激光冲击下AZ31镁合金强化效应及应力-应变响应分析
时间：2022-09-29 17:55:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
贾勉 蓝永庭 魏中顺
摘 要：镁合金作为21世纪的绿色金属材料，广泛应用于交通运输、航空航天等领域，但其绝对强度较低。为解决此问题，采用激光冲击方法对AZ31镁合金矩形试样表面分别开展单面冲击和双面冲击试验，通过调整激光能量得到了具有不同梯度层体积分数的镁合金试样，再进行单轴拉伸加载试验。在Johnson-Cook模型基础上，提出一种塑性应力-应变自然对数二次多项式拟合的方法对单轴拉伸试验数据进行应力-应变响应分析，并对不同梯度层体积分数的AZ31镁合金进行预测。研究结果表明：激光冲击后镁合金表面生成晶粒梯度结构层，可有效提高AZ31镁合金的屈服强度和抗拉强度，且双面冲击强化效果优于单面冲击;改进后的模拟数据与试验数据基本吻合，成功地再现了梯度结构镁合金应变硬化增强效应;最后，拟合得出含梯度层体积分数的改进模型参数表达式，其预测结果验证了模型的合理性。
关键词：AZ31镁合金;梯度结构;激光冲击;Johnson-Cook模型;二次多项式拟合
中图分类号：TG146.2 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.03.015
0 引言
镁合金的密度低（1.8 g/cm3），具有减震性好、生物相容性佳、回收率高、导电导热性好等优点，是目前工程应用中最轻的金属结构材料[1]，广泛应用于交通运输、航空航天、电子通讯、医疗器械等领域[2]。但是，镁合金具有密排六方结构，常见的滑移系只有3个，在室温状态下加工成型困难，且绝对强度较低[3]。
激光冲击处理（laser shock processing，LSP）是一种新型的表面改性手段，利用强激光束辐射靶材表面，产生高温高压等离子体，最终形成超强冲击波向金属内部传播[4]。当冲击波的峰值压力大于靶材的动态屈服强度时，金属表面发生剧烈的塑性变形，应力状态以及微观结构均会产生明显的变化[4]。峰值压力沿着靶材厚度方向不断衰减，表层的塑性变形程度最严重，芯部几乎不发生塑性变形，形成空间上的晶粒尺寸梯度变化。
光斑能量对冲击效果的影响最大，光斑的大小与形状、约束层和吸收层的厚度、光斑搭接率、冲击次数等也会影响梯度层的厚度。文献[5]选用工作频率为5 Hz、波长为1 064 nm的高功率强激光磷酸盐钕玻璃激光器，输出激光的脉冲宽度为15 ns，激光束能量设置为10.2 J，选择3 mm厚的水簾和0.1 mm厚的铝箔分别作为约束层和吸收层，圆形光斑为直径3 mm，搭接率控制在50%。该激光冲击设备成功实现了AZ31B镁合金的表面自纳米化，冲击前的镁合金平均晶粒尺寸为17.5 μm，冲击后的镁合金表面平均晶粒尺寸为15.7 nm，梯度层厚度超过1 mm[5]。文献[6]采用相同规格的激光器，选择2 mm厚的水帘和0.12 mm厚的铝箔分别作为约束层和吸收层，激光能量设置为3 J、5 J和7 J。在光斑能量为5 J的激光冲击下，初始晶粒直径500 μm的AZ91D镁合金细化至50～80 nm，纳米晶粒层厚度超过30 μm，整体梯度层厚度约0.6 mm。文献[7]以AZ31镁合金为研究对象，采用直径3 mm、能量7 J的光斑冲击表面，测得强化梯度层厚度约为0.8 mm。由此可见，通过调整光斑能量，可有效控制镁合金表面梯度层的厚度。
本构模型是一种用来反映材料应力-应变演化规律的数学模型，因此，找到合适的数学函数描述材料宏观塑性流动规律，对于研究外界激励与物质反馈激励的定量关系至关重要[8-9]。目前，有2种较为常用的研究金属材料宏观变形机制的本构模型，分别是Zerilli-Armstrong模型[10]和Johnson-Cook（J-C）模型[11]。其中，J-C模型综合考虑了金属材料在塑性变形过程中流动应变、应变速率以及变形温度三者的耦合，定量建立了流动应力大小与应变硬化、应变速率硬化、热软化之间的宏观本构关系[12]，可以成功地预测不同变形条件下金属的塑性变形情况。在实际应用中，研究者们通常会根据试验数据对J-C模型进行改进，以提高模型的预测能力。金皓等[13]分别构造了原始和改进的J-C模型，并在此基础上进行了一系列的优化，较好地模拟了AZ80镁合金的热变形。刘畅等[14]以Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金为研究对象，对J-C模型的温度、应变速率、应变耦合效应作了部分改进，最终预测数据与试验数据的平均相对误差为4.5%，相关度为0.994。李恒奎等[15]通过改进J-C模型的应变率项，系统地研究了5083P-0铝合金在高应变率下的力学行为，对比验证了模型的合理性。
