LZ61鎂鋰合金熱變形行為研究①

李 勇，劉俊偉，蘇 越，戴志東，楊振南

（南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌330063）

鎂鋰合金作為當(dāng)前最輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，密度為1．35～1．65 g／cm3，低于傳統(tǒng)鎂合金。鎂鋰合金不僅具有傳統(tǒng)鎂合金的高比強(qiáng)度、比剛度等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有良好的電磁屏蔽和阻尼性能以及易切削加工和易回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，故其被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、3C等領(lǐng)域［1－4］。但由于鎂鋰合金存在絕對(duì)強(qiáng)度低，高強(qiáng)度下韌性、熱穩(wěn)定性差以及熔煉成本高等不足，極大制約了鎂鋰合金工業(yè)化應(yīng)用。研究者從熱變形加工、冷變形加工、鑄造等方面對(duì)鎂鋰合金的性能進(jìn)行了研究與改善［5－7］。

本文擬對(duì)工業(yè)用鍛態(tài)LZ61鎂鋰合金板材進(jìn)行熱壓縮變形，通過分析其熱變形行為及微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，為鎂鋰合金的熱變形工藝的制定及變形機(jī)制的探究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為鍛態(tài)LZ61鎂鋰合金厚板材，化學(xué)成分如表1所示。采用數(shù)控火花線切割機(jī)沿鍛造方向?qū)Z61板材切割成Φ10 mm×12 mm的圓柱狀試樣，并用砂紙打磨，超聲波振蕩清洗表面雜質(zhì)和油脂后吹干備用。在Gleeble－3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為593 K，應(yīng)變速率分別為0．001 s－1、0．01 s－1、0．1 s－1，最大變形量為60%，升溫速率為5 K／s，升溫至預(yù)設(shè)溫度后保溫5 min，以確保試樣整體溫度均勻。從熱壓縮變形后的腰鼓型試樣上截取橫截面中心部位進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕（采用滴蝕法，腐蝕劑為2 mL硝酸＋1 mL乙酸＋20 mL乙醇），腐蝕時(shí)間約為8 s，試樣表面金屬光澤略微呈暗灰色。

表1 LZ61鎂鋰合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

通過XJP－6A金相顯微鏡和Nova Nano SEM450型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)試樣微觀組織進(jìn)行觀察。采用INCA 250 X－Max50型能譜儀對(duì)特征區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)分析，以確定其不同部分成分含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

對(duì)壓縮實(shí)驗(yàn)的負(fù)載-位移曲線數(shù)據(jù)可通過以下公式將其轉(zhuǎn)化成真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)：

式中l(wèi)為位移，mm；l0為標(biāo)距，mm；P為負(fù)載，kN；A0為橫截面積，mm2；ε為工程應(yīng)變；εT為真應(yīng)變；σeng為工程應(yīng)力，MPa；σT為真應(yīng)力，MPa。

圖1為593 K、不同應(yīng)變速率下熱壓縮LZ61鎂鋰合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。根據(jù)其變化特點(diǎn)可知，該合金的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征，即出現(xiàn)峰值應(yīng)力或呈穩(wěn)態(tài)流變現(xiàn)象［8－10］。由圖1可知，在變形初期，流變應(yīng)力隨應(yīng)變值增加而快速增加，這是加工硬化導(dǎo)致的；隨后動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用抵消了一部分加工硬化的效果，使得之后的流變應(yīng)力增速變緩；當(dāng)軟化作用與硬化作用形成動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，合金變形進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段。

圖1 593 K下LZ61鎂鋰合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

表2為在593 K下，不同應(yīng)變速率所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力。由表2可知，在同一溫度下，應(yīng)變速率越大，其對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力也越大。從軟化機(jī)制考慮，由于應(yīng)變速率增加，組織沒有足夠的時(shí)間發(fā)生軟化效應(yīng)，流變應(yīng)力也會(huì)隨之增大［11］。從變形機(jī)制考慮，這是因?yàn)殡S著應(yīng)變速率增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度隨之增加，所需對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力也隨之增加。綜上所述，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率降低而降低，這說明合金材料為正應(yīng)變速率敏感材料。

表2 593 K下不同應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力

2．2 應(yīng)變速率敏感指數(shù)m計(jì)算

將流變應(yīng)力及應(yīng)變速率分別取對(duì)數(shù)繪制593 K溫度下的lnσ-ln˙ε曲線圖，如圖2所示。通常m值是超塑性的重要參數(shù)，它表征材料變形時(shí)能夠抑制頸縮擴(kuò)展的能力大小，所以將m值定義為流變應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感指數(shù)，標(biāo)志著材料超塑性能力，其值等于lnσ-ln˙ε曲線斜率的絕對(duì)值［12］。應(yīng)變速率和峰值應(yīng)力取對(duì)數(shù)的值列于表3。通過曲線擬合得到其斜率k為0．283，即其應(yīng)變速率敏感指數(shù)m＝0．283。Langdon［13］將合金伸長(zhǎng)率在400%以上、應(yīng)變速率敏感指數(shù)0．5以上定義為真超塑性，而伸長(zhǎng)率在400%以下應(yīng)變速率敏感性指數(shù)低于0．33稱為準(zhǔn)超塑性。該合金未達(dá)到準(zhǔn)超塑性，這是由于變形過程中發(fā)生了足夠多的動(dòng)態(tài)回復(fù)，因?yàn)榻M織超塑性要求等軸化的細(xì)晶，然而在動(dòng)態(tài)回復(fù)所引起的穩(wěn)態(tài)流變過程中，隨著持續(xù)應(yīng)變，晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)呈纖維狀，等軸化被部分破壞。

