軋制變形對Mg-Zn-Y合金組織影響研究

李闖

(云南經(jīng)濟管理學院，云南昆明 650093)

鎂合金是21世紀新型綠色輕質合金，具有可回收性。它的韌性、導電、導熱、耐腐蝕等性能比大多數(shù)金屬及其合金要好，因而在航空航天、生物材料等領域得到越來越廣泛的應用。另外，鎂合金具有熱導率高和散熱非?？斓慕饘傥锢硖匦?，比強度比剛度好等金屬力學性能，是制作3C設備外殼的最佳材料，輕質而美觀，受各大筆記本電腦、手機等生產(chǎn)商的喜愛。3C電子設備在使用過程中會向周圍環(huán)境發(fā)射很多頻率的電磁波，使人長期處在有電磁波籠罩的空間中，對人體產(chǎn)生諸多不適或傷害。而鎂合金長周期有序堆垛組織可阻止電磁波的傳輸，使其具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能，能夠有效的降低周邊環(huán)境存在的電磁輻射對人體的傷害[1-11]。

鎂合金的塑性受到密排六方晶體結構的限制，變形能力差，通過塑性成形手段來改善稀土鎂合金的力學性能，提高其強度成為高性能鎂合金行業(yè)最艱難的任務之一。已有研究表明，采用軋制、擠壓等熱機械變形工藝生產(chǎn)出的鎂合金組織均勻有序，有更高的強度、更好的延展性和更優(yōu)異的加工性。軋制是最為高效經(jīng)濟的板材塑性加工方法，用軋制來生產(chǎn)高強度鎂合金備受矚目。Mg-Zn-Y系合金組織的尺寸、形狀、數(shù)量及分布是影響鎂合金力學性能的決定性因素，需要深入研究軋制工藝參數(shù)與Mg-Zn-Y合金中強化相性能之間的具體關系[12-15]。本文在不同的軋制溫度和變形量下進行變形，研究該Mg98.5Zn0.5Y1在不同軋制溫度和變形量下的組織變形機理，從而為Mg98.5Zn0.5Y1合金組織性能的改善提供重要的理論參考。

1 研究方法及結果分析

1.1 熔煉鑄造

采用SXL-1200型箱式電阻爐對鑄態(tài)Mg98.5Zn0.5Y1合金進行熔煉，如圖1(a)所示，鑄態(tài)的組織晶粒呈蠕蟲狀小而均勻，隨后進行定向凝固，定向凝固后加工符合要求的試樣金相組織如圖1(b)所示，晶粒粗大呈長條狀。隨后軋制實驗，軋制變形在φ12 mm和φ15 mm的兩輥上進行，軋輥的轉速恒定，轉速為100 r/min。軋制樣品在箱式電阻爐內(nèi)保溫10 min，保溫溫度分別為200 ℃、300 ℃和400 ℃。樣品軋制后空冷，軋制4道次后Mg98.5Zn0.5Y1合金樣品的厚度約1.75 mm，每增加一道次壓下量增加10%，累積壓下量約40%，最后進行金相觀察。

圖1 Mg98.5Zn0.5Y1合金組織

1.2 軋制溫度對微觀組織的影響

圖2 不同溫度下Mg98.5Zn0.5Y1合金軋制一道次后的顯微組織

圖3是軋制兩個道次，分別在不同溫度下的組織形貌。圖3(a)和(b)是200 ℃下軋制二道次不同放大倍數(shù)組織，變形產(chǎn)生的孿晶比一道次多而小。圖3(c)和(d)是300 ℃下軋制二道次不同放大倍數(shù)的組織，孿晶多，孿晶的尺寸5～15 μm，出現(xiàn)二次孿晶，長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折。圖3(e)和(f)是400 ℃下軋制二道次不同放大倍數(shù)的組織，相比于前兩個溫度，生成的孿晶多，尺寸相對較大，約為20～50 μm，孿晶的區(qū)域寬，也產(chǎn)生多次孿晶。溫度高，界面能低，孿生形核就越容易，在后續(xù)過程中有充足的能量逐漸長大。與300 ℃相比，孿生所需的能量要小，容易長大，故300 ℃的孿晶要細，因為溫度相對低，相的流動要緩慢一些，在變形進行時就更容易產(chǎn)生較大的應力集中造成孿生的多次形核。

