二次擠壓對(duì)Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金顯微組織及力學(xué)性能的影響

劉楚明，李冰峰，王 榮，李慧中，陳志永

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院 寧波分院，寧波 315103)

鎂合金是目前使用最輕的結(jié)構(gòu)材料，它具有較高比強(qiáng)度、高阻尼、鑄造生產(chǎn)率高、良好的切削加工性和完全可再生等優(yōu)點(diǎn)，早已引起航天、航空和汽車工業(yè)的關(guān)注[1]。但鎂合金高溫力學(xué)性能較差，當(dāng)溫度升高時(shí)，它的強(qiáng)度和抗蠕變性能往往大幅度下降，難以作為高溫長(zhǎng)時(shí)間使用的部件。Mg-Gd-Y-Zr系合金是一種重要的高強(qiáng)耐熱鎂合金，成為近年來(lái)鎂合金研究的熱點(diǎn)之一[2?3]。但該系合金的塑性較差，應(yīng)用以鑄件居多，塑性加工產(chǎn)品少。然而，鑄件的力學(xué)性能不理想，產(chǎn)品形狀尺寸也有局限性，因此，對(duì)變形合金的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。ANYANWU 等[4?5]研制的 Mg-Gd-Y-Zr系合金板材有優(yōu)于WE54A合金的強(qiáng)度和抗蠕變性。HE等[6]和YANG等[7]研制的該系合金棒材的擠壓態(tài)抗拉強(qiáng)度在300 MPa左右，經(jīng)T5處理后，其抗拉強(qiáng)度超過(guò) 400 MPa；張新明等[8?9]對(duì) Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金進(jìn)行一系列的研究，經(jīng)常規(guī)擠壓和 T5處理后的抗拉強(qiáng)度可達(dá)370 MPa，但伸長(zhǎng)率不足5%。合金的塑性加工均為常規(guī)的擠壓和軋制。研究表明，對(duì)Mg-Zn、Al-Li及 Ti-Al合金進(jìn)行二次擠壓[10?12]，在適當(dāng)降低合金強(qiáng)度的情況下，可提高合金的塑性，有利于難變形金屬材料的成形。由二次擠壓制備的AZ91鎂合金，晶粒尺寸小于 10 μm，在 350 ℃、7.3×10?5s?1拉伸時(shí)，伸長(zhǎng)率達(dá)到512%[13]。但有關(guān)Mg-Gd-Y-Zr系合金二次擠壓的研究還未見報(bào)道。另外，在鎂合金塑性加工過(guò)程中，通常會(huì)形成不同類型的織構(gòu)，這些織構(gòu)的存在均會(huì)對(duì)鎂合金的塑性變形行為、加工成形性能及力學(xué)性能產(chǎn)生影響。研究表明[14?16]，采取適當(dāng)?shù)墓に嚳梢哉{(diào)整、控制鎂合金中織構(gòu)的形態(tài)，可改善鎂合金的塑性成形性能。但有關(guān) Mg-Gd-Y-Zr系合金織構(gòu)的研究也還未見報(bào)道。因此，為進(jìn)一步提高 Mg-Gd-Y-Zr系合金的綜合性能，探討二次擠壓對(duì)該系合金的影響規(guī)律，本文作者考察二次擠壓后 Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金顯微組織及力學(xué)性能的變化，探討晶粒細(xì)化、第二相和織構(gòu)演化對(duì)合金力學(xué)性能的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

采用鑄錠冶金法制備 Mg-12Gd-3Y-0.6Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)合金，實(shí)驗(yàn)用材料為工業(yè)純鎂、鎂釓(30.47%Gd)中間合金、鎂釔(31.72%Y)中間合金和鎂鋯(30.16%Zr)中間合金。在電阻坩鍋爐中熔煉，采用CO2+SF6的混合氣體保護(hù)。鑄成d180 mm的圓錠，經(jīng)(530 ℃，24 h)均勻化處理后，一次擠壓變形至d 45 mm的棒材，對(duì)一次擠壓態(tài)合金進(jìn)行二次擠壓。二次擠壓在d50 mm的擠壓桶中進(jìn)行，將合金擠壓變形至d15 mm，擠壓比為11，擠壓溫度為420 ℃，擠壓前嚴(yán)格控制保溫時(shí)間。

分別對(duì)一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試樣按照 GB/T 228—2002規(guī)定進(jìn)行加工，用CSS?44100萬(wàn)能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為2 mm/min；合金用5 g苦味酸+100 mL酒精+5 mL乙酸+10 mL蒸餾水混合溶液侵蝕，用POLYVAR MET型金相顯微鏡觀察合金光學(xué)顯微組織；用 Sirion 200型掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察、能譜分析及斷口分析；采用Bruker D8 Discover型X射線衍射分析儀對(duì)合金進(jìn)行織構(gòu)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 合金的顯微組織

圖1所示為Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)截面的光學(xué)顯微組織。從圖1可以看出，一次擠壓態(tài)合金的晶粒尺寸不均勻，平均晶粒尺寸約為35 μm(見圖1(a))；在二次擠壓過(guò)程中發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，經(jīng)二次擠壓后，組織由均勻、細(xì)小的等軸晶組成(見圖 1(b))，顯微組織明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸約為6 μm。

