第二相在Mg-Gd-Y-Zr合金擠壓棒超塑性變形中的作用

李 理，張新明，鄧運(yùn)來，周 楠，唐昌平

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 湖南工學(xué)院 機(jī)械工程系，衡陽 421008)

鎂合金結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用在交通運(yùn)輸工具輕量化等方面具有很大的潛力[1]。相對于鋁合金材料，鎂合金的耐熱性能較差，因此，目前鎂合金僅僅應(yīng)用在汽車的儀表板、方向盤、閥門罩等零件上[2]。進(jìn)一步應(yīng)用在動力傳動系統(tǒng)中的零件，則需要較高的耐熱性能(在200~300 ℃)[1]。已有研究表明，在鎂中添加Gd以及其它稀土元素(RE)，通過固溶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化可使鎂合金的耐熱性能顯著提高，Mg-Gd系合金從過飽和狀態(tài)到平衡態(tài)，可析出大量的沉淀相，其析出序列如下：S.S.S.S→β″(DO19)→β′(Cbco)→β(Cubic)。β″和 β′為亞穩(wěn)相，β 為平衡相[3?6]。

近年來，超塑性成形(SPF)技術(shù)已應(yīng)用于成形復(fù)雜形狀的鎂合金零件，其力學(xué)性能及可靠性明顯優(yōu)于一般鑄造件[7?9]。稀土鎂合金中的稀土元素大部分存在于第二相中，稀土對超塑性的影響是雙方面的[10]。分布于晶界的第二相具有穩(wěn)定細(xì)晶組織的作用，對超塑性變形有利。同時(shí)，稀土第二相也阻礙超塑性變形時(shí)晶界的滑動，并產(chǎn)生應(yīng)力集中對進(jìn)一步的超塑性變形不利。目前，大量SPF研究工作集中于AZ系列[11?12]及ZK[13]系列鎂合金，而Mg-Gd系鎂合金的超塑性變形研究尚不系統(tǒng)。

本文作者在探明 Mg-Gd-Y-Zr合金擠壓棒的超塑性變形機(jī)制基礎(chǔ)上，分析 Mg-Gd-Y-Zr合金中的第二相對超塑性變形的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)合金為Mg-9.0Gd-4.0Y-0.4Zr合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。合金鑄錠經(jīng)520 ℃、4 h均勻化后，在375 ℃時(shí)擠壓成外徑為10 mm的棒材，擠壓比為14∶1，壓頭速率為2 mm/min。擠壓棒被加工成圓柱體拉伸試樣，標(biāo)距長25 mm、直徑5 mm。高溫拉伸實(shí)驗(yàn)在配備有電阻爐的 MTS萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，夾頭兩端及試樣標(biāo)距內(nèi)安置靈敏的鈀銠合金熱電偶，數(shù)字溫孔儀保證 3處的溫度差不超過2 ℃。拉伸方向平行于擠壓方向。

為研究實(shí)驗(yàn)合金的超塑性變形機(jī)制，恒應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)用來測定應(yīng)變速率敏感系數(shù)(m值)。應(yīng)變速率范圍為 7×10?5~4×10?3s?1，溫度范圍 400~485 ℃。樣品在實(shí)驗(yàn)溫度下經(jīng)1 800 s保溫后開始拉伸。樣品拉斷，空冷后進(jìn)行微觀組織觀察。

用 KYKY2800掃描電子顯微鏡(SEM)對晶粒結(jié)構(gòu)、孔洞及第二相形貌進(jìn)行觀察。D/Max2500型X射線衍射儀(XRD)與Genesis 60S能譜儀(EDS)用來確定第二相組成與成分。JEM2100透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行微觀組織分析。TEM 樣品的膜面平行于拉伸方向，用離子減薄法獲得薄區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 超塑性行為

未經(jīng)拉伸變形以及獲得最大伸長率試樣的照片如圖1所示。由圖1可看出，擠壓棒在溫度為450 ℃，應(yīng)變速率為2×10?4s?1的條件下，獲得410%的最大伸長率，且整個標(biāo)距內(nèi)沒有發(fā)生明顯的頸縮現(xiàn)象。

圖1 未經(jīng)拉伸變形以及獲得最大伸長率Mg-Gd-Y-Zr合金試樣的照片F(xiàn)ig.1 Photo of undeformed specimen and fractured specimen exhibiting maximum elongation

圖2(a)所示為在應(yīng)變水平為0.15條件下，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化的趨勢。由圖 2(a)可以看出，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而上升。應(yīng)變速率敏感系數(shù)m定義為

圖2 未經(jīng)拉伸變形以及獲得最大伸長率的Mg-Gd-Y-Zr合金試樣流變應(yīng)力與伸長率隨應(yīng)變速率的變化Fig.2 Changes of flow stress(a) and elongation(b) with strain rate of undeformed specimen and fractured specimen exhibiting maximum elongation

