简介概要

Mg-Nd-Zn-Zr稀土镁合金的热变形行为

来源期刊：中国有色金属学报2004年第11期

论文作者：夏长清武文花吴安如王银娜

文章页码：1810 - 1810

关键词：稀土镁合金；热模拟变形；流变应力；变形激活能；力学性能

Key words：Mg-Nd-Zn-Zr magnesium alloy; hot-compression; peak flow stress; deformation activation energy; mechanical properties

摘要：采用GLEEBLE-1500热模拟机对Mg-Nd-Zn-Zr稀土镁合金在温度为250～450 ℃、应变速率为0.002～0.100 s^-1、最大变形程度为60％的条件下，进行高温压缩模拟实验研究。分析了实验合金在高温变形时的流变应力和应变速率及变形温度之间的关系，计算了变形激活能和应力指数，并研究了在热压缩过程中组织的变化，为确定该稀土镁合金的挤压温度提供了实验依据。结果表明：合金的峰值流变应力随应变速率的增大而增加，随温度的升高而降低；合金的变形激活能在300～400℃内变化不大，而在400～450 ℃时增加很大；根据实验分析认为该稀土镁合金挤压温度定在350～400 ℃左右为宜；在350℃左右顺利挤出的实验合金有很好的力学性能： σ_b=275.5 MPa， δ=13.5%。

Abstract: The stress-strain behavior of a Mg-2.5%Nd-0.5%Zn-0.4%Zr (mass fraction, %) alloy at various strain rates and different deformation temperatures were investigated under maxium strain of 60%. The microstructure of the experimental alloy was studied in the hot-compression procedure. The results show that the relation between stress and strain is affected obviously by the strain rate and deformation temperature. The peak flow stress becomes larger with the increasing strain rate at the same temperature, and gets smaller with the increasing deformation temperature at the same strain rate. The deformation activation energy increases greatly in the range of 400-450 ℃, and no more change in the range of 300-400 ℃. The alloy can be extruded successfully at 350 ℃ with σ_b of 275.5 MPa and δ of 13.5%. The mechanical properties of as-extrusion have a remarkable increasement compared with those of the as-cast at room temperature.

中国有色金属学报 2004,(11),1810-1816 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.11.004

Mg-Nd-Zn-Zr稀土镁合金的热变形行为

夏长清武文花吴安如王银娜

中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083

摘要：

采用GLEEBLE 1500热模拟机对Mg Nd Zn Zr稀土镁合金在温度为250～450℃、应变速率为0.002～0.100s-1、最大变形程度为60%的条件下,进行高温压缩模拟实验研究。分析了实验合金在高温变形时的流变应力和应变速率及变形温度之间的关系,计算了变形激活能和应力指数,并研究了在热压缩过程中组织的变化,为确定该稀土镁合金的挤压温度提供了实验依据。结果表明:合金的峰值流变应力随应变速率的增大而增加,随温度的升高而降低;合金的变形激活能在300～400℃内变化不大,而在400～450℃时增加很大;根据实验分析认为该稀土镁合金挤压温度定在350～400℃左右为宜;在350℃左右顺利挤出的实验合金有很好的力学性能:σb=275.5MPa,δ=13.5%。

关键词：

稀土镁合金;热模拟变形;流变应力;变形激活能;力学性能;

中图分类号： TG115

作者简介：夏长清(1945),男,教授.;夏长清,教授;电话:0731 8830267;E mail:xia gro@mail.csu.edu.cn;

收稿日期：2004-05-09

Hot-compression deformation behavior of Mg-Nd-Zn-Zr magnesium alloy

Abstract：

The stress-strain behavior of a Mg-2.5%Nd-0.5%Zn-0.4%Zr (mass fraction, %) alloy at various strain rates and different deformation temperatures were investigated under maxium strain of 60%. The microstructure of the experimental alloy was studied in the hot-compression procedure. The results show that the relation (between) stress and strain is affected obviously by the strain rate and deformation temperature. The peak flow stress becomes larger with the increasing strain rate at the same temperature, and gets smaller with the increasing deformation temperature at the same strain rate. The deformation activation energy increases greatly in the range of 400450 ℃, and no more change in the range of 300400 ℃. The alloy can be extruded successfully at 350 ℃ with σ_b of 275.5 MPa and δ of 13.5%. The mechanical properties of as-extrusion have a remarkable increasement compared with those of the as-cast at room temperature.

