Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金高溫?zé)釅嚎s變形研究

尹雪雁，于建民，張治民，劉　濤

(1.中北大學(xué) 材料加工系，山西 太原 030051；2.山西省精密成形工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；3.裝甲軍代局駐太原地區(qū)軍代室, 山西 太原 030006)

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Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金高溫?zé)釅嚎s變形研究

尹雪雁1,2，于建民1,2，張治民1,2，劉濤3

(1.中北大學(xué) 材料加工系，山西 太原 030051；2.山西省精密成形工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；3.裝甲軍代局駐太原地區(qū)軍代室, 山西 太原 030006)

摘要：采用Gleeble-3500熱模擬機(jī)對Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金高溫?zé)釅嚎s變形進(jìn)行了研究試驗(yàn)，變形溫度為350 ℃，變形速率為0.001～0.1 s(-1)，獲得了等溫?zé)釅嚎s變形過程中的流變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。對比分析了壓縮變形后的組織和硬度，得到了該溫度下不同應(yīng)變速率對材料組織和硬度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，該合金在350 ℃變形溫度下，顯微組織很相近；但是峰值應(yīng)力和合金硬度均隨著應(yīng)變速率的增大而增大。

關(guān)鍵詞：Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金；峰值應(yīng)力；布氏硬度；組織演變

對稀土鎂合金在一定溫度下的塑性變形行為和性能進(jìn)行研究，將在促進(jìn)鎂合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中產(chǎn)生積極、重要的影響[1-4]。

Mg-Cd-Y系合金作為最有希望獲得熱處理強(qiáng)化的鎂合金受到日益廣泛的關(guān)注[5]。在稀土鎂合金中添加微量的Zr元素，能使合金晶粒細(xì)化，合金性能改善；添加適量的Zn元素，可以提高鎂合金的耐蝕性能和力學(xué)性能；但由于Mg-Cd-Y系合金較高的合金化程度，導(dǎo)致了合金塑性變形的難度增加。在Mg-Cd-Y系合金開發(fā)應(yīng)用中，為提高成材率和制品性能，應(yīng)系統(tǒng)掌握該合金在熱變形過程中的流動(dòng)行為及相應(yīng)的組織演變規(guī)律，了解高溫塑性加工過程中，變形流變應(yīng)力行為及其與變形溫度、變形速度和變形程度等加工工藝條件之間的相互影響關(guān)系。

由于壓縮試驗(yàn)材料消耗少，且實(shí)際生產(chǎn)中大多為壓力加工(如軋制、鍛壓和擠壓)；因此，采用壓縮試驗(yàn)?zāi)M壓力加工過程比拉伸試驗(yàn)有效。此外，壓縮試驗(yàn)過程中不會(huì)產(chǎn)生頸縮的問題?；趬嚎s法的一系列優(yōu)點(diǎn)，本文采用圓柱體單向壓縮法[6-9]，在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行金屬流變應(yīng)力的測定。

目前，對Mg-Gd-Y部分合金的熱變形行為已有大量報(bào)道，李慧中等[10]研究了Mg-10Gd-4.8Y-2Zn-0.6Zr鎂合金高溫?zé)嶙冃涡袨椋x志平等[11]研究了Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.6Zr鎂合金高溫?zé)嶙冃涡袨?；但是對Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金的熱變形特征還未見報(bào)道。

本文通過對Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s變形的模擬，獲得了該合金高溫?zé)釅嚎s變形時(shí)流變應(yīng)力的變化規(guī)律，研究了該合金高溫變形特征及相應(yīng)的組織演變規(guī)律，從而對合理制訂軋制、鍛造和擠壓等熱塑性成型工藝參數(shù)提供指導(dǎo)，并為進(jìn)一步系統(tǒng)研究該合金提供了基本數(shù)據(jù)。

1試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金鑄態(tài)坯料，其化學(xué)成分見表1。

表1　合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

選擇直徑為140 mm，高為18 mm的鎂合金鑄坯，在515 ℃進(jìn)行均勻化處理4 h，并用70 ℃水冷卻后，機(jī)械加工成10 mm×15 mm的圓柱形壓縮試樣。

