應(yīng)變速率對(duì)鎂合金GW123K塑性的影響

石曉飛，成泰民，李 新，孫樹生

（沈陽化工大學(xué)數(shù)理系，沈陽 110142）

0 引言

鎂合金是目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比剛度和比強(qiáng)度高、減震效果好、電磁屏蔽能力優(yōu)異、易于切削加工、易于回收等一系列優(yōu)點(diǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于汽車、電子和航空航天等領(lǐng)域。鎂合金在汽車工業(yè)中的大量使用，可實(shí)現(xiàn)汽車輕量化以達(dá)到節(jié)能減排的目的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

然而，鎂合金的力學(xué)性能通常隨著溫度的升高而顯著降低，提高鎂合金的高溫力學(xué)性能是鎂合金研究的一個(gè)熱點(diǎn)，為此相繼開發(fā)了鎂鋁、鎂硅、鎂鈣、鎂錸等一系列耐熱鎂合金，但因?yàn)槌杀靖?、流?dòng)性差、有放射性等原因限制了其應(yīng)用。鎂釓釔系列鎂合金是我國(guó)近幾年成功開發(fā)的高強(qiáng)耐熱鎂合金，具有優(yōu)異的高溫性能［2－3］。此外，鎂合金的室溫塑性不佳也是限制其廣泛應(yīng)用的不利因素。因此，研究鎂合金的塑性對(duì)于鎂合金產(chǎn)品生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。其中，鎂合金的塑性應(yīng)變速率敏感性就是其中一個(gè)重要的研究課題。目前，對(duì)于鎂合金塑性應(yīng)變速率敏感性方面的研究報(bào)道還比較少，涉及的材料也較為分散。廖慧敏等［4］研究了高應(yīng)變速率對(duì)鎂合金AM60力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明應(yīng)變速率對(duì)材料的表觀彈性模量基本沒有影響，對(duì)斷裂方式和伸長(zhǎng)率以及材料的屈服強(qiáng)度和塑性的影響也不明顯，但抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的提高明顯提高。徐紹勇等［5］研究了應(yīng)變速率對(duì)鎂合金AZ31擠壓變形鎂合金力學(xué)行為的影響，結(jié)果表明其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加而增大，失穩(wěn)應(yīng)變則隨著應(yīng)變速率的增加而有所減小，而彈性模量則對(duì)應(yīng)變率不敏感。對(duì)鎂合金AZ91D的研究［6］結(jié)果表明應(yīng)變速率的提高可明顯提高其強(qiáng)度，但對(duì)塑性有不同程度的降低。趙一生［7］研究了應(yīng)變速率對(duì)AZ系鎂合金動(dòng)能吸收能力的影響;此外在較高溫度下，隨著應(yīng)變速率的降低鎂合金的伸長(zhǎng)率會(huì)極大地增加，甚至可實(shí)現(xiàn)超塑性變形［8－10］。目前，關(guān)于應(yīng)變速率對(duì)高強(qiáng)耐熱鎂合金GW123K的影響的相關(guān)研究還未見報(bào)道。

為此，作者選用二次擠壓成型的高強(qiáng)耐熱鎂合金GW123K擠壓棒材為研究對(duì)象，在不同應(yīng)變速率下對(duì)該材料進(jìn)行室溫拉伸，并利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)其組織和斷口進(jìn)行觀察和分析，研究了該鎂合金的塑性應(yīng)變速率敏感性。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用熱擠壓態(tài)、直徑為20 mm的GW123K鎂合金棒，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為12%Gd，3%Y，0.5%Zr，其熱擠壓成型溫度為400℃，擠壓比為25∶1，擠壓后自然冷卻。在合金棒的中心區(qū)域切取金相試樣，先進(jìn)行拋光處理，隨后用由4.2 g苦味酸、10 mL冰醋酸、10 mL蒸餾水、90 mL無水乙醇組成的溶液進(jìn)行腐蝕，在YYJ-500E型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。用電火花切割出拉伸試樣及織構(gòu)分析試樣，依次經(jīng)800#、1200#和2000#SiC砂紙打磨后進(jìn)行電解拋光，電解拋光液為10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）高氯酸乙醇溶液，電壓12～15 V，溫度為0℃左右。采用LEO SUPRA 35型掃描電鏡所配備的CHANNEL5 EBSD系統(tǒng)測(cè)材料的織構(gòu)，所測(cè)數(shù)據(jù)通過CHANNEL-5軟件包處理，得到取向成像極圖等信息;拉伸試樣的尺寸為φ20 mm×70 mm，標(biāo)距尺寸為2 mm×5 mm×20 mm，然后在Instron8871型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)［11］，應(yīng)變速率分別為5×10－4，1 ×10－3，1 s－1。拉伸斷口在 QUANTA600 型掃描電鏡（SEM）下進(jìn)行觀察，進(jìn)而分析其斷裂機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織及織構(gòu)