Keyword：

Mg-Nd-Zn-Zr magnesium alloy; hot-compression; peak flow stress; deformation activation energy; mechanical properties;

Received： 2004-05-09

镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料。纯镁在25 ℃时的密度为1 736 kg/m³, 仅为铝的2/3, 钢的1/4 ^[1] 。镁合金作为最轻的结构材料具有很高的比强度和比刚度、优良的切削加工性能、良好的导热和阻尼减震性能以及优良的电磁屏蔽性和可回收利用等优点, 被认为是制备航天飞行器零部件、交通运输工具和3C产品等最具有前途的理想材料之一 ^[2,3,4] 。

目前, 工业镁合金产品多通过铸造的方式获得, 除了传统的高压、低压铸造, 砂模铸造等, 并同时有挤压铸造, 真空压铸和半固态压铸等新的铸造工艺 ^[5,6] 。根据国际镁协会(IMA)分析, 经过挤压、锻造、轧制等工艺生产出的变形产品具有更高的强度、更好的延展性, 更多样化的力学性能, 同时生产成本更低, 可以满足更多样化结构件的需要 ^[7,8,9] 。典型的变形镁合金系有Mg-Al-Zn(AZ)系和Mg-Zn-Zr(ZK)系, 但是在工作温度超过150 ℃时这些合金的抗蠕变性能和力学性能较差, 从而使其应用受到限制, 因此需要开发新的镁合金系来满足高温性能的需求。稀土元素如Y、 Nd、 Ce等是镁合金中很重要的合金元素, 可以大幅提高镁合金的铸造性能、室温和高温性能以及抗蠕变性能 ^[10] 。我国1980年研制成功以钕为主要合金元素的ZM6合金不但具有较高室温力学性能, 还具有良好的高温瞬时力学性能和蠕变性能, 可在室温下作为高强合金使用, 也可在250 ℃下长期使用 ^[11] 。

本文作者以Mg-Nd-Zn-Zr为实验合金研究了其在热压缩塑性变形过程中真应力-真应变曲线, 以及峰值流变应力与应变速率及变形温度之间的关系, 以期找到该稀土镁合金的合适的热挤压温度等参数, 使其通过变形而获得更高的强度和更好的延展性。

1 实验

实验合金Mg-2.5%Nd-0.5%Zn-0.4%Zr在氩气保护和自制熔剂的覆盖下, 用电阻炉在不锈钢坩埚里熔炼制备而成。合金采用纯镁、纯锌、 Mg-Zr和Mg-Nd中间合金加入。待完全熔化后进行搅拌确保成分尽量均匀, 静置后浇注成直径为d16 mm和d50 mm的铸锭。 d16 mm铸锭用来制作热模拟试样进行热压缩变形实验, d50 mm铸锭用来进行挤压变形。

热模拟试样尺寸为d10 mm×12 mm, 两端开0.1 mm浅槽加入含石墨的固体润滑剂以减少压缩时试样两端的摩擦力。热压缩模拟在GLEEBLE-1500热模拟机上进行, 应变速率分别为0.002, 0.010, 0.100 s^-1, 变形温度范围为250～450 ℃, 最大变形程度为60%。其中还选取不同的变形量(15%～60%)研究了热压缩过程中的组织变化情况。

采用NEOPHOT-21金相显微镜和JSM-5600LV扫描电镜观察合金显微组织, 采用XRD分析合金的相组成。拉伸实验在CSS-44100型万能电子拉伸机上进行, 拉伸速率为1.0 mm/min。并采用KYKY-2800B扫描电镜进行试样拉伸断口分析。

2 结果与分析

2.1 合金铸态微观组织观察与分析

实验合金Mg-2.5%Nd-0.5%Zn-0.4%Zr的铸态显微组织扫描电镜照片如图1所示。由图中可以看到, 铸态组织是由分布于晶界不连续的化合物和α(Mg)基体组成。同时由图1中对合金元素Nd的线扫描可以看出, 稀土元素Nd主要富集于晶界, 经X射线衍射分析可知(图2), 该稀土化合物是Mg₁₂Nd相。据文献 [ 12] 知道稀土相Mg₁₂Nd熔点为560 ℃, 明显高于Mg₁₇Al₁₂相(437 ℃)和MgZn相(347 ℃)熔点, 因此Mg₁₂Nd稀土相较Al₁₂Mg₁₇和MgZn相的热稳定性高, 当加热到200 ℃时, Mg₁₂Nd相的硬度下降约20%, 而Al₁₂Mg₁₇和MgZn相的硬度则减小40%～50%。稀土元素提高镁合金耐热性的机理是使晶界和相界合金元素扩散渗透性减小, 使相界的凝聚作用减慢。

