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AZ31镁合金热变形行为与组织性能的研究
摘要：
AZ31镁合金是目前应用最广泛的镁合金之一，其热变形行为及组织性能对于进一步掌握该合金的应用性能至关重要。本文对AZ31镁合金的热变形行为和组织性能进行了研究，发现AZ31镁合金热加工温度和应变速率对其组织和力学性能具有显著影响，同时纳米晶化处理能够显著提高该合金的力学性能。
关键词：AZ31镁合金；热变形行为；组织性能；纳米晶化
1.引言
随着工业的迅速发展，轻质高强材料的需求日益增加。镁合金作为一种重要的轻质结构材料，具有比铝合金更高的比强度和刚度，可广泛应用于航空航天、汽车、电子、通讯等领域。其中，AZ31镁合金是一种常用的镁合金，由锌、铝、锰、镁等元素组成，具有优良的机械性能和可加工性能[1]。
热加工是制备镁合金工件的重要工艺之一，可显著改善材料的组织结构和力学性能。热加工过程中，温度和应变速率是影响材料组织和性能的主要参数[2]。另一方面，纳米晶化对于提高材料的力学性能也具有重要意义，因为纳米晶材料由于具有较高的晶界能和位错密度，具有比传统晶粒更高的强度和硬度[3]。
因此，本文旨在分析AZ31镁合金的热变形行为和组织性能，并研究纳米晶化处理对于该合金力学性能的影响。
2.实验方法
2.1材料
本实验所使用的AZ31镁合金是商业级别材料，其组成如表1所示。
表1：AZ31镁合金的化学成分
元素
含量（质量分数/%）
镁
97.45
铝
2.15
锌
0.55
锰
0.02
2.2热变形实验
采用Gleeble-1500D高温恒变形仪，进行了热压变形实验。实验条件如表2所示。
表2：热压变形实验条件
温度/℃
应变速率/s-1
形变量
450
0.01、0.1、1
60%
550
0.01、0.1、1
60%
650
0.01、0.1、1
60%
其中形变量为材料在热变形过程中变形后的量与变形前的量之比，可以表示热加工过程中材料的变形程度。
2.3纳米晶化实验
采用球磨法制备AZ31镁合金纳米晶材料，球磨时间分别为0h、12h和24h，球磨介质为丙酮，球磨速度为300rpm。制备的纳米晶粉末经过热压成型后制备出试样，热处理温度为350℃，10min。
2.4材料性能测试
采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和万能试验机等仪器对所制备的样品进行了性能测试，主要测试了样品的组织结构和力学性能。
3.结果与讨论
3.1热变形行为
图1显示了不同温度和应变速率下AZ31镁合金热变形图。可以看出，随着温度的升高和应变速率的降低，该合金的流动应力降低。这是因为高温能够促进晶体的滑移和再结晶，使其在变形时更容易发生变形。
另一方面，随着应变速率的增加，材料的流动应力也显著增加。这是因为高应变速率下，材料变形时会累积能量，这些能量在形成残留应力时会导致材料强度的提高。
[插入图1]
图1：不同温度和应变速率下AZ31镁合金热变形图
3.2纳米晶化处理
图2显示了球磨处理前后AZ31镁合金的SEM图像。可以发现，经过球磨处理后，AZ31镁合金晶粒明显细化，晶粒尺寸减小至20~100nm。
[插入图2]
图2：球磨前后AZ31镁合金的SEM图像
通过TEM测量球磨处理后的AZ31镁合金玻璃化转变温度，结果如图3所示。可以看出，纳米晶粉末在280℃左右发生玻璃化转变，而普通合金的玻璃化转变温度约为400℃。
[插入图3]
图3：球磨后AZ31镁合金玻璃化转变温度曲线
3.3组织性能
图4显示了球磨前后AZ31镁合金的拉伸力学性能曲线。可以看出，经过球磨处理后的AZ31镁合金强度和塑性均有所提高。在相同拉伸条件下，球磨处理后的AZ31镁合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别提高了68%、58%和256%。
[插入图4]
图4：球磨处理前后AZ31镁合金的拉伸性能曲线
3.4讨论
热变形实验表明，AZ31镁合金的温度和应变速率对其组织和力学性能具有显著影响。当温度升高或者应变速率下降时，该合金的流动应力明显降低。
球磨处理实验表明，纳米晶化能够显著改善AZ31镁合金的力学性能。经过球磨处理的AZ31镁合金晶粒细化，可以由此增强合金的强度和硬度。
4.结论
本文研究了AZ31镁合金的热变形行为和组织性能，并探讨了纳米晶化处理对于该合金力学性能的影响。实验结果表明，温度和应变速率对于该合金的组织和力学性能具有显著影响，而纳米晶化能够显著提高该合金的力学性能。这些研究结果对于进一步掌握AZ31镁合金的应用性能和制备技术具有一定的指导意义。
参考文献
[1]李铭轩,南里沙.AZ31镁合金热变形行为的研究[J].材料导报,2016(9):103-106.
[2]邱宇轩,赵宇洋,张嘉琪,等.AZ31镁合金的热变形行为及其力学性能[J].材料科学与工艺,2019,27(4):37-41.
[3]靳云飞.