实验后的试样沿轴线切开，经过研磨、抛光和腐蚀后在光学显微镜和扫描电镜下观察金相组织变化情况。对于产生绝热剪切带的试样进行显微硬度测试。2结果与讨论2.1帽状试样中绝热剪切带的显微组织分析图3为帽状试样在150℃条件下经过冲击后的金相照片。通过照片可以清晰看到，在沿着与冲击方向成45°的切应力方向上形成了明显的变形带，这与最大切应力的方向一致，且在变形带的两侧发现了大量几乎平行分布的孪晶。由此可以推断，在冲击载荷的作用下，AZ31镁合金发生了明显的变形局部化现象。图4a为绝热剪切带在放大200倍下的金相照片，图4b和4c分别为图4a和图4b中方框内放大500倍和1000倍的金相照片。通过在高倍显微镜下的观察，可看到剪切带内晶粒度与周围组织的晶粒度产生了鲜明的对比，可以发现带内晶粒较带外晶粒明显细小，图3在剪切区域发现的绝热剪切带Fig.3Adiabaticshearbanddiscoveredintheclippingregion图4绝热剪切带在金相显微镜下的组织Fig.4Metallographicstructureofadiabaticshearband剪切带内产生了大量孪晶，剪切带是由大量孪晶带切割形成的细小晶粒。通过测量，剪切带带宽约为15μm，晶粒尺寸为1μm左右。在近年国内外对绝热剪切带的研究中发现，材料的类型和组织虽然不同，实验条件亦不相同，但大多数的绝热剪切带中心的微观组织基本都有相同的特点，即带中心的微观组织都非常细小，这种?

绝热剪切带,微孔洞

第5期毛萍莉等：AZ31镁合金中绝热剪切带的组织演变规律·1183·碎化程度逐渐减校2.2绝热剪切带内微孔洞的的观察图5a，5b所示为剪切带内微孔洞的金相照片。在应变带内发现了长条状的孔洞，这些孔洞沿应变带分布，间隔不定。对于微孔洞的研究表明，在应变率和温度的相互作用下，绝热剪切带形成于材料中的薄弱环节,材料的失效优先在绝热剪切带内部产生。因此，观察发现微孔洞主要产生于剪切带中心部位，可以说明材料的失效与微孔洞的存在有直接联系。图5c，5d，5e，5f所示为图5a和5b剪切带内微孔洞的320倍，1700倍和5000倍的扫描电镜照片。通过对照片的分析，可以得到，裂纹在绝热剪切带内萌生，在应变率不断升高时，裂纹随之长大，直到贯穿整个剪切带。绝热剪切带作为高应变率下的一种破坏形式，在汽车防撞性研究中有着重要的作用。在高速冲击载荷作用下材料的的损伤有微孔洞，微裂纹和绝热剪切带几种形态。在图5c中可以清晰看到，在绝热剪切带内存在微孔洞。一般来说，微孔洞都是在材料结构不均匀处产生的。在高速冲击载荷的作用下，帽状试样在剪切区产生绝热剪切带之后，在切应力的分方向上的变形局部化会导致变形带内应力应变集中。当应力和温度达到一定程度后，合金强度降低，周围材料不均匀及不协调的变形导致了微孔洞和微裂纹的产生。如图5e中所示，裂纹的拓展方向与周围的孪晶界近似垂直时，剪切带内的裂纹穿过晶粒并终止于晶界处。这说明孪晶形成于裂纹产生之前，这种孪晶界具有止裂作用，因为当裂纹在扩展过程中遭遇到它们时要消耗额外的能量来穿过孪晶界或使其弯曲，而无力继续扩展。而裂纹经过平行于裂纹扩展方向的孪晶时，只需要较小的能量就可继续扩展，这样的孪晶可能成为裂纹扩展的通道。随着冲击载荷的不断增

【参考文献】