虽然研究者们已经在LSP后镁合金的拉伸性能[16-20]、硬度[21]、耐磨性[22]、抗疲劳性[23]、耐腐蚀性[24]、生物相容性[25]等方面做了大量有价值的工作，但是关于梯度结构镁合金本构模拟的研究甚少，鲜有学者从梯度层的角度出发，找到梯度层体积分数与镁合金宏观变形的规律。为此，本文以商用AZ31镁合金为研究对象，采用不同的光斑能量在镁合金表面诱导生成不同体积分数的梯度层，开展室温准静态拉伸试验，研究了梯度结构镁合金的强化效应。基于不同梯度层体积分数的镁合金真应力-应变试验数据，采用一种塑性应力-应变自然对数二次多项式拟合的方法对退化后的J-C模型进行改进，最后针对6种不同梯度层体积分数的结构镁合金分别进行预测，为合理描述梯度层体积分数与镁合金塑性变形之间的定量关系，以及进一步利用激光冲击技术提高镁合金的强度提供了借鉴。
1 试验材料及过程
1.1 试验材料
商用AZ31镁合金的化学成分如表1所示。时效处理为：450 ℃处理1 h，置于空气中自然冷却。使用线切割机将直径为25 mm的镁合金挤压棒加工成如图1所示的待冲击试样，试样表面采用金相砂纸逐级打磨光滑（砂纸精度由低至高分别为400#、600#、800#、1000#、1500#）。
1.2 激光冲击处理
参照文献[7]所实施的实验方法，采用搭接率50%、直径3 mm的光斑分别对AZ31镁合金试样表面进行单、双面冲击，如图2所示。光斑能量设置为5 J、6 J、8 J，可获得厚度为0.5 mm、0.8 mm和1.0 mm的梯度层。LSP前后AZ31镁合金力学试样表面宏观样貌对比如图3所示，激光冲击下镁合金表面经历了剧烈的塑性变形，沿着厚度方向不断衰减，进而生成了加工硬化梯度层。LSP整体加工方案如表2所示，将梯度层厚度转化为梯度层体积分数，[梯度层体积分数=]梯度层总厚度/标距内试样厚度×100%，其中标距内试样厚度为5 mm。
1.3 试验方法
使用型号为ETM105D的力学拉伸试验机，针对激光冲击前后的AZ31镁合金矩形力学试样分别开展单轴拉伸加载试验，试样示意图如图1所示，整个试验过程均在室温状态下进行。恒定应变速率设置为0.001/s，配合使用长度标距为25 mm的引伸计，当产生0.2%的塑性应变时取下引伸计，并记录相对应的应力作为条件屈服应力，随后以相同的应变速率拉伸直至试样断裂。
横向截取小块LSP后的AZ31镁合金作为观测样品，使用金相砂纸将横截面逐级打磨光滑，抛光后擦拭酒精清洗并吹干。最后，使用飞纳台式扫描电镜（加速电压为15 kV）观察样品横截面形貌。
2 试验结果与分析
激光冲击前后AZ31镁合金准静态拉伸真应力-应变曲线如图4所示。总体来看，无论是单面冲击还是双面冲击，LSP均能有效提高AZ31镁合金的屈服强度，且双面冲击的强化效果要优于单面冲击。初始AZ31镁合金屈服强度为171.7 MPa，抗拉强度为261.6 MPa，LSP-20%（双面）的AZ31镁合金屈服强度高达229.5 MPa，上升了34.5%，抗拉强度达到299.8 MPa，上升了14.5%，如表3所示。文献[4]研究表明，经LSP后，镁合金表面产生方向随机的等轴纳米晶（50～80 nm），距离表面稍远的区域主要由位错缠结、位错墙、位错壁、位错胞以及片层状次纳米晶（100～300 nm）构成，随后是细晶、粗晶结构，形成了晶粒梯度结构层。文献[26]指出，晶粒梯度结构层的形成使材料的屈服强度和抗拉强度显著提升。
然而LSP后的镁合金的均匀伸长率都存在不同程度的下降。初始AZ31镁合金的均匀伸长率为18.4%，LSP-32%（双面）的镁合金均匀伸长率仅为3.3%，如表3所示。高强冲击波在超短时间内轰击镁合金表面，局部应力集中现象无法得到有效缓解，因而萌生大量微裂纹，如图5（a）所示。微裂纹最大长度超过10 μm，如图5（b）所示。在单轴拉伸加载条件下，微裂纹逐渐失稳扩展为宏观裂纹，导致镁合金试样提前断裂。同时，梯度结构镁合金出现不规律伸长率变化的主要原因是：能量不稳定的光斑在镁合金表面产生程度不一的凹坑，表面粗糙度的改变加剧了应变局域化进程，成为材料发生颈缩断裂的裂纹源[27]。
单面冲击下AZ31镁合金屈服强度与梯度层体积分数成正比，而双面冲击下AZ31镁合金屈服强度与梯度层体积分数成反比，如表3所示。此外在相同的20%梯度层体积分数下，双面冲击与单面冲击的强度并不相同。这些现象说明激光单面冲击与双面冲击的强化效果不完全一致，强度与梯度层体积分数之间可能存在临界值，過高的梯度层体积分数会产生负作用。
LSP前后AZ31镁合金应变硬化率曲线如图6所示。初始AZ31镁合金的应变硬化率约为1 800 MPa，LSP后镁合金的应变硬化率普遍高于初始试样，其中LSP-10%（单面）试样的应变硬化率最高，达到3 400 MPa，但随着塑性变形的持续累积，镁合金应变硬化率逐渐下降，到达500 MPa时趋于平稳。由此可见，在相同的变形区间内，梯度结构镁合金的应变硬化率比初始试样衰减的更快，这与图4中梯度结构镁合金强度上升、伸长率不足的现象基本一致。已有研究证实梯度结构会带来超高的应变硬化率，引起应变硬化增强现象，应变硬化率的大小与晶粒尺寸梯度率密切相关[26]。同时，双面冲击的梯度结构镁合金应变硬化率低于单面冲击，主要原因是纳米晶粒会降低梯度纳米结构材料的整体应变硬化率，从而加速紧缩，导致材料过早断裂[28]。