長周期有序堆垛組織在孿晶界上扭折，孿晶界越多，臺階狀的扭折就越多，由此可知孿晶變形是長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折的主要原因。軋制兩個道次之后，變形程度相對較大，產(chǎn)生了更多的孿晶，長周期有序堆垛組織不影響孿晶的產(chǎn)生，穿過長周期有序堆垛組織的孿晶是連續(xù)的，從圖3和圖4可知，在產(chǎn)生的一次孿晶上又產(chǎn)生了其他孿晶，多次孿晶的相互作用，出現(xiàn)很多孿晶界，長周期有序堆垛組織位向發(fā)生改變，朝向RD方向，呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向，沿著軋制方向的塑性變形能力更好。另外，孿生大多數(shù)從晶界處開始產(chǎn)生，隨著變形的加劇，沿著RD方向孿晶漸漸形成。晶界處位錯塞積較多，而且晶界的兩側層狀的長周期有序堆垛組織位向不一致，受到壓應力的作用能產(chǎn)生較大的應力集中，這些都為孿生提供了條件，因而孿晶在晶界處較集中。

圖3 不同溫度Mg98.5Zn0.5Y1合金下軋制二道次的顯微組織

圖4 不同溫度下Mg98.5Zn0.5Y1合金軋制三道次的顯微組織

圖4是軋制三個道次，在不同溫度下的組織形貌。圖4(a)和(b)是200 ℃下軋制三道次不同放大倍數(shù)組織，從中可看出產(chǎn)生了大量孿晶，呈絲狀或條狀，長周期有序堆垛組織發(fā)生彎曲。圖4(c)和(d)是300 ℃下軋制三道次不同放大倍數(shù)的組織，孿晶多而聚集，出現(xiàn)很多二次孿晶，在長周期有序堆垛組織上產(chǎn)生明顯的變形帶，方向傾向于RD。圖4(e)和(f)是400 ℃下軋制三道次不同放大倍數(shù)的組織，此圖中的晶粒很少，只有幾個，變形類似于單晶，相比于前兩個溫度，生成的孿晶要少。晶粒少，晶內(nèi)的滑移就容易進行，因而不需要產(chǎn)生太多的孿晶。長周期有序堆垛組織除在少數(shù)第二相或缺陷處纏結，大多呈現(xiàn)順滑的絲狀相。Mg98.5Zn0.5Y1合金經(jīng)三個道次的軋制之后，變形程度較大，晶粒大，在晶粒內(nèi)產(chǎn)生變形，晶粒難以轉動以協(xié)調(diào)變形，從而通過產(chǎn)生孿晶的方式進行變形，穿過長周期有序堆垛組織的孿晶是連續(xù)的，長周期有序堆垛組織在孿晶界處發(fā)生了扭折，扭折的長周期有序堆垛組織朝向RD方向，軋制方向的塑性變形能力較好。

圖5是軋制四個道次，在不同溫度下的組織形貌。圖5(a)和(b)是200 ℃下軋制四道次不同放大倍數(shù)的組織，當溫度較低，變形量較大時，變形產(chǎn)生大量孿晶，一次與多次孿晶相互交割，長周期有序堆垛組織發(fā)生劇烈扭折，在有缺陷處，變形較大，應力集中，長周期有序堆垛組織扭折產(chǎn)生裂紋，導致失效。圖5(c)和(d)是300 ℃下軋制四道次不同放大倍數(shù)的組織，圖中的孿晶多而聚集，孿生會促進裂紋的形核，而裂紋的產(chǎn)生非?？焖?，在裂紋的尖端會出現(xiàn)應力集中，從而促進孿生，當應力集中到一定程度時，長周期有序堆垛組織嚴重扭折導致斷裂的產(chǎn)生。圖5(e)和(f)是400 ℃下軋制四道次不同放大倍數(shù)的組織，溫度高，變形大，在晶界處聚集的畸變能大，為再結晶提供了能力，首先在晶界處產(chǎn)生再結晶，消除一部分缺陷帶來的危害，減少了應力集中，使長周期有序堆垛組織能連續(xù)扭折，沒有裂紋產(chǎn)生。這是因為Y原子固溶到α-Mg基體中降低了c/a值，有利于位錯的運動，位錯運動后相互間的作用產(chǎn)生了胞狀組織，胞狀組織改變了晶界取向關系，進一步增大變形量，扭折變形加劇，缺陷的存在使層狀相結構被破壞，該區(qū)域因畸變能較大，開始發(fā)生再結晶。