熱壓縮模擬試驗(yàn)在Gleeble—3500熱壓縮模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣的變形溫度為350 ℃，應(yīng)變速率分別為0.001、0.01和0.1 s-1，壓縮量Δ=7 mm，真應(yīng)變?yōu)?.629，變形程度為53%。壓縮前，將石墨薄片作為潤滑劑放置于樣品和壓頭之間，以減小試樣與壓頭之間的摩擦；并在350 ℃下保溫180 s，以保證溫度的均勻化。對變形后的試樣進(jìn)行快速水淬，使變形組織得以保留，方便進(jìn)行后續(xù)的組織分析。水淬后的試樣經(jīng)鋸切、鑲嵌、研磨和拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕劑對試樣進(jìn)行腐蝕，在ZIESS光學(xué)顯微鏡下觀察腐蝕后試樣的顯微組織，并拍攝其顯微照片。采用THBP-62.5TIME布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試，試驗(yàn)力加載62.5 kg，保持15 s，壓頭直徑為2.5 mm。并通過熱電偶對記錄樣品在變形過程中的溫度變化。

2結(jié)果與分析[12-15]

2.1Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金硬度

均勻化后鎂合金在350 ℃下不同應(yīng)變速率的熱模擬壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1　均勻化鎂合金熱壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖1中可以看出,在350 ℃變形溫度下，不同應(yīng)變速率對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)一種先升高后下降的趨勢，為典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(Continuous Dynamic Recrystallization，CDRX)型流變曲線。在微應(yīng)變階段，應(yīng)力上升很快，說明該應(yīng)變階段加工硬化占主導(dǎo)，合金中只發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，硬化作用遠(yuǎn)大于軟化作用。隨著變形量的增加，位錯(cuò)密度不斷增加，使得動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶加快，軟化作用增強(qiáng)，從而加工硬化逐漸被動(dòng)態(tài)回復(fù)的軟化作用所抵消，此時(shí)表現(xiàn)為曲線斜率逐漸減小。

當(dāng)流變應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，加工硬化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化達(dá)到平衡(最大應(yīng)力值見表2)。隨著壓縮變形的繼續(xù)進(jìn)行，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶繼續(xù)發(fā)展，使流變應(yīng)力不斷下降，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)材料的流變應(yīng)力到達(dá)峰值應(yīng)力后，曲線出現(xiàn)鋸齒狀的流變特征。這主要是由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒迅速長大引起的軟化和已再結(jié)晶的晶粒又重新變形引起的硬化的交替作用造成的。

表2　均勻化鎂合金在350 ℃不同應(yīng)變速率下的最大應(yīng)力

2.2Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織

Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織金相圖如圖2所示。

圖2　Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織金相圖

由圖2可知，經(jīng)過壓縮后的合金，幾乎所有的晶粒都發(fā)生了塑性變形，試樣的晶粒開始沿軸向方向壓縮，徑向方向被拉長，表現(xiàn)出了很明顯的方向性，有了非常明顯的擠壓流線線條，得到了嚴(yán)重變形帶，并且發(fā)生了嚴(yán)重的晶粒破碎，產(chǎn)生了非常細(xì)小的晶粒，同時(shí)在晶間開始出現(xiàn)再結(jié)晶的晶粒組織；但是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的不充分，再結(jié)晶晶粒不能迅速長大，再結(jié)晶形核率較低，并且隨應(yīng)變速率的增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸逐漸減小。由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不夠完全，所以組織中仍存在變形大晶粒，導(dǎo)致變形不均勻。在變形量大的局部區(qū)域，產(chǎn)生細(xì)小等軸晶的現(xiàn)象非常明顯，變形大晶粒被動(dòng)態(tài)再結(jié)晶小晶粒包圍，呈現(xiàn)出顯著的“項(xiàng)鏈”狀組織特征。顯微組織呈現(xiàn)出變形大晶粒和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的小晶粒共存的現(xiàn)象。

圖2b～圖2d中的晶界上出現(xiàn)的黑色不連續(xù)相是由于鎂合金中有稀土化合物所形成的共晶組織，圖2b和圖2c金相組織中還可以看到河流狀的流線線條，線條的彎曲度大、長短不同并且方向不定，產(chǎn)生這種流線組織是由于在塑性變形中，原始晶粒晶界發(fā)生滑移與轉(zhuǎn)動(dòng)共同作用的結(jié)果。

