鎂合金是目前工業(yè)上可應(yīng)用的最輕的金屬材料，具備高比強度和高比剛度等優(yōu)良的力學(xué)性能。高性能鎂合金材料主要被應(yīng)用在航天航空、交通運輸?shù)燃舛瞬块T。通過擠壓、鍛造、軋制等工藝生產(chǎn)出的變形鎂合金產(chǎn)品，比鑄造產(chǎn)品具有更高的強度、更好的延展性、更多樣化的力學(xué)性能，可以滿足更多結(jié)構(gòu)件的需求，具有鑄造材料無法替代的優(yōu)秀性能[1-5]。
鎂合金中添加稀土金屬元素能夠顯著提高合金的室溫力學(xué)性和高溫性能，目前國內(nèi)外研究者采用的合金化稀土元素主要包括Ce，Nd，Gd，Y等。稀土元素Y的豐度較高，尤其是原子量比其它稀土元素小很多，合金化效率高，Y用作鎂合金的合金元素是合理的[6]。
WE71合金先在537℃下進(jìn)行16h的均勻化，然后在應(yīng)變速率為0.01、0.1、0.5和1s-1，變形溫度為400℃、450℃和500℃條件下進(jìn)行等溫?zé)釅嚎s實驗[7,8]。本文以Mg-7Y-1Nd-0.5Zr合金為熱模擬對象.研究了合金在高溫壓縮變形過程中的真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系.以及流變應(yīng)力與應(yīng)變速率、變形溫度之間的關(guān)系，通過計算得到了不同塑性變形條件下的變形激活能和應(yīng)力指數(shù)等材料常數(shù)。建立了合金的本構(gòu)方程。為進(jìn)一步優(yōu)化合金的熱塑性加工工藝參數(shù)提供指導(dǎo)和依據(jù)。
1試驗材料和方法
1.1合金制備
本實驗合金為Mg-7wt.%Y-1wt.%Nd-0.5 wt.%Zr(WE71)，采用中頻感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，溶劑(CaF2，MgCl2) 覆蓋保護(hù)，純鎂在鐵坩堝中熔化，750 ℃加入 Y和 Nd 純金屬塊，升溫至820 ℃ 加入 Mg-30Zr 中間合金，靜置 20 min，同時加大電磁攪拌功率，隨后降溫至 720 ℃ 澆鑄，鑄錠尺寸為 Φ 250 mm × 500 mm，車去外表皮和冒口，截取鑄錠的頂部為研究對象，用線切割沿鑄錠同心圓半徑R/2位置處切取試樣。合金的設(shè)計成分和實測成分
表1 WE71鎂合金材料的實際成分
1.2均勻化熱處理和等溫?zé)釅嚎s實驗
WE71鎂合金鑄錠在537℃進(jìn)行16h的均勻化，然后在應(yīng)變速率為0.01、0.1、0.5和1s-1，變形溫度為400℃、450℃和500℃，最大變形程度為60%條件下進(jìn)行等溫?zé)釅嚎s實驗，試樣加熱速度為5℃/s，到溫后試樣在變形溫度下保溫3 min。熱模擬壓縮試樣尺寸為10mm×15mm的小圓柱體.壓縮實驗在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行。為避免壓縮過程中試樣和壓頭之間出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，在試樣和壓頭之間墊有石墨片。
1.3 微觀組織觀察
用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)進(jìn)行微觀組織觀察，腐蝕液采用的是4%硝酸酒精。
2結(jié)果與討論
2.1合金鑄態(tài)微觀組織分析
WE71鎂合金鑄態(tài)顯微組織、XRD 譜、SEM照片與EDS 譜如圖1所示。從圖1(a)中可以看出，由于金屬液在凝固過程中非平衡結(jié)晶，鑄態(tài)合金組織由粗大的α-Mg基體和一些在晶界附近不連續(xù)分布的“骨骼狀”的共晶組織組成，晶界清晰可辨，但晶界比較粗大，平均晶粒尺寸在265μm 左右(見圖1(a))。由XRD物相測試結(jié)果(圖1(b))可以看出，除了鎂基體，WE71鎂合金中的主要相是Mg24Y5和Mg41Nd5相。再對晶界附近上的共晶組織進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察和能譜分析(EDS)，結(jié)果如圖1(c)、(d)、(e)和(f)所示，由圖中結(jié)果可知，Mg和Y的原子比接近于24:5，Mg和Nd的原子比接近于41:5，說明亮白的骨骼狀分布的為Mg24Y5相和Mg41Nd5相，而Zr元素以單質(zhì)的形式存在于基體中，Zr常作為合金形核的核心，起到細(xì)化組織的作用。EDS分析的結(jié)果與XRD分析的一致。