3 应力-应变响应计算
3.1 Johnson-Cook模型模拟及改进
J-C模型的整体表现形式为[12]：
[σ=（A+B（εpl）n）1+Clnεplε0（1−T∗m）]. （1）
式中：[σ]、[A]分别为参考应变率和参考温度下的应力、屈服强度;[B]为应变硬化系数;[εpl]为等效塑性应变;[n]为应变硬化指数;[C]为应变率的强化系数;[εpl]为等效塑性应变率;[ε0]为参考应变率;[m]为热软化系数。[T∗]为材料变形温度[T]处于熔化温度[TM]和相转变温度[TP]之间的权重系数，当[T<TP]时，[T∗=0];当[TP<T<TM]时，[T∗=T−TP/TM−TP];当[T>TM]时，[T∗=1]。
由于本次准静态单轴拉伸试验在室温状态下进行，不考虑应变率项和温度项对于材料流动应力的影响，因此J-C模型可以退化为式（2）：
[σ=A+B（εpl）n] . （2）
式中：[A]为试验中得到的屈服强度，[σ]为试验中得到的真应力，[εpl]为试验中得到的塑性应变，其大小为真应变减去弹性应变。
将式（2）经过简单变形转化为式（3），做[lnσ−A]与[ lnεpl]的线性拟合，斜率为[n]，截距为[lnB]，即可得到应变硬化指数[n]和应变硬化系数[B]。
[lnσ−A=nlnεpl+lnB]. （3）
考虑到LSP后AZ31镁合金[lnσ−A]和[lnεpl]之间的二次相关性，有必要对退化后的J-C模型做出改进。假设改进后[lnσ−A]和[lnεpl]满足式（4），做[lnσ−A]与[ lnεpl]的二次多项式拟合，即可得到参数[X1]、[X2]、[X3]。
[lnσ−A=X1lnεpl2+X2lnεpl+X3]. （4）
改进后的J-C模型表现形式为：
[σ=A+εplX1lnεplεplX2eX3]. （5）
不同梯度层体积分数AZ31镁合金线性拟合及二次多项式拟合如图7所示，初始AZ31镁合金[lnσ−A]和[lnεpl]线性相关程度最高，拟合系数R2为0.955 5，基本符合J-C模型。但LSP后AZ31镁合金的[lnσ−A]和[lnεpl]之间表现出强非线性，其中LSP-10%（单面）的拟合系数R2仅为0.897 4，说明线性拟合的方法并不适用于描述梯度结构镁合金的塑性应力-应变关系。改进后的二次多项式方法精度明显高于线性拟合，拟合系数R2均在0.99以上，如表4所示。
将表4所示的改进前后J-C模型参数及试验中得到的塑性应变分别代入式（2）和式（5），即可得到模拟结果与试验結果的对比图，如图8所示。通过比对试验数据和模拟结果可知，线性拟合得到的塑性应力-应变在小变形（约0.04）范围内低于试验结果，超过0.04的部分则高于试验值，均匀的应变硬化率不能很好地解释变形前期梯度结构带来的额外硬化。经二次多项式拟合得到的结果与试验结果基本吻合，成功地反映了梯度结构镁合金的应变硬化增强现象。
3.2 基于改进模型的预测
为了进一步验证改进模型的合理性与应用性，分别对单、双面冲击下的4个参数A、X1、X2、X3进行数据拟合，其中参数A采用线性拟合，参数X1、X2、X3采用二次多项式拟合，如图9所示。单面冲击与双面冲击参数拟合的趋势相反，再次证明2种冲击方式对于梯度结构镁合金的强化效果并不完全相同，需要分开讨论。根据参数拟合结果，引入梯度层体积分数自变量w%，从而得到w与4个参数之间的函数关系，并整合为统一表达式，如表5所示。
分别将w =12、14、18代入单面冲击的拟合公式，w =24、28、36代入双面冲击的拟合公式，结合式（5），预测得到梯度层体积分数12%、14%、18%（单面）和24%、28%、36%（双面）的AZ31镁合金塑性应力-应变曲线，如图10所示。预测趋势与研究结论基本一致，梯度结构可以有效提高镁合金的屈服强度、抗拉强度，且双面冲击强化效果要优于单面冲击，再一次验证了改进模型的合理性。
4 结论
调整光斑能量对AZ31镁合金表面分别进行单、双面激光冲击，然后开展准静态单轴拉伸试验，得到不同梯度层体积分数下的镁合金真应力-应变试验数据。基于试验数据改进J-C模型，并进一步预测了梯度层体积分数与镁合金塑性应力-应变之间的数学关系。相关研究结论如下：
1）经激光冲击诱导生成的晶粒尺寸梯度层可以提高AZ31镁合金的屈服强度和抗拉强度，其中LSP-20%（双面）条件下的强化效果最佳，屈服强度高达229.5 MPa，上升了34.5%，抗拉强度达到299.8 MPa，上升了14.5%，双面冲击强化效果要优于单面冲击，强化效应与梯度层体积分数有关。梯度结构镁合金均匀伸长率下降的主要原因是微裂纹的萌生和表面深浅不一的凹坑。