熱壓縮溫度一定，隨著應(yīng)變速率的增加，其硬度也增加(硬度測試見表3)，這是由于當(dāng)變形速率較高時(shí)，產(chǎn)生同樣變形程度所需的時(shí)間相對較短，導(dǎo)致部分區(qū)域的位錯(cuò)來不及抵消和合并。位錯(cuò)增多，再結(jié)晶形核位置隨之增多，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。另外，由于應(yīng)變速率高時(shí)相應(yīng)的變形時(shí)間短，再結(jié)晶晶粒來不及長大，所以晶粒會(huì)隨應(yīng)變速率的增大而得到細(xì)化；因此，可以達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的效果，表現(xiàn)為硬度的增加。

表3　Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金各個(gè)狀態(tài)硬度測試

結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出，在350 ℃的變形溫度下，當(dāng)Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金應(yīng)變速率分別為0.001、0.01 和0.1 s-1時(shí)，顯微組織中都可以觀察到沿晶界有細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，但是數(shù)量較少，而且顯微組織很相近；所以，當(dāng)變形的應(yīng)變速率較低時(shí)，其對組織的影響不是很明顯。

很顯然，峰值應(yīng)力均隨著應(yīng)變速率的增大而增大，這是由于在高應(yīng)變速率下，合金塑性變形難以進(jìn)行，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶很難發(fā)生，或者不會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致流變應(yīng)力比較高。而且對應(yīng)的合金硬度也隨應(yīng)變速率的增大而提高，這是因?yàn)閼?yīng)變速率的提高會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的推遲，降低動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度，使加工硬化表現(xiàn)更加明顯。當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，應(yīng)變速率過快所以變形量較小，再結(jié)晶晶粒長大最慢，對應(yīng)的硬度最大?？梢姡谙嗤瑴囟认?，應(yīng)變速率越大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越慢，峰值最大(應(yīng)力最大)，硬度最大。

在外力作用下，細(xì)小晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小，變形比較均勻。因應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會(huì)較少，使得合金在斷裂之前能承受較大的變形量[16]，故壓縮過程中不易發(fā)生壓裂現(xiàn)象。

3結(jié)語

通過上述分析，得出如下結(jié)論。

1)Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金在350 ℃變形溫度以及0.001、0.01和0.1 s-1的不同應(yīng)變速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)一種先升后降的趨勢，在微應(yīng)變階段，應(yīng)力上升很快；隨著變形量的增加，曲線斜率逐漸減??；當(dāng)材料的流變應(yīng)力到達(dá)峰值應(yīng)力后，曲線出現(xiàn)鋸齒狀的流變特征，這主要是由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒迅速長大引起的軟化和已再結(jié)晶的晶粒又重新變形引起的硬化交替作用造成的。

2)Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金在350 ℃變形溫度下，顯微組織很相近，所以當(dāng)變形的應(yīng)變速率較低時(shí)，應(yīng)變速率對組織的影響不是很明顯；但是峰值應(yīng)力及合金硬度均隨著應(yīng)變速率的提高而增大，即應(yīng)變速率越大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越慢，峰值最大(應(yīng)力最大)，硬度最大。

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Research on Hot Compression Deformation Behaviors of Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr Magnesium Alloy at Elevated Temperature

YIN Xueyan1，2, YU Jianmin1，2, ZHANG Zhimin1，2, LIU Tao3

(1.Dept. of Material Processing Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China；2.Engineering Technology Research Center for Integrated Precision Forming of Shanxi, Taiyuan 030051, China; 3.Taiyuan Military Representative Office of Armored Military Representative Bureau, Taiyuan 030006, China )

Abstract：Hot compression deformation test of Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr alloy is conducted using a Gleeble-3500 stimulator at 350 ℃ and the strain rate varying from 0.001 to 0.1 s(-1), obtain the curve of flow stress-strain under the hot compression with constant temperature. The results show that the microstructures of this alloy at different strain rates at 350 ℃ are very similar, but the fact that the peak stress and corresponding hardness increases with the increasing strain rate.

Key words:Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr magnesium alloy， peak stress， hardness， microstructure evolution

收稿日期：2015-10-27

作者簡介：尹雪雁(1990-)，女，碩士研究生，主要從事精密塑性與改性技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號：TG 146

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A