Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金等溫壓縮變形行為

安 迪 閆亮明 石 閣 王 昕 楊玉坤 王會(huì)廷

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243036)

Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金等溫壓縮變形行為

安 迪1閆亮明1石 閣1王 昕1楊玉坤1王會(huì)廷2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243036)

在溫度523～723 K和應(yīng)變速率0.001～1 s-1范圍內(nèi)，利用Geeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，對(duì)均勻化態(tài)的Mg-5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金進(jìn)行等溫壓縮試驗(yàn)，并獲得了應(yīng)力應(yīng)變曲線。研究了變形工藝參數(shù)對(duì)該合金流變應(yīng)力的影響規(guī)律，計(jì)算了熱變形激活能，建立了本構(gòu)模型。結(jié)果表明，Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在變形過(guò)程中真應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，隨應(yīng)變速率升高而升高，該合金的流變應(yīng)力曲線可以用雙曲正弦函數(shù)來(lái)描述。并求得該合金的熱變形激活能為181.902 6 kJ/mol。

Mg- Zn- Zr合金 熱壓縮 流變應(yīng)力 本構(gòu)模型

鎂合金作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，有希望廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、高速列車等領(lǐng)域。然而，由于其成形性較差，極大地限制了變形鎂合金在工業(yè)中的應(yīng)用[1- 2]。目前，鎂合金制品主要采用鑄造方式加工，只有有限的變形鎂合金獲得應(yīng)用[2- 3]。近些年，Mg- Zn- Zr系合金作為高強(qiáng)度變形鎂合金快速發(fā)展，Y被添加到鎂合金中，可改善共晶溫度，形成穩(wěn)定的第二相，實(shí)現(xiàn)固溶和時(shí)效強(qiáng)化[4]。研究發(fā)現(xiàn)Y和Nd同時(shí)加入Mg- Zn- Zr合金，能使合金鑄態(tài)晶粒細(xì)化，其形成的稀土相可細(xì)化變形后的晶粒，進(jìn)而提高室溫強(qiáng)度，但合金變形困難，在熱變形過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題[5- 7]。眾所周知，熱變形對(duì)生產(chǎn)出滿意的產(chǎn)品至關(guān)重要，然而目前對(duì)Mg- Zn- Zr- Y- Nd合金熱變形規(guī)律的研究報(bào)道甚少。因此研究準(zhǔn)確的本構(gòu)模型對(duì)合金實(shí)際熱加工過(guò)程中工藝的制定、優(yōu)化，加工設(shè)備的選擇，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著非常重要的意義。

本文采用熱模擬研究Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同變形工藝參數(shù)下的等溫恒應(yīng)變速率的熱壓縮變形過(guò)程，分析和討論了其熱變形行為，并建立了本構(gòu)模型。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金。鑄錠經(jīng)500 ℃×16 h均勻化處理后加工成為φ10 mm×15 mm小圓柱體。試樣在Gleeble- 1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行等溫壓縮試驗(yàn)，變形溫度為523、573、623、673、723 K，應(yīng)變速率為0.001、0.01、0.1、1 s-1，總壓縮應(yīng)變量為0.7(真應(yīng)變)，熱壓縮前在試樣兩端粘貼石墨片以降低摩擦。以5 K/s的加熱速率，將試樣加熱到一定溫度后，保溫3 min，使整個(gè)試樣受熱均勻，然后進(jìn)行等溫?zé)釅嚎s試驗(yàn)。為了防止試樣發(fā)生氧化，壓縮過(guò)程中采用氬氣保護(hù)，當(dāng)?shù)葴貕嚎s到設(shè)定的應(yīng)變值后，立即水淬。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線

圖1為Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同溫度和應(yīng)變速率熱壓縮條件下的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線。從圖中曲線形狀可以看出，試驗(yàn)合金的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線具有典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征，在試驗(yàn)應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線可以分為4個(gè)階段：加工硬化階段(階段I)，過(guò)渡階段(階段II)，軟化階段(階段III)和穩(wěn)態(tài)流變階段(階段IV)。另外，在溫度較高和應(yīng)變速率較低時(shí)，合金很快發(fā)生再結(jié)晶，過(guò)渡階段很不明顯，甚至消失了；變形速率越大，變形溫度越低，則流變應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的穩(wěn)態(tài)階段越少[8- 9]。

從圖1中可以看出， 試驗(yàn)合金在應(yīng)變速率一定時(shí)，流變應(yīng)力隨溫度的升高而降低;在變形速率較小，變形溫度較高條件下，流變應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的峰值消失，基本上呈穩(wěn)態(tài)階段；在變形溫度一定時(shí)，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而升高，如在623 K變形時(shí)，變形速率從0.001 s-1增加到1 s-1時(shí)，合金的峰值應(yīng)力由38.525 MPa增大到118.46 MPa，這說(shuō)明試驗(yàn)合金在該試驗(yàn)條件下是一種正變形速率敏感材料。