圖 1 Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)截面的光學(xué)顯微組織Fig.1 Optical microstructures of cross-section of Mg-12Gd-3Y-0.6Zr alloy: (a) As-once-extruded; (b) As-double-extruded

圖2所示為Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的掃描電鏡照片。從圖 2(a)可以看出，一次擠壓態(tài)合金中分散著少量方塊狀的第二相，經(jīng)能譜分析確定為 Mg2Y3Gd2相。二次擠壓態(tài)合金中分散著大量的第二相，較前者明顯增多(見圖 2(b))，經(jīng)能譜分析確定這些相除少量方塊狀的 Mg2Y3Gd2相外，大部分為 Mg5Gd1?xYx相。

圖 2 Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的SEM像Fig.2 SEM images of Mg-12Gd-3Y-0.6Zr alloy: (a) As-onceextruded; (b) As-double-extruded

2.2 合金的織構(gòu)

圖3所示為Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的{0002}基面極圖。由圖3可以看出：一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)中都存在{0002}基本平行于擠壓方向(ED)的織構(gòu)；一次擠壓態(tài)的最大極密度值為4.02(見圖3(a))；二次擠壓態(tài)的最大極密度值為2.19，僅為前者的54.4%(見圖3(b))；二次擠壓后合金的晶體擇優(yōu)取向發(fā)生了轉(zhuǎn)變，{0002}基面發(fā)生了轉(zhuǎn)變，最大極密度下降。

2.3 合金的力學(xué)性能

Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的力學(xué)性能如圖4所示。從圖4可以看出：一次擠壓態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為368.8 MPa和324.8 MPa，伸長(zhǎng)率為9.9%。二次擠壓態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所降低，分別為326.9和241.2 MPa，但伸長(zhǎng)率卻大幅度提高，達(dá)到 20.5%，較一次擠壓態(tài)合金提高107.1%。

2.4 合金的斷口形貌

圖 3 Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的{0002}基面極圖Fig.3 {0002} pole figures of Mg-12Gd-3Y-0.6Zr alloy:(a) As-once-extruded; (b) As-double-extruded

圖 4 Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties of Mg-12Gd- 3Y-0.6Zr alloy:(a) As-once-extruded; (b) As-double-extruded

圖5所示為Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的斷口形貌。一次擠壓態(tài)合金的斷口形貌如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，斷口有大塊的解理面，在圖5(a)左邊也存在部分韌窩，說(shuō)明也發(fā)生韌性斷裂。因此，一次擠壓態(tài)合金的斷裂方式以解理斷裂為主，同時(shí)發(fā)生韌性斷裂。圖 5(c)所示為一次擠壓態(tài)合金斷口縱截面的光學(xué)顯微組織。解理斷裂通常沿著一定的晶面斷裂(即解理面)，并且只在六方和體心立方金屬中出現(xiàn)。從圖 5(c)中可以看出，裂紋從一個(gè)晶粒到另一個(gè)晶粒地穿過(guò)，這是解理斷裂的典型特征。根據(jù)以上對(duì)一次擠壓態(tài)合金的織構(gòu)分析可知，鎂合金在擠壓過(guò)程中形成纖維織構(gòu)，且呈現(xiàn)基面取向特征，則晶面垂直于擠壓方向，因此在擠壓變形鎂合金中，解理發(fā)生在面上。二次擠壓態(tài)合金拉伸時(shí)出現(xiàn)縮頸，產(chǎn)生典型的杯?錐型斷口，其斷口形貌如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，斷口存在大量的韌窩，韌窩是塑性變形的特征，韌窩越多，塑性越好，表明多次擠壓合金的塑性明顯高于一次擠壓態(tài)合金的，其斷裂方式為韌性斷裂。

圖 5 Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金一次擠壓態(tài)和二次擠壓態(tài)的斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of Mg-12Gd-3Y-0.6Zr alloy:(a), (c) As-once-extruded; (b) As-double-extruded

3 討論

二次擠壓后，Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金力學(xué)性能的變化與合金的晶粒細(xì)化、第二相及織構(gòu)演變有關(guān)。

從圖1可知，二次擠壓后晶粒尺寸從35 μm細(xì)化至6 μm，由Hall-Petch公式：

式中：σy為屈服強(qiáng)度；σ0為單晶體的屈服極限；K為常數(shù)；d為晶粒尺寸。由式(1)可知，隨著晶粒尺寸的減小，合金屈服強(qiáng)度逐漸提高，因此，二次擠壓態(tài)晶粒的細(xì)化應(yīng)該使合金的屈服強(qiáng)度提高。但由圖4可知，二次擠壓態(tài)合金的屈服強(qiáng)度降低，說(shuō)明在合金中，某些因素起主導(dǎo)作用降低合金的強(qiáng)度。