圖5 不同溫度下Mg98.5Zn0.5Y1合金軋制四道次的顯微組織

通過定向凝固形成的具有長周期有序堆垛組織Mg98.5Zn0.5Y1合金呈宏觀可見的長條狀，此時的晶粒較難發(fā)生轉動。鎂是密排六方晶體結構的金屬，常溫下滑移系只要三個，不能完全依靠滑移進行變形，還是要依靠孿晶機制。晶粒少而粗大，孿晶就成了變形的主要方式。本實驗的Mg98.5Zn0.5Y1合金晶粒較少，經(jīng)三個道次的軋制之后，變形程度較大，因晶粒大相互之間只在晶粒內(nèi)變形，晶粒很難實現(xiàn)轉動以協(xié)調(diào)變形，從而只有通過產(chǎn)生孿晶的方式變形，長周期有序堆垛組織不影響孿晶的產(chǎn)生，穿過長周期有序堆垛組織的孿晶是連續(xù)的，長周期有序堆垛組織在孿晶界處發(fā)生了扭折，扭折的長周期有序堆垛組織朝向RD方向，沿著軋制方向的塑性變形能力更好。

1.3 軋制道次對顯微組織的影響

圖6(a)(b)(c)(d)分別是200 ℃下軋制一、二、三、四道次的組織形貌。一道次存在孿晶變形，但相對不明顯。二道次和三道次相對要多一些，從四道次可以看出孿晶生成的量較多。而且在一次孿晶的基礎上，產(chǎn)生了二次孿晶，使長周期有序堆垛組織在孿晶界發(fā)生扭折，形成臺階狀的變形帶。為了更好的適應變形，隨著道次的增加，各相朝向RD方向發(fā)生偏轉。彎曲的程度隨著軋制道次的增加而加大，長周期有序堆垛組織條紋向RD方向轉變較明顯，且逐漸變得密實，在壓應力的作用下，與RD向垂直的小部分層狀相發(fā)生了較大的彎曲。圖6(d)中可看出，當有缺陷存在時，能阻礙滑移和孿生，在缺陷的周圍位錯塞積纏結，孿晶交錯重疊，形成了團狀的變形區(qū)，應力聚集，很容易在這些區(qū)域產(chǎn)生裂紋，使材料破壞。

圖6 Mg98.5Zn0.5Y1合金200 ℃軋制不同道次的顯微組織

進行第一道次軋制之后，由于上下軋面間剪切應力的存在，晶體內(nèi)部部分區(qū)域的平面晶面上在一個特定方向上發(fā)生了相對位移，形成位錯，導致大塊晶粒晶界周圍開始形成孿晶；隨著軋制道次增多，切應力逐漸增大，從而產(chǎn)生孿晶，然后通過晶界拓展使孿晶增寬，另外應力集中的地方促進形核，進而促進孿晶形核，孿晶的出現(xiàn)導致了晶?；w周圍的位相發(fā)生了改變，孿晶沿著剪切應力的方向形核，然后生長，長周期有序堆垛組織在應力作用下發(fā)生彎曲變形。

圖7(a)(b)(c)(d)分別是300 ℃下軋制一、二、三、四道次的組織形貌。一道次發(fā)生孿晶變形，但相對不明顯。二道次在晶界處產(chǎn)生的孿晶較明顯。在Mg98.5Zn0.5Y1合金中相的軟硬程度不同，在鎂的晶體結構中，沿c軸變形很難，滑移難以進行，而另外的方向可以發(fā)生滑移[16]，因而在不同的晶粒中孿生的程度不一樣。三道次出現(xiàn)了明顯的變形帶，基本與RD方向平行，長周期有序堆垛組織的流線成順滑曲線。四道次的長周期有序堆垛組織在切應力的作用下斷裂。

圖7 Mg98.5Zn0.5Y1合金300 ℃軋制不同道次的顯微組織

隨著道次的增加，孿晶的形成和變形程度的增加致使長周期有序堆垛組織的位相發(fā)生改變，有利于產(chǎn)生滑移，晶粒之間的排列間隙更加緊密，合金內(nèi)相朝向RD方向變化，片層狀長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折或彎曲的程度隨著軋制道次的增加而加大，長周期有序堆垛組織的條紋向RD方向轉變的更明顯，且更加密實，在軋制變形作用下，小部分層狀相發(fā)生了的彎曲，呈波紋狀。由于合金未能通過再結晶改善自身的塑性，隨著變形的繼續(xù)，軋制第四道次時合金發(fā)生了較嚴重的破壞。

