鎂鋰合金壓縮變形行為及織構演變

錢兵羽，孫儉峰，何代澄，張莉博

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

輕質高強材料在航空航天、汽車等領域有著廣闊的應用前景[1-2]。鎂鋰合金是目前最輕的結構材料，以其為材料制造的預埋件、支架和機箱機殼使高軌衛(wèi)星減重173 kg，顯著提高衛(wèi)星有效載荷[3]。根據鋰含量的不同，可形成具有密排六方晶體結構的α單相鎂鋰合金、具有體心立方晶體結構β單相鎂鋰合金及雙相鎂鋰合金[4]。鋰質量分數低于5.7%時形成的α單相鎂鋰合金，雖然強度較高，但塑韌性較差，壓力加工困難，限制其應用。為拓展應用領域，學者圍繞加工工藝及變形機理等問題做了大量研究。

1 實驗材料及方法

1.1 材料與參數

該實驗以真空感應熔煉爐自行熔煉的Mg-Li合金(Mg-5Li-3Al-2Zn-1Y)為原料，經300 t臥式擠壓機擠壓成為直徑14 mm的圓棒，擠壓比17，擠壓溫度370 ℃，擠壓筒溫度280 ℃，擠壓速度0.5 mm/s。將擠壓變形的材料用石墨粉覆蓋，然后用錫薄紙包上在SX-2-10箱式熱處理爐中，采用573 K退火1 h的工藝。

1.2 制備方法

利用NH7720電火花線切割機將擠壓棒切割成4 mm×4 mm×6 mm的壓縮試樣。試樣方向分別與擠壓方向成0°、45°、90°角，圖1為取樣示意圖。

圖1 取樣示意Fig. 1 Sampling diagram

1.3 實驗設備

利用CMT5305型萬能試驗機對試樣進行壓縮實驗，采用0.09 mm/min的壓縮速率，測壓縮曲線。利用蔡司顯微鏡(ZeissLab.A1)觀察顯微組織，運用Panaly tical公司的Xpert pro X射線衍射儀進行織構分析，采用掃描電子顯微鏡(CamScan MX2600FE)及其搭載EBSD技術進行顯微組織分析。

2 結果與分析

2.1 力學性能

圖2為鎂鋰合金0°、45°、90°方向的壓縮應力-應變曲線。從圖2可知，0°方向抗壓強度為439.48 MPa，45°方向抗壓強度為348.13 MPa，90°方向抗壓強度為341.34 MPa。0°方向抗壓性能最優(yōu)，90°方向抗壓性能最低，鎂鋰合金擠壓型材在壓縮變形中表現出明顯的各向異性。其原因主要是材料在變形過程中形成了較強的織構。按照木桶原理，后面重點討論鎂鋰合金90°方向織構變化。

從曲線特征上看，0°方向應力-應變曲線程“S”型。變形初期拉伸孿晶易啟動，曲線緩慢攀升；變形后期，臨界分切應力較高的滑移系啟動，曲線呈快速硬化特征[11]。45°方向、90°方向壓縮變形時，曲線非“S”型。特別是90°方向，當變形量超過10%時，出現明顯的塑性失穩(wěn)現象,初步判定該方向壓縮變形過程中，變形機制發(fā)生了變化。

2.2 顯微組織

圖3為90°方向試樣退火態(tài)及17%壓縮變形量后的金相顯微組織。鎂鋰合金在擠壓變形后經過了退火處理，退火組織晶粒分布均勻，局部區(qū)域存在退火孿晶。隨后對退火試件進行壓縮實驗，在壓縮變形量達到17%時，金相組織中出現大量細小的孿晶組織，且在視野內均勻分布。這說明當壓縮變形較大時，孿生也是其主要變形機制。

圖2 鎂鋰合金壓縮應力-應變曲線Fig. 2 Compressive stress-strain curves of Mg-Li alloy

圖3 90°方向試樣金相顯微組織Fig. 3 Microstructure of sample at 90° direction

2.3 X-射線衍射

圖4 鎂鋰合金90°方向不同壓縮量的XRD圖Fig. 4 XRD pattern of different compression in 90°direction of Mg-Li alloy

2.4 變形前后EBSD

圖5為鎂鋰合金90°方向壓縮變形前極圖及反極。

圖5 鎂鋰合金90°方向變形前極圖及反極圖Fig. 5 Pole figure and inverse pole figure of Mg-Li alloy with 90° to extrusion direction before compression deformation

圖6 鎂鋰合金90°方向變形后極圖及反極圖Fig. 6 Pole figure and inverse pole figure of Mg-Li alloy with 90° to extrusion direction after compression deformation

2.5 織構演變規(guī)律

滑移系(或孿生系)是否開動可用Schmid取向因子衡量。在軋制狀態(tài)下Schmid因子的計算公式[12]為

ms=cosαcosβ-cosγcosδ，

(1)

式中：α、β——RD與滑移方向和滑移面的夾角；

γ、δ——ND與滑移方向和滑移面的夾角。

同樣的方法也可計算孿晶系的Schmid因子?？紤]到鎂為六方晶系，用四軸坐標指數表達，在計算時首先轉換為正交坐標系下的對應指數，根據式(1)進行計算。

表1 鎂鋰合金典型滑移系相對取向因子值

表2 鎂鋰合金典型滑移系(孿生系)相對取向{0001}因子值

3 結 論

(1)鎂鋰合金在壓縮變形過程中表現出明顯的各向異性。當壓縮方向平行ED方向時，抗壓強度最高；當壓縮方向垂直ED方向時，抗壓強度最低。