简介概要

第二相在Mg-Gd-Y-Zr合金挤压棒超塑性变形中的作用

来源期刊:中国有色金属学报2010年第1期

论文作者:李理 张新明 邓运来 周楠 唐昌平

文章页码:10 - 16

关键词:Mg-Gd-Y-Zr合金;第二相;挤压;超塑性变形,Mg-Gd-Y-Zr alloy; second phases; extrusion; superplastic deformation

Key words:Mg-Gd-Y-Zr alloy; second phases; extrusion; superplastic deformation

摘    要:采用电子显微镜和XRD研究分析Mg-Gd-Y-Zr合金挤压棒材超塑性拉伸前后的微观组织及其超塑性机制。结果表明:在温度为450 ℃、应变速率为2×10-4 s-1的变形条件下获得的挤压棒的最大伸长率为410%,应变速率敏感系数为0.54;合金表观变形激活能远高于镁的晶界扩散激活能或晶格扩散激活能,超塑性变形机制为晶格扩散控制的位错协调晶界滑动机制;微孔洞在基体/方形富稀土相界面处萌生,较软的不规则块状β相承受部分塑性变形,松弛了相界处应力集中。

Abstract: The microstructures and superplastic behavior of the extruded rod of Mg-Gd-Y-Zr alloy before and after tensile were investigated and analyzed by microscopy and XRD. And tensile tests at various temperatures and strain rates were performed. The results show that the extruded rod exhibits the maximum elongation of 410% at 450 ℃ and 2×10-4 s-1 and the corresponding strain rate sensitivity of 0.54. The apparent activation energy for the superplastic flow is much higher than the activation energy of grain boundary diffusion or lattice diffusion of magnesium. The high ductility is attributable to grain boundary sliding accommodated by dislocation motion assisted by lattice diffusion. The microstructural results show that the cavities nucleate at the interface between the matrix and the cuboidal Re-rich phase, and that the deformable β phase relaxes the stress concentration at the interface by bearing the partial plastic strain.

基金信息:国家重点基础研究发展计划资助项目



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文章编号:1004-0609(2010)01-0010-07

第二相在Mg-Gd-Y-Zr合金挤压棒超塑性变形中的作用

李  理1, 2,张新明1,邓运来1,周  楠1,唐昌平1

(1. 中南大学 材料科学与工程学院,长沙 410083;

2. 湖南工学院 机械工程系,衡阳 421008)

摘  要:采用电子显微镜和XRD研究分析Mg-Gd-Y-Zr合金挤压棒材超塑性拉伸前后的微观组织及其超塑性机制。结果表明:在温度为450 ℃、应变速率为2×10?4 s?1的变形条件下获得的挤压棒的最大伸长率为410%,应变速率敏感系数为0.54;合金表观变形激活能远高于镁的晶界扩散激活能或晶格扩散激活能,超塑性变形机制为晶格扩散控制的位错协调晶界滑动机制;微孔洞在基体/方形富稀土相界面处萌生,较软的不规则块状β相承受部分塑性变形,松弛了相界处应力集中。

关键词:Mg-Gd-Y-Zr合金;第二相;挤压;超塑性变形

中图分类号:TG 146.2       文献标识码:A

Effect of second phase on superplastic deformation of extruded rod of Mg-Gd-Y-Zr alloy

LI Li1, 2, ZHANG Xin-ming1, DENG Yun-lai1, ZHOU Nan1, TANG Chang-ping1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Department of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421008, China)

Abstract: The microstructures and superplastic behavior of the extruded rod of Mg-Gd-Y-Zr alloy before and after tensile were investigated and analyzed by microscopy and XRD. And tensile tests at various temperatures and strain rates were performed. The results show that the extruded rod exhibits the maximum elongation of 410% at 450 ℃ and 2×10?4 s?1 and the corresponding strain rate sensitivity of 0.54. The apparent activation energy for the superplastic flow is much higher than the activation energy of grain boundary diffusion or lattice diffusion of magnesium. The high ductility is attributable to grain boundary sliding accommodated by dislocation motion assisted by lattice diffusion. The microstructural results show that the cavities nucleate at the interface between the matrix and the cuboidal Re-rich phase, and that the deformable β phase relaxes the stress concentration at the interface by bearing the partial plastic strain.

Key words: Mg-Gd-Y-Zr alloy; second phases; extrusion; superplastic deformation

                    


镁合金结构材料的应用在交通运输工具轻量化等方面具有很大的潜力[1]。相对于铝合金材料,镁合金的耐热性能较差,因此,目前镁合金仅仅应用在汽车的仪表板、方向盘、阀门罩等零件上[2]。进一步应用在动力传动系统中的零件,则需要较高的耐热性能(在200~300 ℃)[1]。已有研究表明,在镁中添加Gd以及其它稀土元素(RE),通过固溶强化与析出强化可使镁合金的耐热性能显著提高,Mg-Gd系合金从过饱和状态到平衡态,可析出大量的沉淀相,其析出序列如下:S.S.S.S→β″(DO19)→β′(Cbco)→β(Cubic)。β″和β′为亚稳相,β为平衡相[3?6]