图1 实验合金的铸态组织

Fig.1 Microstructure of investigated as-cast alloy

图2 实验合金铸态的X射线衍射谱

Fig.2 XRD pattern of investigated as-cast alloy

由于稀土相的强、硬化效果远远高于普通镁合金中第二相, 尤其稀土化合物稳定性高, 对变形过程中基体的塑性流变阻碍作用大, 因此使稀土镁合金变形会更困难。因此需要对实验合金进行热/力模拟实验了解其热变形行为, 以寻找恰当的挤压工艺参数。

2.2 合金的热/力压缩模拟实验

采用热/力压缩模拟实验研究了Mg-Nd-Zn-Zr合金试样在多种变形条件下的高温塑性变形行为。试样在不同应变速率条件下的真应力-真应变曲线如图3所示。可见变形温度和变形速率对材料的变形性能有很明显的影响。

应变速率是影响流变应力的一个重要因素, 从图3可见, 在同一变形温度下, 材料的真应力随应变速率的增大而增大。这主要是因为应变速率越大, 塑性变形时单位应变的变形时间缩短, 位错产生运动的数目增加, 同时由动态回复、动态再结晶等提供的软化过程时间缩短, 塑性变形进行得不充分, 合金变形的临界切应力提高, 从而导致流变应力增大。

温度是影响流变应力的另一个重要的因素, 从图3可以看出, 在同一应变速率下, 真应力随温度的提高而降低。因为随温度升高, 热激活能的作用增强, 原子间动能增大, 原子间的临界切应力减弱, 此外动态回复及动态再结晶引起的软化程度也随温度的升高而增大, 从而导致合金的真应力降低。

对合金的真应力-真应变曲线的分析可知, 合金的应力、应变速率、温度之间相互作用明显。因此有必要明确合金高温塑性变形过程中各个因素之间的关系, 从而掌握合金的高温热变形行为。

考虑到材料的热变形和高温蠕变一样存在热激活过程, 过程特点之一是应变速率受热激活过程控制, 即遵从Arrhenius公式 ^[13,14] :

$\dot{ε} = \dot{ε}_{0} \exp (- \frac{Q}{R Τ}) ? ? ? (1)$

Sellars和Tegart提出可采用一个含应力的双曲正弦形式来修正Arrhenius关系来描述这种热激活行为 ^[15]

$\dot{ε} = A [\sinh (α σ)]^{n} \exp (- \frac{Q}{R Τ}) ? ? ? (2)$

图3 Mg-Nd-Zn-Zr合金在不同应变速率和变形温度时的真应力-真应变曲线

Fig.3 True stress-strain curves of Mg-Nd-Zn-Zr alloy at various strain rates and deformation temperature $\begin{array}{l} (a) — \dot{ε} = 0.002 s^{- 1}; (b) — \dot{ε} = 0.010 s^{- 1}; \\ (c) — \dot{ε} = 0.100 s^{- 1} \end{array}$

式中 A、 α、 n为与温度无关的常数; R为气体普适常数, 8.314 J/(mol·K); T为绝对温度, K; Q为变形激活能, J/mol, 又称动态软化激活能, 它反映高温塑性变形时应变硬化与动态软化过程之间的平衡关系。

利用 $\ln \dot{ε} - \ln σ$ 和 $\ln \dot{ε} - σ$ 的线性关系, 线性回归求出α值。这里α=0.009 5 MPa^-1。然后由式(2)可知:

$\dot{ε} \exp (\frac{Q}{R Τ}) = A [\sinh (α σ)]^{n} ? ? ? (3)$

当应变速率为常数时, 假定在很小的温度范围内变形激活能Q保持不变, 对式(3)两边取对数可得如下线性关系:

$\ln \dot{ε} + \frac{Q}{R Τ} = \ln A + n \ln [\sinh (α σ)] ? ? ? (4)$

由式(4)可求出n值、 b值和变形激活能Q, 分别为

$n = \frac{? \ln \dot{ε}}{? \ln [\sinh (α σ)]} |_{Τ} ? ? ? (5)$

$b = \frac{? \ln [\sinh (α σ)]}{? (1 / Τ)} |_{\dot{ε}} ? ? ? (6)$

$\begin{array}{l} Q = R \frac{? \ln \dot{ε}}{? \ln [\sinh (α σ)]} |_{Τ} \frac{? \ln [\sinh (α σ)]}{? (1 / Τ)} |_{\dot{ε}} \\ = R n b ? ? ? (7) \end{array}$

