室溫變形過程中純Zn的孿生行為對力學性能的影響

趙夢杰，靳 麗，董 杰，王鋒華，董 帥

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室溫變形過程中純Zn的孿生行為對力學性能的影響

趙夢杰，靳 麗，董 杰，王鋒華，董 帥

(上海交通大學 輕合金精密成型國家工程研究中心，上海 200240)

Zn；孿生；拉壓不對稱；變形協(xié)調(diào)因子

在有色金屬中，我國Zn合金的礦物儲量、產(chǎn)量及用量僅次于鋁和銅。而近年來由于銅價格的上漲及環(huán)保問題，Zn合金作為Cu合金替代材料，引起了學者的廣泛關(guān)注。Zn合金用途廣泛，在鑄造Zn合金及變形Zn合金方面都有相關(guān)應(yīng)用，目前，Zn及其合金在生物醫(yī)用材料方面的應(yīng)用潛力也受到極大的關(guān)注[1?3]。相對于鑄造Zn合金，熱變形可有效改善鑄造組織、消除鑄造缺陷[4]，如ZA27合金退火后經(jīng)熱擠壓，可顯著碎化枝晶，有效消除疏松、縮孔等鑄造缺陷，改善材料不同部位的性能差異。而Zn由于其密排六方(HCP)的晶體結(jié)構(gòu)，變形時可開動的滑移系非常有限，Zn及其合金的成形性差，大大限制了Zn及其合金的工業(yè)化應(yīng)用與發(fā)展。研究Zn及其合金的塑形變形行為具有重要的意義。

本文作者研究了擠壓過程中純Zn的顯微組織演變，并研究了孿生變形對其宏觀力學行為的影響。引入變形協(xié)調(diào)因子，對純Zn中孿生在晶間的傳遞現(xiàn)象進行了分析，討論了提高Zn及其合金韌性的顯微組織調(diào)控方法，深化對Zn及其合金塑性變形理論的理解，推進變形Zn合金的工業(yè)化應(yīng)用。

1 實驗

在實驗中初始態(tài)材料為純Zn鑄錠。為了得到具有一定擇優(yōu)取向的組織，對鑄態(tài)材料進行了擠壓成形。擠壓溫度為200~250 ℃，擠壓比為12~18.4。擠壓溫度越低，擠壓型材的熱裂情況得到改善；擠壓比越大，再結(jié)晶組織越均勻；擠壓后立即快速冷卻可防止晶粒長大。最終選取200 ℃、擠壓比為18.4的組織進行研究，并在擠壓變形后立即水冷。為了排除擠壓態(tài)組織中的初始孿晶對分析后續(xù)變形過程中孿生行為的影響，對擠壓態(tài)Zn棒進行了去孿晶退火。退火溫度為300 ℃，時間為4 h。

對擠壓后的Zn棒材進行了室溫拉伸和壓縮，沿著擠壓方向切取室溫拉伸和壓縮試樣。室溫拉伸在Zwick/Roell型拉伸試驗機上進行；室溫壓縮在室溫壓縮機上進行。室溫拉伸試樣為標距段長10 mm，總長54.5 mm的板狀標準試樣；壓縮試樣尺寸為10 mm× 15 mm的圓柱試樣。

經(jīng)過機械研磨、拋光及腐蝕后，在Zeiss Axio ObserverA1型光學顯微鏡觀察材料微觀組織及形態(tài)。使用安裝在NOVA NanoSEM 230掃描電子顯微鏡(SEM)上的AZtec HKL Max系統(tǒng)，進行背散射電子衍射(EBSD)觀察。樣品采用Struers公司的TegraSystem磨樣機制備，制備過程包括：1000、2400、4000號砂紙上粗磨，6、3和1 μm金剛石懸浮液磨盤上細磨以及OPS溶液中拋光。將拋光完成的樣品在溶液(5%醋酸、15%乙酸、20%蒸餾水和60%酒精，體積分數(shù)) 中快速浸蝕，浸蝕時間為1~2 s。

式中：表示兩孿生面法向的夾角；表示兩孿生伯氏矢量間夾角。

2 實驗結(jié)果

2.1 擠壓及退火態(tài)純Zn的微觀組織分析

圖1所示為擠壓成形后的金相組織。擠壓工藝如下：擠壓溫度200 ℃，擠壓比18.4。從圖1可以看出，樣品中含有大量的孿晶。且該樣品中晶粒度分布較為不均勻，特別是在大晶粒中有大量相互平行的孿生組織出現(xiàn)。說明在純Zn變形過程中的孿生變形對晶粒尺寸有依賴性，大晶粒中更容易發(fā)生孿生變形。

圖1 擠壓態(tài)純Zn的金相組織

為了研究室溫變形過程中孿生行為對Zn力學性能的影響，對材料進行了去孿晶退火，以期消除擠壓態(tài)組織中的孿晶組織。圖3所示為擠壓態(tài)純Zn經(jīng)過去孿晶退火后的金相組織。相比于初始擠壓態(tài)組織，晶粒明顯長大，且無孿晶組織存在，表明去孿晶過程進行完全。

