高應(yīng)變率下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金的力學(xué)行為研究

孫慶冀，高景龍，鄭兆博，董旭光，郭策安

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 沈陽，110159)

鎂合金作為密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料，與鋼材、鋁材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，具有更高的比強度及比剛度，同時鎂合金材料還具有阻尼性好、抗震性優(yōu)越、電磁屏蔽能力強、利用率高等一系列優(yōu)點，在航空航天及軍事領(lǐng)域展現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。隨著鎂合金材料在高溫條件下的應(yīng)用不斷增多，耐熱鎂合金的研究受到科研人員的廣泛關(guān)注。上世紀(jì)90年代，Rokhlin L L等[4]為提高鎂合金強度，通過添加Gd、Y等稀土元素首次制備出Mg-Gd-Y鎂合金材料。Anyanwu I A等[5]在前人工作的基礎(chǔ)上，通過添加細化劑Zr制備了力學(xué)性能更加優(yōu)異的Mg-Gd-Y-Zr耐熱鎂合金。目前，現(xiàn)有的研究主要集中在低應(yīng)變速率下鎂合金材料的力學(xué)性能、晶粒細化劑強化機制等方面。李景利[6]通過各因素實驗對比發(fā)現(xiàn)，析出相體積分數(shù)及間距是影響Mg-Gd-Y-Zr屈服強度及塑性變形能力的重要因素。張新明等[7]通過控制合金中細化劑Mn、Zr元素含量，使Mg-Gd-Y-Zr合金抗拉強度達到370MPa。Yu Z等[8]通過添加Zn及Nd元素，使Mg-Gd-Y-Zr合金抗拉強度達到371MPa、延伸率達到7.2%。Wang Y F等[9]研究了Zn含量對Mg-Gd-Y-Zr顯微組織的影響，結(jié)果表明隨著Zn含量從0%增加到1.8%，合金的晶粒尺寸從7.1μm逐漸減小至2.7μm，合金尺寸顯著細化。

為擴展鎂合金研究范圍，并鑒于高應(yīng)變速率下有關(guān)鎂合金力學(xué)行為和塑性變形機制的研究相對較少的現(xiàn)狀，本文分別對鑄態(tài)、固溶及時效處理后的Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金材料，利用霍普金森壓桿裝置進行高速沖擊壓縮實驗，研究鎂合金在高應(yīng)變速率下的動態(tài)力學(xué)行為及微觀機制。

1 實驗材料與方法

實驗材料為Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金鑄錠，尺寸為φ20mm×300mm，其化學(xué)組成(質(zhì)量分數(shù))為：9.2%Gd、4.5%Y、0.46%Zr，其余為Mg。

將鎂合金鑄錠分別進行固溶及固溶后時效處理，固溶熱處理工藝為525℃×10h，水淬；時效熱處理工藝為525℃×10h固溶+240℃×9h時效，空冷。將處理后的鑄錠切割成φ9mm×5mm試樣，利用LWY20-A型霍普金森壓桿(洛陽利維集團)對Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金試樣進行高速沖擊實驗，實驗參數(shù)及試樣狀態(tài)列于表1～3。采用日立S-3400型掃描電鏡對不同熱處理狀態(tài)下鎂合金顯微組織進行觀測。

表1 鑄態(tài)Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金加載條件及試樣狀態(tài)

表2 固溶處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金加載條件及試樣狀態(tài)

表3 時效處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金加載條件及試樣狀態(tài)

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊載荷作用下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金應(yīng)力-應(yīng)變行為

高速沖擊載荷作用下鑄態(tài)、固溶及時效處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 不同熱處理狀態(tài)下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

由圖1可見，隨著應(yīng)變速率逐漸升高，試樣失效前，鑄態(tài)、固溶及時效處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線隨之升高。在鑄態(tài)條件下(圖1a)，當(dāng)應(yīng)變速率由345s-1增加到2177s-1時，真應(yīng)力、真應(yīng)變分別由284MPa、0.0674增加到384MPa、0.304；固溶處理后(圖1b)，當(dāng)應(yīng)變速率從519s-1增加到3230s-1時，真應(yīng)力、真應(yīng)變分別由261MPa、0.1053增加到318MPa、0.4403；時效處理后(圖1c)，應(yīng)變速率從382s-1增加到1226s-1時，真應(yīng)力、真應(yīng)變分別由309MPa、0.0507增加到396MPa、0.19。由此可見，Mg-9Gd-4Y-0.5Zr合金在不同熱處理狀態(tài)下正應(yīng)變率強化效應(yīng)均十分明顯。與鑄態(tài)及固溶處理不同的是，時效處理后材料破碎時真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線下降，試樣表現(xiàn)出應(yīng)變率強化及應(yīng)變率弱化的雙重特性。在沖擊載荷作用下，不同熱處理狀態(tài)的鎂合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線在屈服點后斜率均較大，表明加工硬化效應(yīng)在變形過程中十分顯著。在300～1200s-1范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變速率增加，不同熱處理狀態(tài)的鎂合金材料流變應(yīng)力增加效果更為明顯，當(dāng)應(yīng)變速率超過1200s-1時，隨著應(yīng)變速率增加，材料流變應(yīng)力增加不明顯，表明在低應(yīng)變速率條件下鎂合金材料應(yīng)力對應(yīng)變速率具有更高的敏感性。