從圖1中可以看到，熱擠壓態(tài)鎂合金GW123K的顯微組織由鎂基體與第二相組成，晶粒呈等軸狀，具有較典型的再結(jié)晶晶粒形態(tài)特征，平均晶粒尺寸約10μm;晶粒上彌散分布的、尺寸在1μm左右的小黑點(diǎn)為細(xì)小的析出相粒子脫落后所留下的痕跡。由文獻(xiàn)［3，12］可以推測(cè)這些析出相粒子一般是Mg5（GdY）相。

從圖2中可以看到，擠壓棒材中存在較弱的〈0002〉絲織構(gòu)，晶粒基面平行于擠壓方向的幾率略高于平行于其他取向的;而柱面{101－0}及錐面{101－1}分布比較隨機(jī)。這可能是由于該材料在擠壓過程中主要靠基面滑移來維持塑性變形，柱面滑移所發(fā)揮的作用相對(duì)小一些。

圖1 熱擠壓態(tài)鎂合金GW123K的顯微組織Fig.1 Microstructure of hot extruded GW123K magnesium alloy

2.2 室溫拉伸性能

從圖3中可明顯看出，應(yīng)變速率的改變對(duì)于鎂合金的室溫塑性影響很大。當(dāng)應(yīng)變速率為10－3s－1時(shí)，鎂合金斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的工程應(yīng)變僅為12.5%左右，而當(dāng)拉伸應(yīng)變速率提高到1 s－1時(shí)，鎂合金斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的工程應(yīng)變約為25%左右。即隨應(yīng)變速率提高，GW123K鎂合金的塑性也相應(yīng)提高，這種現(xiàn)象明顯不同于常見的鎂合金。對(duì)多數(shù)金屬材料而言，應(yīng)變速率降低有利于材料微觀應(yīng)力的調(diào)整釋放，有利于多種變形方式協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而提高變形的均勻性，延緩裂紋的過早出現(xiàn)，因而在低應(yīng)變速率拉伸下材料往往表現(xiàn)出較好的塑性。而鎂合金GW123K的表現(xiàn)卻恰恰相反。應(yīng)變速率的變化對(duì)鎂合金GW123K屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的影響不是很大，抗拉強(qiáng)度約為350 MPa屈服強(qiáng)度為（250±10）MPa。

2.3 斷口形貌

從圖4中可以看到，裂紋從拉伸試樣的表面萌生，然后向內(nèi)部擴(kuò)展，最后斷裂;斷口基本上與加載方向垂直，這明顯不同于常見的金屬材料。對(duì)于多數(shù)金屬材料的拉伸斷口，其斷面與加載方向往往成45°，當(dāng)然也有一些材料的偏離角度不同，這方面張哲峰等［13］做了大量的工作，并提出了相應(yīng)的橢圓準(zhǔn)則。

圖2 熱擠壓態(tài)鎂合金GW123K的極圖Fig.2 Pole figures of hot extruded GW123K magnesium alloy:（a）basal plane{0002};（b）prismatic p lane{101－ 0}and（c）pyram idal plane{101－ 1}