2.2 擠壓態(tài)純Zn的室溫力學行為

圖4所示為擠壓態(tài)純Zn沿擠壓方向進行室溫拉伸和壓縮的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。其中擠壓態(tài)AZ31 Mg合金在相同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線作為參考數(shù)據(jù)。與室溫壓縮相比，純Zn拉伸時塑性十分有限(僅為1.9%)，屈服強度也遠低于室溫壓縮狀態(tài)的，表現(xiàn)出明顯的拉壓不對稱性。與AZ31 Mg合金的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相比，拉壓不對稱性更加明顯。

圖2 擠壓態(tài)純Zn的IPF圖、Band Contrast圖、掃描區(qū)域晶粒度分布圖和極圖

圖3 擠壓態(tài)純Zn去孿晶退火后的金相組織

圖4 在室溫及同一應(yīng)變速率下擠壓態(tài)AZ31 Mg合金[14]和純Zn的拉伸和壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖5 純Zn去孿晶退火后拉伸組織的IPF圖、GROD圖及帶對比圖

圖5(b)所示為該樣品的參考晶粒取向差圖(Grain reference orientation deviation，GROD)，GROD分析可以通過表征數(shù)據(jù)點之間的位向差，衍推出材料內(nèi)的位錯密度分布，其中GROD值越高，說明位錯密度越高，應(yīng)力集中越明顯。圖5(b)顯示室溫拉伸后，各晶粒之間位錯密度差別較大，且同一個晶粒內(nèi)部位錯分布也不均勻。GROD值較高的區(qū)域說明啟動了較多滑移，能消化更大的應(yīng)變。而孿晶界及其內(nèi)部位錯密度很低(見圖5(b)中箭頭②所示)，這可能與孿晶萌生及擴展階段能有效消耗位錯有關(guān)。晶界對滑移及孿生都有很大的阻礙作用：圖5(b)中晶界處，特別是箭頭①處都顯示了晶界附近的位錯塞積。晶粒2、晶粒3、晶粒4、晶粒5、晶粒6、晶粒7、晶粒8中的孿晶及晶粒1中的孿生1'的擴展也受到晶界了的阻礙。

3 分析與討論

材料的宏觀力學行為受到其微觀尺度晶內(nèi)的塑性變形機制(孿生、滑移)及介觀尺度晶間的變形協(xié)調(diào)能力的共同影響。孿生作為一種重要的塑性變形機制，極大影響著材料的力學行為：微觀尺度上，由于孿生開動的方向依賴性，強織構(gòu)材料單向加載時表現(xiàn)出拉壓不對稱。材料能否開動多類型孿生或繼續(xù)開動二次孿生，影響著材料的塑性。另外，介觀尺度上孿生在晶間的傳遞也能起到協(xié)調(diào)變形的作用。

3.1 孿生對純Zn室溫力學行為的影響

因此，由于HCP結(jié)構(gòu)的材料滑移系有限，往往不能有效協(xié)調(diào)變形。孿生相比于位錯滑移，在承擔變形的同時，能夠消耗位錯、松弛應(yīng)力，對于材料韌塑性的提高起到積極作用。另外，晶界對滑移和孿生擴展都存在明顯的阻礙作用，易在局部造成應(yīng)力集中。故研究晶界的應(yīng)力松弛機制對提高HCP晶格結(jié)構(gòu)材料的塑性有重要意義。

圖6 擠壓態(tài)純Zn室溫壓縮及室溫拉伸IPF圖

表1 去孿晶退火后純Zn組織進行室溫拉伸時各孿生變體開動的Schmid因子

3.2 孿生在晶間的應(yīng)變傳遞

表2 去孿晶退火后室溫拉伸組織孿生母晶粒間的變形協(xié)調(diào)因子m'

4 結(jié)論

2) 擠壓態(tài)純Zn沿ED方向拉伸與沿ED方向壓縮表現(xiàn)出明顯的拉壓不對稱。ED方向拉伸的屈服強度遠低于ED方向壓縮的屈服強度。另外，局部應(yīng)力分布會受到材料晶間變形協(xié)調(diào)能力的影響。

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Influence of twinning behavior on mechanical property of pure zinc deformed at room temperature

ZHAO Meng-jie, JIN Li, DONG Jie, WANG Feng-hua, DONG Shuai

(National Engineering Research Center of Light Alloy Net Forming, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

zinc; twinning; tension-compression yield asymmetry; deformation compatibility factor

2017-05-27;

2018-05-20

JIN Li; Tel: +86-21-34203052；E-mail: j_jinli@sjtu.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.09.12

1004-0609(2018)-09-1808-08

TG146.3

A

2017-05-27；

2018-05-20

靳 麗，副教授，博士；電話：021-34203052；E-mail: j_jinli@sjtu.edu.cn

(編輯 龍懷中)