為對比不同熱處理制度對鎂合金動態(tài)力學(xué)行為的影響，圖2給出相近應(yīng)變速率及試樣破碎前不同熱處理狀態(tài)下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

圖2 相近應(yīng)變速率下及試樣破碎前Mg-9Gd-4Y-0.5Zr真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

由圖2a可以看出，在相近應(yīng)變速率條件下，時效處理后鎂合金材料流變應(yīng)力最高，達到387MPa，固溶處理后鎂合金材料流變應(yīng)力最低，為262MPa；與其他熱處理狀態(tài)下鎂合金相比，為達到相同的應(yīng)變速率，時效處理后的鎂合金所需應(yīng)力最大，具有最高的抗變形能力。由圖2b可見，試樣破碎前，時效處理后的鎂合金材料流變應(yīng)力最高，達到396MPa，表明時效處理后鎂合金抗沖擊極限明顯提升；試樣破碎前，固溶處理后鎂合金具有最大應(yīng)變及最大應(yīng)變速率，表明固溶態(tài)鎂合金變形能力最強。

2.2 Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金顯微組織及其力學(xué)行為分析

不同熱處理狀態(tài)下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr的微觀形貌如圖3所示。

圖3 不同熱處理狀態(tài)下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr的微觀形貌

由圖3a可以看出，Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金鑄態(tài)組織由α-Mg基體和蠕蟲狀金屬間化合物Mg24(Gd，Y)5組成[10]；由圖3b可見，固溶處理后，蠕蟲狀金屬間化合物Mg24(Gd，Y)5全部溶解，在晶粒內(nèi)部形成細小顆粒狀金屬間化合物；由圖3c可見，時效處理后，在晶粒內(nèi)部及晶界處均彌散分布著塊狀金屬間化合物，在晶界處較為密集，彌散分布的金屬間化合物對位錯運動具有較大的阻礙作用，位錯在運動過程中需要切過或繞過第二相粒子，以保證滑移變形繼續(xù)發(fā)生，該過程需要更高的能量，故需要更大的外加載荷，使得第二相顆粒起到有效的強化作用，這與其所表現(xiàn)的力學(xué)性能相一致。

在沖擊載荷作用下，不同熱處理狀態(tài)Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金破碎時的微觀組織形貌如圖4所示。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr破碎時微觀形貌

圖4a為鑄態(tài)Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金破碎時試樣組織微觀形貌，此時試樣應(yīng)變速率為2646s-1。由圖4a可見，在沖擊載荷作用下，晶粒沿加載方向發(fā)生較大變形，晶界處蠕蟲狀第二相Mg24(Gd，Y)5隨著晶粒一起變形，并未出現(xiàn)破碎等情況；晶粒內(nèi)部萌生裂紋并沿著裂紋方向穿晶斷裂使試樣失效。圖4b為固溶處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金破碎時試樣組織微觀形貌，此時試樣應(yīng)變速率最大達到3709s-1。由圖4b可見，在晶粒內(nèi)部存在大量孿晶，同時在孿晶處萌生裂紋。董陽[11]通過透射電鏡發(fā)現(xiàn)孿晶內(nèi)部位錯大量聚集，大量孿晶界的存在阻礙滑移變形，使得局部應(yīng)力不斷升高，最終形成裂紋。圖4c為時效處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金試樣破碎時的微觀形貌，此時應(yīng)變速率為1586s-1。由圖4c可見，晶粒內(nèi)部析出大量細小Mg24(Gd，Y)5金屬間化合物，阻礙滑移變形，因此試樣破碎時，時效處理后試樣最大應(yīng)變遠低于固溶處理后鎂合金試樣；與固溶處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金材料相似，在沖擊載荷作用下，時效處理后試樣晶粒內(nèi)部同樣存在大量孿晶，并在孿晶處萌生裂紋，裂紋發(fā)展，最終導(dǎo)致試樣失效。

3 結(jié)論

(1)鑄態(tài)、固溶及時效處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金材料在高速沖擊載荷作用下均表現(xiàn)出明顯的正應(yīng)變率強化效應(yīng)，在低應(yīng)變率范圍內(nèi)Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金材料應(yīng)力對應(yīng)變率敏感性較高。在高速沖擊實驗過程中，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線在屈服點后上升斜率較高，表明該過程中加工硬化效應(yīng)十分明顯。

(2)通過對不同熱處理狀態(tài)下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金高速沖擊下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)時效處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金具有更高的抗沖擊極限，其次為鑄態(tài)Mg-9Gd-4Y-0.5Zr及固溶處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr。當(dāng)不同熱處理狀態(tài)下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金均處于應(yīng)變率敏感范圍內(nèi)，試樣在相似應(yīng)變速率下，時效處理后Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金流變應(yīng)力更高，表明材料抗沖擊性能更強。

(3)通過金相觀察發(fā)現(xiàn)，不同熱處理狀態(tài)下Mg-9Gd-4Y-0.5Zr鎂合金材料在高應(yīng)變速率下晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量孿晶，同時在孿晶內(nèi)部萌生裂紋，導(dǎo)致試樣失效。