微米晶AZ31镁合金低周疲劳行为研究(2)
本文重点阐述了经过ECAP变形后，AZ31镁合金的低周疲劳行为发生了何种改变，以及细化晶粒及冰冷后对于AZ31镁合金疲劳性能的具体影响。
1.2 镁合金的特点及应用
目前为止，在工程应用中最轻的结构材料当属金属镁及其合金，它们被誉为21世纪的绿色工程材料。纯镁的密度仅为1.736g/cm3，普通镁合金的密度在1.3~1.9g/cm3之间，与铝合金的密度相比轻了30%~50%，与钢铁的密度相比轻了70%以上。在工程应用上，这样的轻质特性使得结构件的质量大大减少。不仅如此，镁合金还具有如高导热性、高比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性等特性，这些优质的特性是铝合金与钢铁所不能替代的[1,2]。
在常温条件下，晶体镁为密排吹冰方结构。晶体镁的塑性变形机制与面心立方金属或体心立方金属有很大不同，这是由于密排吹冰方的结构特性导致了晶体镁在室温下的滑移系数量很有限。塑性变形机制仅仅限于基面（0001）<11 0>滑移及{10 2}<10 >孪生。综上所述，在室温条件下的变形过程中，镁晶体中存在的独立滑移系与几何滑移系数量较少。
相比于铸造镁合金，由于热变形后使得铸造时的缺陷消除，并且镁合金的组织得到细化，因此，伴随着更高的强度、延展性以及更为多样化的力学性能，变形镁合金产品的综合机械性能得到了很大的提升。在所有的变形镁合金中，AZ系应用最为广泛，在这之中又以AZ31居首。变形镁合金的主要用途如表1所示[3,4]。
表1 变形镁合金的主要用途
类别 部件名称 常用号牌 成型工艺
汽车本身件 内门板、行李箱盖 AZ31 热冲压
汽车底盘、覆盖件 底盘、发动机架、行李箱面板 AZ31、AZ31B 锻造、挤压、轧制
电子电器部件 笔记本电脑外壳、打印机板 AZ31B 锻造、轧制、热冲压
体育、办公、家庭用品 网球拍、自行车架 AZ31B 冲压、挤压
1.3 等径角挤压（ECAP）
1.3.1 模具结构
图1.1 ECAP模具结构示意图
ECAP模具结构参数包括：两通道夹角Φ、外侧夹角Ψ和外侧圆弧半径R等。考虑到模具外角Ψ的影响，Iwahashi等人的理论提出了总应变计算关系式：
式中N为挤压道次。
在上述几个参数中Φ对微观组织的影响最大，Φ较小时，每道次可以获得较大的应变量，从晶粒细化的角度来考虑，Φ＝90°时的效果最佳[5]。
1.3.2 挤压路径
在ECAP过程中，挤压路径表示：在挤压过程中，各道次挤压间试样都会沿着轴心旋转一定的角度，最终挤压的方位为挤压路径。对于EACP材料的组织和性能，不同的挤压路径会产生不同的影响。
常用挤压路径有四种（图1.2），分别为：A路径，各道次挤压之间试样都不进行旋转；Ba路径，每道次挤压后，试样沿轴心交叉转动90°；Bc路径，每道次挤压后，试样沿轴心旋转90°，进入下一道次，之后试样沿着相同方向再次旋转90°，以此类推；C路径，每道次挤压后，试样沿轴心旋转180°进入下一道次。通过四种不同挤压路径可以获得三种不同的织构。由于在同一方向上剪切变形逐渐增大，材料经过路径A可以获得片状晶粒；由于剪切方向在两道次间更迭，材料经过路径C可以获得等轴晶；由于每道次挤压过程中剪切面互相垂直，材料经过路径Ba和Bc可以获得纤文状结构。当Φ=90°，Ψ≈20°时，路径 Bc 可以优先获得大角度晶界，路径C次之，路径A最慢[6]。