2）采用J-C模型，结合改进后的二次多项式拟合方法进行模拟，所得的应力-应变响应与试验数据基本吻合，成功地再现了梯度结构镁合金应变硬化增强现象，较好地描述了梯度结构镁合金的宏观应力-应变响应。
3）在改进J-C模型的基础上通过数据拟合，得到了梯度层体积分数w%与A、X1、X2、X3等4个参数之间的函数表达式，并合理预测了具有不同梯度层体积分数的AZ31镁合金宏观应力-应变响应。
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The strengthening effect and stress-strain response analysis of AZ31 Mg alloys prepared by laser shock processing
JIA Mian1，LAN Yongting*2，WEI Zhongshun1
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，
Liuzhou 545616， China; 2.School of Engineering and Technology， Guangxi University of Science and
Technology， Liuzhou 545006， China）
Abstract：
Magnesium alloy is widely used as the green metal material of the 21st century in transportation， aerospace and other fields， but its absolute strength is low. To solve this problem， firstly the single-sided and double-sided impact experiments were carried out on the surface of AZ31 Mg alloys rectangular samples using the laser shock processing method. The Mg alloys samples with different gradient layer volume fractions were obtained by adjusting the laser energy， and the uniaxial tensile loading experiments were carried out. Then， a plastic stress-strain natural logarithmic quadratic polynomial fitting method based on the Johnson-Cook model was proposed， the uniaxial tensile loading experimental stress-strain response data were analyzed. The research results showed that the grain size gradient structure induced by laser shock can effectively improve the yield strength and tensile strength of AZ31 Mg alloys. The strengthening effect of the double-sided impact is better than that of the single-sided impact. The improved simulation data are basically consistent with the experimental results， and the strain hardening enhancement effect of gradient Mg alloy is reproduced. Finally， the improved model parameter expression with gradient layer volume fraction was obtained by fitting， AZ31 Mg alloys with different gradient layer volume ratios were predicted， and the rationality of model was verified.
Key words：
AZ31 Mg alloys; gradient structure; laser shock processing; Johnson-Cook model; quadratic polynomial fitting
（責任编辑：黎 娅）