圖1 Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線

2.2 本構(gòu)方程的建立

(1)

式中:Q為變形激活能，R為氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)，T為絕對(duì)溫度(K)，A為材料常數(shù)，σ為流變應(yīng)力。應(yīng)力函數(shù)f(σ)在不同應(yīng)力水平下有三種表達(dá)方式：

f(σ)=σn1

(2)

f(σ)=exp(βσ)

(3)

f(σ)=[sinh(ασ)]n

(4)

式中:α、 β和n1(α=β/n1)為材料常數(shù)。對(duì)不同金屬材料熱加工數(shù)據(jù)的研究表明，低應(yīng)力狀態(tài)和高應(yīng)力狀態(tài)下流變應(yīng)力和應(yīng)變速率關(guān)系分別可用冪指數(shù)關(guān)系(2)式和指數(shù)關(guān)系(3)式進(jìn)行描述，(4)式基本能適用于描述整個(gè)應(yīng)力水平范圍的熱變形過(guò)程。在低應(yīng)力和高應(yīng)力水平下，分別將式(2)和式(3)代入式(1)，并對(duì)兩邊取對(duì)數(shù)可得：

(5)

(6)

(7)

式中:σ為流變應(yīng)力；R為摩爾氣體常數(shù)；A、α和n均為與材料狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)；Q為熱變形激活能，反映材料熱變形的難易程度，其大小取決于材料的組織狀態(tài)。式中ασ為應(yīng)力水平因子，它是一個(gè)附加可調(diào)節(jié)常數(shù)修正值，在繪制不同溫度下關(guān)系曲線時(shí)使之保持平行。

金屬和合金熱加工變形時(shí)，變形速率受到熱激活控制。變形溫度和變形速率對(duì)變形的影響由Zenner和Hollomon通過(guò)引入?yún)?shù)Z來(lái)描述，Z參數(shù)可以稱為“溫度補(bǔ)償速率因子”，它包含熱加工過(guò)程中的變形速率和變形溫度兩個(gè)控制變量,即：

(8)

對(duì)式(8)求偏微分可得變形激活能Q的計(jì)算式為：

(9)

對(duì)式(8)兩邊取對(duì)數(shù)還可得到：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(10)

根據(jù)式(10)，對(duì)lnZ-ln[sinh(ασ)]數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸(如圖3)，即可得到n=4.532 2，A=1.819 3×1013s-1。

將求的A、n、α和Q等材料常數(shù)值代入式(7)，得到Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金熱壓縮變形時(shí)的流變應(yīng)力方程：

(11)

由式(8)可得：

(12)

根據(jù)雙曲函數(shù)的定義可以得到：

sinh-1(ασ)=ln{(ασ)+[(ασ)2+1]1/2}

(13)

于是可以得到：

(14)

圖2 熱壓縮變形時(shí)流變應(yīng)力和溫度與應(yīng)變速率間的關(guān)系

Fig.2 Relationships among peak stress, strain rate and temperature during hot compression deformation

圖3 合金熱變形時(shí)ln[sinh(ασp)]與lnZ的參數(shù)關(guān)系

由此，式(14)也就可以表示為：

σ=69.93{(54.97×10-15·Z)0.22+[(54.97 ×10-15·Z)0.44+1]1/2}

(15)

(16)

根據(jù)式(15)、式(16)和相關(guān)的變形溫度和變形速率就可以求出對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力。

3 結(jié)論

(1)Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在應(yīng)變速率一定時(shí)，流變應(yīng)力隨溫度的升高而降低；在變形溫度一定時(shí)，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而升高，此鎂合金在該試驗(yàn)條件下是一種正變形速率敏感材料。

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收修改稿日期：2016- 01- 04

Deformation Behavior of Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd Alloy in the Isothermal Compression

Shi Ge1Yan Liangming1An Di1Wang Xin1Yang Yukun1Wang Huiting2

(1. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot Inner Mongolia 010051, China；2. School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan Anhui 243036, China)

The isothermal compression of homogenized Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd alloy was carried out at a Geeble- 1500 thermal simulator with various temperatures (523-723K) and strain rates (0.001-1 s-1), the true stress- true strain curves were obtained. The effect of the process parameters on the flow stress was investigated and the constitutive model was obtained. The results indicated that the stress significantly decreased with an increasing of the deformation temperature and a decreasing of the strain rate in the high temperature compression of Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd alloy. The flow behavior could be described by the hyperbolic sine constitutive equation. The thermal deformation activation energy was calculated to be 181.902 6 kJ/mol.

Mg- Zn- Zr alloy，hot compression，flow stress，constitutive model

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目 (No.ZD201111)，國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51275003)

石閣，男，主要研究方向?yàn)橛猩饘僦苽浼凹庸?/p>

閆亮明，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛猩饘僦苽浼凹庸ぃ珽mail：yanliangming@126.com