另外，晶粒細(xì)化提高了合金的塑性，晶粒細(xì)小，塞積在晶界的位錯(cuò)群所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)將會(huì)影響到相鄰晶粒的整個(gè)體積，也就容易啟動(dòng)相鄰晶粒的位錯(cuò)源而產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，從而減小變形的不均勻程度獲得較大的變形量，伸長(zhǎng)率較高，因此，二次擠壓過(guò)程中，晶粒細(xì)化使合金的伸長(zhǎng)率提高。但這僅是塑性提高的一方面，另一方面，晶粒細(xì)化能激活鎂合金中棱柱面和錐面等潛在的非基面滑移系。微觀研究發(fā)現(xiàn)[17]，細(xì)晶鎂合金中非基面滑移系被激活是其塑性得以大幅度改善的最根本原因。非基面滑移對(duì)總應(yīng)變的貢獻(xiàn)可達(dá)40%左右，并有效地抑制孿晶的形成。研究表明，在晶界附近容易發(fā)生非基面滑移。晶粒尺寸在 100 μm以下時(shí)，非基面滑移的范圍大約在距晶界10 μm左右。當(dāng)晶粒細(xì)化至10 μm以下時(shí)，非基面滑移可以貫穿整個(gè)晶粒內(nèi)部。二次擠壓態(tài)合金的晶粒尺寸為6 μm，非基面滑移能貫穿整個(gè)晶粒，從而使合金的塑性提高。

固溶強(qiáng)化是 Mg-Gd-Y-Zr系合金主要的強(qiáng)化機(jī)制之一，合金中的Gd和Y原子有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，粗大Mg5Gd1?xYx相的增多(見圖2(b))使基體中Gd和Y的含量降低，降低Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金的固溶強(qiáng)化效果，從而使合金強(qiáng)度降低，這就是合金強(qiáng)度降低的因素之一。

織構(gòu)分析表明[18?20]，擠壓態(tài)合金中大部分晶粒的{0002}基面平行于擠壓方向，拉伸時(shí)各晶粒基面滑移系的Schmid因子(m)幾乎為零。根據(jù)Schmid定律：τc=σscosλcosφ=σsm (2)式中：τc為臨界剪切應(yīng)力，屬于晶體的本征參數(shù)，當(dāng)τ達(dá)到某一臨界值τc時(shí)，滑移過(guò)程開始；λ為滑移方向與外力軸線的夾角；φ為滑移面與外力軸線的夾角，cosλcosφ為 Schmid因子，表征滑移面和滑移方向與外力間的取向關(guān)系。在式(2)中，當(dāng) λ或φ為 90?時(shí)，Schmid因子為零，不管τc的數(shù)值如何，σs均為無(wú)窮大，在外力作用下不能產(chǎn)生滑移，從而產(chǎn)生強(qiáng)化。因此，一次擠壓態(tài)合金高性能的部分原因是織構(gòu)效應(yīng)。由于二次擠壓態(tài)合金織構(gòu)強(qiáng)度明顯減弱，因此，織構(gòu)強(qiáng)化效應(yīng)也明顯減弱，使合金強(qiáng)度明顯降低。這就是合金強(qiáng)度降低的另一因素。

根據(jù)Cottrell-Petch脆塑性斷裂轉(zhuǎn)變理論[21]，晶粒尺寸d、晶體平均取向因子與脆塑性斷裂轉(zhuǎn)變有如下關(guān)系：

式中：μ為切變模量；γ為比表面能；β為與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的常數(shù)；τc為臨界剪切應(yīng)力；σ0為單晶體的屈服極限；r為相鄰晶粒內(nèi)滑動(dòng)位錯(cuò)距領(lǐng)先塞積位錯(cuò)的距離。式中等號(hào)表示脆塑性轉(zhuǎn)變的條件，大于號(hào)表示呈脆性斷裂。由此可見，二次擠壓后，d和降低，這都有利于合金斷裂方式向韌性斷裂轉(zhuǎn)變。

綜上所述可知，二次擠壓態(tài)合金的強(qiáng)度有所降低，塑性大幅度提高是由晶粒尺寸、第二相和織構(gòu)這3個(gè)方面綜合影響的，其中晶粒細(xì)化對(duì)塑性影響最大。通過(guò)控制晶粒尺寸、第二相形態(tài)和織構(gòu)形態(tài)，使塑性較差的Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金的伸長(zhǎng)率達(dá)到20.5%，塑性大幅度提高。

4 結(jié)論

1) 二次擠壓態(tài) Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所降低，但伸長(zhǎng)率卻大幅度提高，達(dá)到20.5%，較一次擠壓態(tài)合金提高107.1%。

2) 二次擠壓態(tài) Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金的晶粒尺寸細(xì)化至 6 μm，提高細(xì)晶強(qiáng)化效果；粗大的Mg5Gd1?xYx相增多，降低了固溶強(qiáng)化效果；{0002}基面織構(gòu)的明顯減弱降低了織構(gòu)強(qiáng)化效果。擠壓態(tài)合金的強(qiáng)度特征是細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和織構(gòu)強(qiáng)化綜合作用的結(jié)果。

3) Mg-12Gd-3Y-0.6Zr合金經(jīng)二次擠壓后，合金的斷裂方式從以解理斷裂為主，同時(shí)發(fā)生韌性斷裂。

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