通过图4(a)中的 $\ln \dot{ε} - \ln [\sinh (α σ)]$ 直线斜率可求出材料常数n, 由图中可以看到两者呈较好的线性关系, 但在不同的温度下, 直线的斜率稍有不同, 说明变形激活能随温度的变化有一定的变化。在图4(b)中可由ln[sinh(ασ)]-1/T直线斜率确定b值, 同样由图中可以看出两者有很好的线性关系, 但在不同的应变速率下直线的斜率也稍有不同, 说明变形激活能随应变速率的改变也稍有变化。

不同应变速率下的变形激活能与温度的关系如图5所示。可见, 合金的变形激活能在300～400 ℃内变化不大, 而在400～450 ℃增加很大。据文献 [ 11] 知道, 在T≤0.7T_m变形时, 激活能接近于自扩散激活能, 而在T≥0.7T_m时则会超过这个值。又根据真应力-真应变曲线的分析可知, 合金在300 ℃温度以下变形是很困难的, 加工硬化严重, 试样发生了不同程度的破断。只有在超过350 ℃温度范围变形, 软化作用以动态回复化和动态再结晶开始起主要软化作用而有利于合金成形。因此, 在制定挤压方案时, 考虑到变形速率大时, 应选择在较高温度下挤压; 而考虑到提高材料挤压后的力学性能和减少热裂时, 应选择在较低温度下挤压。综合考虑最后确定合金的挤压温度为350 ℃。

2.3 实验合金热模拟过程中的组织演变

合金在350 ℃温度下热压缩到不同的变形量(15%、 30%、 45%、 60%)后迅速淬火保留高温下组织进行金相观察, 其组织的典型变化如图6所示。

图4 实验合金塑性变形过程中真应力、应变速率和变形温度的关系

Fig.4 Relationships between true stress, strain rate and temperature during plastic deformation $(a) — \ln \dot{ε} v s \ln [\sinh (α σ)]; (b) — \ln [\sinh (α σ)] v s 1 / Τ$

图5 不同应变速率下变形激活能与温度的关系

Fig.5 Relationships between deformation activation energy and temperature at different strain rates

变形前, 合金的晶粒表现为铸态形貌, 晶粒比较粗大。随着变形程度的增加, 合金的晶粒开始变形, 显微组织为变形组织形貌, 此时合金宏观表现为加工硬化。随着变形程度的进一步增加, 原来粗大的晶粒被明显拉长。结合图3 (b)合金的真应力-应变曲线及对其的分析可以知道, 350 ℃时合金热压缩过程微变形阶段有明显的加工硬化, 随着应变量的增加以动态回复为主的软化机制起主要作用, 曲线最后趋于水平, 即说明在350 ℃变形过程中合金发生了动态回复, 而并没有象一般镁合金一样发生动态再结晶。这可能是由于稀土元素Nd形成弥散分布的析出物能稳定亚晶粒, 阻碍晶界移动, 减慢动态再结晶的进行。这些都有利于提高合金的再结晶温度。

图6 热压缩过程中实验合金的显微组织

Fig.6 Microstructures of investigated alloy during hot-compression

(a)—ε=15%; (b)—ε=30%; (c)—ε=45%; (d)—ε=60%

2.4 合金的力学性能及拉伸断口分析

合金在350 ℃条件下顺利挤出棒材。挤压后测得合金的力学性能与铸态力学性能如图7所示。在铸态时合金的抗拉强度σ_b为213.0 MPa, 延伸率δ为2.4%; 而经过挤压变形后合金的抗拉强度σ_b为275.5 MPa, 延伸率δ为13.5%。较变形前其抗拉强度和延伸率有很大提高, 说明通过挤压变形该稀土镁合金有很好的力学性能。

图8所示为实验合金的拉伸断口形貌。图8(a)所示为为合金铸态时的拉伸断口形貌, 由图中可以看出断口平整, 断裂形式为脆性断裂, 呈典型的冰刀块形貌。图8 (b)所示为合金挤压变形后的拉伸断口形貌, 由图中可以看出有大量解理平台和微裂纹存在, 同时其间也分布有韧窝, 有撕裂的痕迹, 拉伸断口属于以解理为主的混合型断裂。两者对比明显可以知道挤压后延性较铸态要好, 这与力学性能实验中取得的数据有很好的吻合。