圖1 鑄態(tài)合金的顯微組織、XRD 譜、SEM照片和EDS 譜
2.1合金均勻化態(tài)微觀組織分析
WE71鎂合金均勻化態(tài)SEM照片、XRD 譜與EDS 譜如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，分布在晶界附近的“骨骼狀”共晶組織幾乎全部回熔到基體中，只有少量的方塊相存在，晶粒尺寸沒有明顯長大。由圖2(b)與圖1(b)XRD 譜對比可以看出，共晶相Mg24Y5和Mg41Nd5相的峰消失，結(jié)果跟SEM照片觀察到結(jié)果一致。在靠近晶界部位和晶粒內(nèi)部做了EDS 能譜分析，從圖2(c)、(d)中的數(shù)據(jù)可以看出，晶界處和晶內(nèi)Y、Nd元素的含量大致相同，說明WE71鎂合金鑄錠在537℃進(jìn)行16h均勻化處理后，Y、Nd元素擴(kuò)散均勻，消除了鑄錠中稀土元素的偏析，使鑄錠的成分更加均勻，達(dá)到了均勻化處理的目的。
圖2 均勻化態(tài)合金的SEM照片、XRD 譜和EDS 譜
2.3合金本構(gòu)方程的建立
圖3均勻化態(tài)合金在不同變形條件下的流變應(yīng)力曲線。從圖中可以看出，在所有的變形溫度和應(yīng)變速率條件下，流變應(yīng)力值均隨應(yīng)變的增加而增加，但是增加的速率逐漸減慢，當(dāng)增加至峰值應(yīng)力后，流變應(yīng)力逐漸下降直至出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)值。說明此合金的流變應(yīng)力曲線具有典型的動態(tài)再結(jié)晶特征，在變形初期，位錯不斷增殖、運動，互相纏結(jié)，同號位錯相互加強，出現(xiàn)明顯的加工硬化效應(yīng)[9-12];在變形過程中，雖然有異號位錯相互抵消的現(xiàn)象，出現(xiàn)軟化效應(yīng)，但是流變應(yīng)力增加的趨勢沒有改變。因此，塑性變形開始階段加工硬化效應(yīng)占主導(dǎo)，流變應(yīng)力增加;隨著變形程度繼續(xù)增加，位錯纏結(jié)的程度加劇，形成位錯胞壁，這些位錯胞壁間相互碰撞會使原始晶粒分化，形成小角度晶界，即形成亞晶，亞晶繼續(xù)長大將形成再結(jié)晶晶粒。由于鎂合金是層錯能較低的金屬，合金不容易發(fā)生動態(tài)回復(fù)，而容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生時，合金內(nèi)部的位錯密度迅速降低，合金出現(xiàn)軟化效應(yīng)，流變應(yīng)力增加的速率開始減小。隨著應(yīng)變量的繼續(xù)增大，合金的動態(tài)再結(jié)晶比例增加，位錯密度繼續(xù)降低，動態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化作用繼續(xù)增大，當(dāng)軟化作用與加工硬化作用平衡時，流變應(yīng)力曲線出現(xiàn)峰值;超過流變應(yīng)力以后，軟化作用繼續(xù)增加，由于軟化效應(yīng)大于加工硬化效應(yīng)，使得流變應(yīng)力曲線呈下降趨勢。但是由于再結(jié)晶晶粒也會出現(xiàn)位錯運動，出現(xiàn)加工硬化，因此在隨后的變形過程中，加工硬化作用與動態(tài)再結(jié)晶軟化作用相互交替共同作用，當(dāng)兩者逐漸達(dá)到動態(tài)平衡后，流變應(yīng)力值趨于穩(wěn)態(tài)[13,14]。
圖3均勻化態(tài)合金流變應(yīng)力曲線
(a)0.01;(b)0.1;(c)0.5;(d)1
合金在不同的變形加工條件下的應(yīng)變速率，變形溫度與流變應(yīng)力之間的關(guān)系[15]可以用Arrhenius公式來進(jìn)行描述：
其中，為應(yīng)變速率，決定于應(yīng)力狀態(tài)，為變形激活能，為氣體常數(shù)，為絕對溫度(K),,,,,,,為材料常數(shù)，并且有以下關(guān)系：。
此外，本文引入溫度補償因子Z參數(shù)，是由Zener和Hollomon首次提出的，依賴于變形溫度而與流變應(yīng)力無關(guān)。Z參數(shù)的概念廣泛用于描述合金的熱變形行，參數(shù)Z可以表示為：
圖4合金流變應(yīng)力、應(yīng)變速率及溫度之間的關(guān)系