表3 應(yīng)變速率和峰值應(yīng)力取對(duì)數(shù)的值

圖2 593 K下LZ61鎂鋰合金lnσmax-ln˙ε曲線

2．3 金相組織分析

合金中Li在Mg基體中含量低于5．7%時(shí)，合金組織為單一的α-Mg相，結(jié)構(gòu)為hcp結(jié)構(gòu)；當(dāng)Li含量達(dá)到5．7%～10．3%時(shí)，合金存在α＋β雙相組織，即由α相hcp結(jié)構(gòu)和β相bcc結(jié)構(gòu)組成；當(dāng)Li含量超過10．3%時(shí)，合金則完全由β-Li相組成，即只有bcc結(jié)構(gòu)。LZ61中Li含量約為6．0%，屬于具有α＋β雙相組織的合金［13］。

LZ61合金熱壓縮前后的橫截面金相組織見圖3。由圖3可知，合金熱壓縮前的組織由α-Mg相基體和β-Li相組成且第二相沿著晶界分布，少數(shù)第二相彌散分布在晶粒中，可以觀察到其晶粒尺寸較為粗大，且晶粒大小不均，呈典型的枝晶狀。相較于原始組織，熱壓縮后的合金組織都由粗大的變形晶粒和細(xì)小的再結(jié)晶晶粒組成，這是動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶共同作用的結(jié)果。晶粒由于熱壓縮過程中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)而沿變形方向伸長(zhǎng)呈纖維狀，這也是導(dǎo)致其應(yīng)變速率敏感指數(shù)下降的重要原因。

圖3 LZ61原始試樣與熱壓縮后試樣橫截面金相組織

2．4 掃描電鏡與能譜分析

圖4為L(zhǎng)Z61鎂鋰合金在593 K、0．001 s－1應(yīng)變速率下變形后的SEM圖像。從圖4可以清晰地看到兩相：淺色的α相和深色的β相，在晶界處有明顯的一段較短的白亮線，此為滑移線，說明在熱壓縮變形過程中晶界滑移起主導(dǎo)作用。在掃描電鏡圖像中還可以看到細(xì)小的白亮晶粒，這是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化晶粒的結(jié)果。

圖4 LZ61鎂鋰合金在0．001 s－1應(yīng)變速率下變形后的SEM圖像

圖5 為熱壓縮溫度593 K、應(yīng)變速率0．001 s－1時(shí)LZ61合金中α相和β相處EDS點(diǎn)掃描成分分析圖，其對(duì)應(yīng)的元素含量如表4所示。由表4可知，α相處成分全為Mg，不含Li和Zn等其他成分；β相處Mg含量占絕大多數(shù)，此外還有少量Zn存在，這說明β相區(qū)域內(nèi)有Mg-Zn相存在，這是由于熱壓縮變形時(shí)Zn會(huì)在β相區(qū)域內(nèi)聚集形成Mg-Zn相，使該處Zn含量提高。在兩相位置處均未發(fā)現(xiàn)Li元素的存在，這是因?yàn)槠滟|(zhì)量很輕，在能譜分析過程中無法被檢測(cè)出來。

圖5 LZ61鎂鋰合金不同位置處的EDS點(diǎn)掃描圖

表4 合金中α相和β相處各元素質(zhì)量占比與原子占比

3 結(jié) 論

1）LZ61鎂鋰合金熱壓縮流變曲線呈典型動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征，即出現(xiàn)峰值應(yīng)力或呈穩(wěn)態(tài)流變現(xiàn)象；流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率降低而減小。

2）LZ61鎂鋰合金在本研究范圍內(nèi)的應(yīng)變速率敏感指數(shù)為0．283，未達(dá)準(zhǔn)超塑性標(biāo)準(zhǔn)，這是動(dòng)態(tài)回復(fù)作用使其晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)呈纖維狀，晶粒等軸化被部分破壞導(dǎo)致的。

3）鍛態(tài)LZ61鎂鋰合金微觀組織主要由α-Mg基體相及其晶界上彌散分布的β-Li相組成。經(jīng)熱壓縮后，由于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶共同作用，合金組織由粗大的纖維狀晶粒和細(xì)小再結(jié)晶晶粒組成。通過SEM分析可知，熱壓縮過程中合金塑性變形機(jī)制為晶界滑移。