在各種實(shí)驗(yàn)條件下，m值的范圍為0.14~0.54。在圖2(b)中，最大伸長率對應(yīng)于較高的m值(0.54)。

2.2 擠壓態(tài)的微觀組織

圖3所示為擠壓態(tài)棒材的SEM像及相應(yīng)的EDS譜。從圖3可以看出，晶粒形狀為等軸狀，平均晶粒尺寸為10 μm，測量方法按照d=1.74L(其中d為晶粒直徑，L為相鄰晶界的直線距離)，統(tǒng)計(jì)晶粒的數(shù)量為1 000個。在晶界與晶內(nèi)分布兩種形貌的第二相粒子，一種為圓形粒子，另一種為方形粒子。能譜分析(EDS)顯示，圓形粒子富含Zr元素，由于Zr與Gd和Mg均不反應(yīng)，因此圓形粒子為Zr核；方形相富含Gd，它的存在將提高合金的耐熱性能。這兩種第二相均是在熔鑄時(shí)產(chǎn)生的結(jié)晶相[14]。

圖3 Mg-Gd-Y-Zr合金擠壓棒的SEM像以及第二相粒子a和b的EDS譜Fig.3 SEM image of as-extruded Mg-Gd-Y-Zr alloy rod and EDS spectra of second phase particles a(b) and b(c)

2.3 試樣拉伸后的微觀組織

圖4所示為試樣在450 ℃、2×10?4s?1拉斷后的SEM像及相應(yīng)的EDS譜。由圖4(a)中的低倍SEM像可以觀察到，孔洞沿拉伸方向(即擠壓方向)分布。在經(jīng)過450 ℃高溫拉伸約3 h后，晶粒依然保持為等軸狀，且僅僅長大至19 μm，長大速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AZ或ZK系列鎂合金。圖4(b)所示為第二相的形貌，除變形前原有的圓形 Zr核(標(biāo)記為Ⅰ)及富稀土方形相(標(biāo)記為Ⅱ)處，還出現(xiàn)了大量不規(guī)則塊狀相(標(biāo)記為Ⅲ)。結(jié)合 Mg-Gd-Y三元相圖[15]，可以推斷析出的不規(guī)則塊狀相為Mg5(Gd, Y)。圖4(c)~(e)中相應(yīng)EDS譜所示為第二相的EDS譜。運(yùn)用化學(xué)計(jì)量方法，分析5處不規(guī)則塊狀相的成分，Mg與(Gd+Y)的平均摩爾分?jǐn)?shù)比為5.06∶1，可以基本確定不規(guī)則塊狀相為 Mg5(Gd, Y)，即β相。

進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)，孔洞萌生在基體與方形富稀土相的界面上，而基體與β相的界面未見孔洞。圖5所示為擠壓棒以及經(jīng)450 ℃、2×10?4s?1拉伸后試樣的XRD譜。由圖5可看出，拉伸前后第二相的組成相同，但是拉伸后的譜線中β的小峰數(shù)量明顯增加，可知析出更多的β相。

圖 6所示為試樣在450 ℃、2×10?4s?1拉斷后試樣的TEM像。圖6(a)中觀察到方形富稀土相在晶界處釘扎晶界，富稀土相邊緣平直；晶內(nèi)的不規(guī)則塊狀相為β相，邊緣出現(xiàn)位錯運(yùn)動留下的臺階。這些跡象表明：在高溫條件下，方形富稀土相的強(qiáng)度依然高，未能發(fā)生變形，而β相強(qiáng)度較低，并參與變形。

圖 6(b)的 TEM 照片清晰地顯示了三叉晶界處的位錯塞積以及被拉長的β相。圖中上方晶粒一側(cè)的晶界附近有相當(dāng)數(shù)量的可見位錯露頭；在基體/β相界面，基體被拉成絲帶狀，絲帶延伸的方向與β相拉長的方向及拉伸方向一致。圖6(c)所示為β相與周圍基體的選取電子衍射照片。圖6(d)中相應(yīng)的電子衍射斑點(diǎn)分析結(jié)果表明，α-Mg基體的晶帶軸為，β 相的晶帶軸為[1 1 3]；β相為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=2.21 nm，其分析結(jié)果與其它文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)論基本一致[16?17]。

3 討論

圖 4 當(dāng)溫度為 450 ℃、應(yīng)變速率為2×10?4 s?1時(shí)拉伸后試樣的SEM像和第二相的EDS譜Fig.4 SEM images of specimen tested at 450 ℃ and 2×10?4 s?1and EDS spectra of second phases: (a) Cavities distributing along tensile direction; (b) Second phases and cavities; (c), (d), (e) EDS spectra

圖5擠壓棒以及經(jīng)450 ℃、2×10?4 s?1拉伸后試樣的XRD譜Fig.5 XRD patterns of as-extruded rod(a) and specimen tested at 450 ℃ and 2 ×10?4 s?1(b)