圖3 不同應(yīng)變速率下鎂合金GW123K的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of GW123K magnesium alloy at different strain rates

從圖4還可以看出，鎂合金GW123K的斷口是以脆性斷裂特征占主導(dǎo)的韌-脆混合型斷口，這預(yù)示著材料的塑性不會(huì)太好。圖中c區(qū)域?qū)?yīng)于裂紋的萌生和擴(kuò)展區(qū)，而b區(qū)是最后的瞬斷區(qū)。c區(qū)的典型特征是非常淺的韌窩中分布有更加細(xì)小的第二相，而有些小韌窩中已經(jīng)沒有了第二相;第二相在某些區(qū)域出現(xiàn)聚集的現(xiàn)象。這個(gè)區(qū)域是基面滑移、裂紋擴(kuò)展及微孔形成集聚長(zhǎng)大綜合作用的結(jié)果。而微孔的形成是縱向應(yīng)力作用的結(jié)果，基面滑移時(shí)位錯(cuò)線的切割、拖拽使得第二相破碎、移動(dòng)，從而使第二相脫離淺韌窩的底部，并呈現(xiàn)細(xì)化、偏聚的現(xiàn)象。而在b區(qū)，則看到典型的單一韌窩及其底部較完整的第二相顆粒，且第二相顆粒分布較彌散。高應(yīng)變速率下斷裂機(jī)制主要是以微孔集聚、基面滑移、裂紋擴(kuò)展相結(jié)合的斷裂。

因低應(yīng)變速率下材料的拉伸斷口形貌相近，故只對(duì)應(yīng)變速率為10－5s－1的斷口進(jìn)行了分析。從圖5中可以看到，裂紋從試樣表面的一側(cè)萌生，向另一側(cè)擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂，斷口與宏觀加載方向大致垂直;整個(gè)斷口都有相應(yīng)的晶粒解理面，而裂紋萌生區(qū)域由相當(dāng)?shù)慕饫砥矫鏄?gòu)成;斷口呈脆性斷裂特征。由于鎂合金中基面滑移所需的臨界分解切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柱面滑移和錐面滑移所需的臨界分解切應(yīng)力，而且材料的織構(gòu)較弱，各種微觀變形的施密特因子大致相等，因而基面滑移啟動(dòng)所需的應(yīng)力最小，這樣就會(huì)以基面滑移為先導(dǎo)進(jìn)行變形，使得基面成為一個(gè)弱化面。在變形的過程中，由于鎂合金GW123K中的稀土元素含量較高，固溶強(qiáng)化效果較大，使得基面滑移的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力很大，容易引起應(yīng)力集中，進(jìn)而萌生裂紋，當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，裂紋沿弱化面（基面）有充分的擴(kuò)展時(shí)間，所以裂紋可沿基面擴(kuò)展并貫穿整個(gè)晶粒，形成了遍布斷口的解理刻面。低應(yīng)變速率下斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂。

圖4 鎂合金GW123K在應(yīng)變速率為1/s下的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracturemorphology of GW123K magnesium alloy at strain rate of 1/s:（a）macrograph of fracture;（b）SEMmorphology of b area and（c）SEMmorphology of c area

圖5 鎂合金GW123K在應(yīng)變速率為10－5 s－1下的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracturemorphology of GW123k magnesium alloy at the strain rate of 10 －5 s－1:（a）macrograph and（b）SEMmorphology

3 結(jié)論

（1）鎂合金GW123K擠壓棒材試樣在室溫下拉伸時(shí)，塑性受應(yīng)變速率的影響很大，存在反常的應(yīng)變速率敏感性，即應(yīng)變速率提高，其塑性也相應(yīng)提高。

（2）引起反常應(yīng)變速率敏感性的主要原因是不同的加載條件下的斷裂機(jī)制不同;在高應(yīng)變速率下拉伸時(shí)，斷裂機(jī)制主要是以微孔集聚、基面滑移、裂紋擴(kuò)展相結(jié)合的斷裂機(jī)制;低應(yīng)變速率下為準(zhǔn)解理斷裂機(jī)制。

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