近年来,超塑性成形(SPF)技术已应用于成形复杂形状的镁合金零件,其力学性能及可靠性明显优于一般铸造件[7?9]。稀土镁合金中的稀土元素大部分存在于第二相中,稀土对超塑性的影响是双方面的[10]。分布于晶界的第二相具有稳定细晶组织的作用,对超塑性变形有利。同时,稀土第二相也阻碍超塑性变形时晶界的滑动,并产生应力集中对进一步的超塑性变形不利。目前,大量SPF研究工作集中于AZ系列[11?12]及ZK[13]系列镁合金,而Mg-Gd系镁合金的超塑性变形研究尚不系统。

本文作者在探明Mg-Gd-Y-Zr合金挤压棒的超塑性变形机制基础上,分析Mg-Gd-Y-Zr合金中的第二相对超塑性变形的影响。

1  实验

实验合金为Mg-9.0Gd-4.0Y-0.4Zr合金(质量分数,%)。合金铸锭经520 ℃、4 h均匀化后,在375 ℃时挤压成外径为10 mm的棒材,挤压比为14?1,压头速率为2 mm/min。挤压棒被加工成圆柱体拉伸试样,标距长25 mm、直径5 mm。高温拉伸实验在配备有电阻炉的MTS万能试验机上进行,夹头两端及试样标距内安置灵敏的钯铑合金热电偶,数字温孔仪保证3处的温度差不超过2 ℃。拉伸方向平行于挤压方向。

为研究实验合金的超塑性变形机制,恒应变速率拉伸实验用来测定应变速率敏感系数(m值)。应变速率范围为7×10?5~4×10?3 s?1,温度范围400~485 ℃。样品在实验温度下经1 800 s保温后开始拉伸。样品拉断,空冷后进行微观组织观察。

用KYKY2800扫描电子显微镜(SEM)对晶粒结构、孔洞及第二相形貌进行观察。D/Max2500型X射线衍射仪(XRD)与Genesis 60S能谱仪(EDS)用来确定第二相组成与成分。JEM2100透射电子显微镜(TEM)进行微观组织分析。TEM样品的膜面平行于拉伸方向,用离子减薄法获得薄区。

2  结果与分析

2.1  超塑性行为

未经拉伸变形以及获得最大伸长率试样的照片如图1所示。由图1可看出,挤压棒在温度为450 ℃,应变速率为2×10?4 s?1的条件下,获得410%的最大伸长率,且整个标距内没有发生明显的颈缩现象。

图1  未经拉伸变形以及获得最大伸长率Mg-Gd-Y-Zr合金试样的照片

Fig.1  Photo of undeformed specimen and fractured specimen exhibiting maximum elongation

图2(a)所示为在应变水平为0.15条件下,流变应力随应变速率变化的趋势。由图2(a)可以看出,流变应力随应变速率的增加而上升。应变速率敏感系数m定义为

 

图2  未经拉伸变形以及获得最大伸长率的Mg-Gd-Y-Zr合金试样流变应力与伸长率随应变速率的变化

Fig.2  Changes of flow stress(a) and elongation(b) with strain rate of undeformed specimen and fractured specimen exhibiting maximum elongation

在各种实验条件下,m值的范围为0.14~0.54。在图2(b)中,最大伸长率对应于较高的m值(0.54)。

2.2  挤压态的微观组织

图3所示为挤压态棒材的SEM像及相应的EDS谱。从图3可以看出,晶粒形状为等轴状,平均晶粒尺寸为10 μm,测量方法按照d=1.74L(其中d为晶粒直径,L为相邻晶界的直线距离),统计晶粒的数量为1 000个。在晶界与晶内分布两种形貌的第二相粒子,一种为圆形粒子,另一种为方形粒子。能谱分析(EDS)显示,圆形粒子富含Zr元素,由于Zr与Gd和Mg均不反应,因此圆形粒子为Zr核;方形相富含Gd,它的存在将提高合金的耐热性能。这两种第二相均是在熔铸时产生的结晶相[14]

图3  Mg-Gd-Y-Zr合金挤压棒的SEM像以及第二相粒子a和b的EDS谱

Fig.3  SEM image of as-extruded Mg-Gd-Y-Zr alloy rod and EDS spectra of second phase particles a(b) and b(c)

2.3  试样拉伸后的微观组织

图4所示为试样在450 ℃、2×10?4 s?1拉断后的SEM像及相应的EDS谱。由图4(a)中的低倍SEM像可以观察到,孔洞沿拉伸方向(即挤压方向)分布。在经过450 ℃高温拉伸约3 h后,晶粒依然保持为等轴状,且仅仅长大至19 μm,长大速度远远低于AZ或ZK系列镁合金。图4(b)所示为第二相的形貌,除变形前原有的圆形Zr核(标记为Ⅰ)及富稀土方形相(标记为Ⅱ)处,还出现了大量不规则块状相(标记为Ⅲ)。结合Mg-Gd-Y三元相图[15],可以推断析出的不规则块状相为Mg5(Gd, Y)。图4(c)~(e)中相应EDS谱所示为第二相的EDS谱。运用化学计量方法,分析5处不规则块状相的成分,Mg与(Gd+Y)的平均摩尔分数比为5.06?1,可以基本确定不规则块状相为Mg5(Gd, Y),即β相。

 

图4  当温度为450 ℃、应变速率为2×10?4 s?1时拉伸后试样的SEM像和第二相的EDS谱

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