圖8(a)(b)(c)(d)分別是Mg98.5Zn0.5Y1合金在400 ℃下軋制一、二、三、四道次的組織形貌。一道次軋制就開始出現(xiàn)了孿晶，這是因為溫度較高，能量充足，利于孿生的進行。二道次孿晶生成的量較多，在一次孿晶的基礎上還產(chǎn)生了二次孿晶，使長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折。三道次的孿晶上發(fā)生了部分再結晶。四道次產(chǎn)生的孿晶互相交割，在晶界處發(fā)生了明顯的再結晶。由圖中可以看出，由于上下軋面相反的剪切應力的存在，晶體內(nèi)部的晶面在一個特定方向上發(fā)生了相對位移，導致大塊晶粒或晶界周圍開始形成孿晶，孿晶的出現(xiàn)使得晶粒基體周圍的位相發(fā)生了改變，孿晶沿著剪切應力的方向生長，長周期有序堆垛組織在不同的道次和應力的作用，發(fā)生了不同程度上的彎曲變形。

圖8 Mg98.5Zn0.5Y1合金400 ℃軋制不同道次的顯微組織

在400 ℃下，隨著軋制道次的增加，產(chǎn)生的孿晶越來越多，隨著二次孿晶的出現(xiàn)，長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折，軋制時，每一道次板材軋向旋轉180°，正法向不變，由于切應力的改變，孿晶生長縱橫交錯。但在軋制過程中，長周期有序堆垛組織沒有發(fā)生斷裂，協(xié)調(diào)變形能力較之前的溫度要好，不同道次的長周期有序堆垛組織都發(fā)生了或大或小的扭折變形。這是因為在變形的過程中，存在阻礙變形的抗力，使得滑移難以進行，孿生改變了晶體的位向，協(xié)調(diào)變形不均勻發(fā)生斷裂。隨軋制道次的增加，扭折變形的程度加劇，合金中長周期有序堆垛組織的位向會逐漸趨向于RD方向。前三個道次的合金中沒有發(fā)生再結晶的現(xiàn)象，而在第四道次中，可以觀察到在晶界處發(fā)生了再結晶。晶界與基體發(fā)生塑性變形的程度不一致，位錯導致結晶難以進行，晶界處應力集中，導致晶界處畸變能大，為再結晶形核創(chuàng)造了條件，從而在晶界處形核，形成再結晶晶粒。在晶界處破碎的晶粒較小，彼此之間發(fā)生合并形成亞晶粒，晶粒長大，脫離原來的基體，在畸變足夠大的情況下發(fā)生了再結晶。故在200 ℃和300 ℃軋制四道次，發(fā)生了不同程度的失效。400 ℃時，晶界處的再結晶消除部分加工硬化和一些鑄造缺陷，改變晶內(nèi)組織的應力狀態(tài)，抵消部分加工硬化，提高鎂合金的塑性，所以沒有失效。

表1是不同道次下不同溫度下組織變化。道次不變，隨著軋制溫度的升高，孿生越容易發(fā)生，孿生改變了晶體的位向，長周期有序堆垛組織偏轉的程度逐漸加大，趨近于RD方向。溫度不變，隨著軋制道次的增加，Mg98.5Zn0.5Y1合金變形程度越大，孿晶也越多。但在缺陷處變形應力大，容易產(chǎn)生裂紋。溫度越高，塑韌性越好；道次增多，變形增多，強硬度增加，但在四道次200 ℃和300 ℃時出現(xiàn)裂紋，對Mg98.5Zn0.5Y1鎂合金加工時應避免此參數(shù)。

表1 不同道次下不同溫度下組織變化

2 結語

1)Mg98.5Zn0.5Y1合金的滑移系少，不容易進行變形，主要依靠孿生進行。 道次不變，隨著軋制溫度的升高，孿生越容易發(fā)生，孿生改變了晶體的位向，長周期有序堆垛組織偏轉的程度逐漸加大，趨近于RD方向。

2)溫度不變，隨著軋制道次的增加，Mg98.5Zn0.5Y1合金變形程度越大，孿晶也越多。但在缺陷處變形應力大，容易產(chǎn)生裂紋。

3)實驗中200 ℃和300 ℃軋制四道次發(fā)生了失效，而400 ℃的樣品仍然完好。溫度較高，變形量比較大時，晶內(nèi)的畸變大，發(fā)生再結晶，緩解裂紋產(chǎn)生而不至于失效，本實驗中Mg98.5Zn0.5Y1合金不適合在200 ℃和300 ℃下進行大變形。