3 結(jié) 論
(1)鑄態(tài)下，WE71鎂合金組織主要由a-Mg基體，共晶Mg24Y5和Mg41Nd5相，方塊狀的富Y相，Zr以單質(zhì)存在于基體中。
(2)在均勻化過程中，合理的均勻化工藝為537 ℃×16 h。經(jīng)過均勻化熱處理后，元素分布較為均勻，僅有少量的含Y 元素化合物殘留在晶界處，Nd 元素鮮見偏析。均勻化熱處理消除偏析和組織的不均勻性，降低鑄錠在后續(xù)熱加工過程中的變形抗力。
(3)合金高溫壓縮熱變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線呈現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶特征。尤其在變形溫度450℃以上時能夠發(fā)生較為完全的動態(tài)再結(jié)晶。
(4)合金的流變應(yīng)力符合雙曲正弦函數(shù)關(guān)系,通過計算變形激活能Q=212.37Kj/mol，本構(gòu)方程為
。
參考文獻(xiàn):
[1] 劉正, 張奎, 曾小勤. 鎂基輕質(zhì)合金理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.
[2] 波爾特諾伊K H, 列別杰夫A. 鎂合金手冊[M].林裴譯.北京:冶金工業(yè)出版社.1959.
[3] 劉正, 王越，王中光. 鎂基輕質(zhì)材料的研究與應(yīng)用[J]. 材料研究學(xué)報,2000,14(5):449-456.
[4] 趙新，張奎，李興剛，李永軍. Mg-Y-Nd-Gd-Zr合金的熱變形和加工圖[J].特種鑄造及有色金屬，2008， 28(3): 218-221.
[5] 丁文江. 鎂合金科學(xué)與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007. 125.
[6] 王懷國，張景新，張 奎，徐 駿，石力開. 高硅鎂合金的制備工藝及顯微組織分析[J].稀有金屬, 2003, 28(2): 500.
[7] 夏長清，武文花，吳安如，王銀娜. Mg-Nd-Zn-Zr稀土鎂合金的熱變形行為[J].中國有色金屬學(xué)報, 2004, 14(11):1810.
[8] 郭 強，嚴(yán)紅革，陳振華，張 輝. 鑄態(tài)AZ80鎂合金高溫?zé)嶙冃涡袨檠芯縖J].塑性工程學(xué)報, 2006, 13(5): 26.
[9] 黃光勝，汪凌云，黃光杰.AZ3 l鎂合金高溫本構(gòu)方程[J].金屬成形工藝，2004，22(2)：42--44.
[10] 余 琨. 稀土變形鎂合金組織性能加工工藝研究[D].長沙:中南大學(xué), 2003.
[11] 肖于德. 快速凝固AlFeVSi耐熱鋁合金組織性能及大規(guī)格材料制備工藝的研究[D].長沙:中南大學(xué), 2003.
[12] Poirier J P. 晶體的高溫塑性變形[M].關(guān)德林譯. 大連:大連理工大學(xué)出版社, 1989. 52.
[13] Barraclough D.R., Sellars C.M. Static recrystallization and restoration after hot deformation of Type 304 stainless steel[J]. Metal science, 1979,13(3-4):257-267.
[14] Beer A.G., Barnett M.R. The post-deformation recrystallization behavior of magnesium alloy Mg-3Al-1Zn[J].Scripta Materialia,2009,61:1097-1100.
[15]Jonas J.J., Sellars C.M.,Tegart M.W.J.. Strength and structure under hot working conditions[J].International Metallurgical Reviews, 1969,14(130):1-24.
聲明：
“WE71稀土鎂合金熱變形行為” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：北京有色金屬研究總院、北京科技大學(xué)
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