晶界滑動(GBS)出現(xiàn)在許多的鎂合金超塑性變形中[18]。擠壓棒的初始晶粒度為10 μm(見圖3)，滿足晶界滑動對晶粒度的要求[19]。m值約為0.5(見圖2(a))及拉斷后的等軸晶粒(見圖 4(a))都證明晶界滑動在變形中起到了決定作用[20?21]。

晶界滑動依靠擴(kuò)散控制的位錯運(yùn)動來協(xié)調(diào)[22]。在本研究中可以觀察到位錯在晶內(nèi)或晶界協(xié)調(diào)變形的跡象，如晶內(nèi)相界上的臺階(見圖6(a))及三叉晶界處的位錯塞積(見圖6(b))。當(dāng)表觀變形激活能Q等于晶格擴(kuò)散激活能(QL)時(shí)，GBS是由晶格擴(kuò)散控制的；當(dāng)表觀變形激活能Q等于晶界擴(kuò)散激活能(QGb)時(shí)，GBS是由晶界擴(kuò)散控制的[23]。圖7所示為根據(jù)式(2)計(jì)算的表觀變形激活能[24]的曲線。

圖6 經(jīng)450 ℃、2×10?4 s?1拉伸斷裂后試樣的TEM像及SAED譜Fig.6 TEM images of fractured specimen tested at 450 ℃ and 2×10?4 s?1 and corresponding SAED pattern: (a) Grain boundary pinned by cuboidal Re-riched phase; (b) Dislocation pile-up and elongated β phase at triple junction; (c) SAED pattern for β phase;(d) SAED pattern by zone axis along [2 1 10] of α-Mg matrix

圖7 擠壓態(tài)Mg-Gd-Y-Zr合金超塑性變形的表觀變形激活能曲線Fig.7 Apparent activation energy curves of superplastic deformation of extruded rod of Mg-Gd-Y-Zr alloy

式中：σ為流動應(yīng)力；N為應(yīng)力因子(N=1/m)，R與T分別為摩爾氣體常數(shù)與絕對溫度。激活能的計(jì)算結(jié)果為216~460 kJ/mol，遠(yuǎn)高于鎂的QL(134 kJ/mol)與QGb(75 kJ/mol)[25]，這與晶界及晶內(nèi)大量分布的稀土化合物有關(guān)。BALL-HUTCHISON提出的位錯協(xié)調(diào)晶界滑動模型認(rèn)為[9]：GBS會在三叉晶界處或晶界弓出處受阻，而位錯的滑移(攀移)及后續(xù)位錯的塞積可以使GBS克服阻礙繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)晶界及晶內(nèi)存在第二相時(shí)，晶界滑動受阻時(shí)，位錯易于在相界處塞積，此時(shí)會出現(xiàn)兩種情況：1) 當(dāng)溫度足夠高時(shí)，第二相軟化并發(fā)生變形(見圖 6(a))；2) 當(dāng)?shù)诙鄰?qiáng)度較高時(shí)，位錯依靠擴(kuò)散在相界處攀移或湮滅于相界的空洞處。這些情況都將消耗更多的能量，致使變形激活能大幅提高。

Mg-Gd-Y-Zr合金擠壓棒材組織中有3種第二相，即Zr核，方形富稀土相及不規(guī)則塊狀β相，它們都是熱穩(wěn)定相。第二相對晶界或亞晶界有強(qiáng)烈的釘扎作用。因此，第二相抑止晶粒的長大，以至于在歷經(jīng)約 3 h的高溫拉伸后，晶粒長大并不顯著。

β相的熔點(diǎn)為658 ℃，在450 ℃下的高溫拉伸過程中，β相已經(jīng)開始軟化，基體/β相界面上未觀察到孔洞(見圖3(b))，且β相發(fā)生明顯的變形(見圖5(b))，說明相界上的應(yīng)力集中容易得到松弛，而且變形從基體轉(zhuǎn)移至β相中；方形富稀土相的硬度較高，空洞通常萌生它的相界上。Mg-Gd-Y-Zr合金擠壓棒材超塑性變形機(jī)制如圖8所示。

圖8 Mg-Gd-Y-Zr合金擠壓棒材超塑性變形機(jī)制示意圖Fig.8 Schematic diagram of superplastic deformation mechanism for extruded rod of Mg-Gd-Y-Zr alloy

4 結(jié)論

1) 在溫度為 450 ℃、應(yīng)變速率為 2×10?4s?1的條件下，獲得材料的最大伸長率為 410%，相應(yīng)的 m值為0.54。

2) Mg-Gd-Y-Zr合金擠壓棒材的超塑性表觀變形激活能為216~460 kJ/mol，變形主導(dǎo)機(jī)制為晶格擴(kuò)散控制的位錯協(xié)調(diào)晶界滑動。

3) 孔洞在基體/富稀土結(jié)晶相界面上形成；拉伸過程中析出大量的塊狀β相，硬度較低的β相松弛應(yīng)力集中且變形從基體轉(zhuǎn)移至β相中。

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