擠壓態(tài)Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金本構(gòu)方程及加工圖

李建平，夏祥生

擠壓態(tài)Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金本構(gòu)方程及加工圖

李建平1，夏祥生2

（1. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401331；2. 中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

通過熱模擬實驗研究擠壓態(tài)Mg-8.5Gd-4.5Y-0.7Zn-0.4Zr合金的本構(gòu)方程及加工圖。在Gleeble熱模擬機(jī)上開展應(yīng)變速率為0.001～1 s?1，變形溫度為300～450 ℃條件下的單軸熱壓縮實驗。根據(jù)動態(tài)材料模型，建立合金的熱加工圖，分析功率耗散因子隨變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變的變化規(guī)律。合金的流變應(yīng)力在不同的變形溫度和應(yīng)變速率下表現(xiàn)出不同的特征，流變應(yīng)力與變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系可用雙曲正弦本構(gòu)關(guān)系來描述，其平均激活能為209.223 kJ/mol，應(yīng)力指數(shù)為3.442。合金的失穩(wěn)區(qū)出現(xiàn)在變形溫度為420～450 ℃，應(yīng)變速率為0.1～1 s?1的范圍內(nèi)。得到了擠壓態(tài)合金的本構(gòu)方程，合金最佳熱加工工藝參數(shù)為變形溫度為400 ℃，應(yīng)變速率為1 s?1。

鎂合金；本構(gòu)方程；加工圖；顯微組織

鎂合金由于其質(zhì)量小、力學(xué)性能好等特點，在航空航天和汽車等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注[1-2]。在目前開發(fā)的鎂合金中，Mg-Gd-Y系列合金具有優(yōu)異的室溫和高溫比強(qiáng)度，而且具有更高的抗蠕變性能[3]，因此受到廣泛的關(guān)注，在Mg-Gd-Y-Zr合金中添加Zn可以顯著增強(qiáng)合金的時效硬化，以及形成不同類型的長周期堆積有序（LPSO）結(jié)構(gòu)，包括18R，24R，10H，14H等[4-5]。Gao等[6]比較了Mg-10Y-5Gd-0.5Zr（WG105）和Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr（WGZ1052）合金的顯微組織，發(fā)現(xiàn)在WG105合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Zn后，顯微組織發(fā)生了顯著變化，WGZ1052合金中形成了6H型LPSO結(jié)構(gòu)。Liu等[7]報道了擠壓態(tài)T5-Mg-10Gd-3Y-0.5Zr合金在200 ℃時效時的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率，分別為397 MPa，311 MPa，5%，Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.5Zr合金為428 MPa，339 MPa，4%。Xu等[8]報道，通過大應(yīng)變熱軋和后續(xù)時效工藝研制的Mg-8.2Gd-3.8Y- 1.0Zn-0.4Zr合金在室溫下具有優(yōu)異的拉伸力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度為517 MPa，屈服強(qiáng)度為426 MPa，斷裂伸長率為4.5%，其主要原因是細(xì)小析出相在晶粒內(nèi)分布致密，晶界析出相分散，晶粒尺寸分布為雙峰型。Honma等[9]研究了時效硬化Mg-2.0Gd-1.2Y-Zn- 0.2Zr合金的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在過時效條件下，鋅的添加導(dǎo)致晶界以及晶粒內(nèi)的14H型LPSO結(jié)構(gòu)的不連續(xù)析出，從而提高了斷后伸長率。

Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的組織和力學(xué)性能已開展了大量的研究，但是，關(guān)于擠壓態(tài)的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的熱變形行為的報道較少，不能有效地指導(dǎo)該系合金精密成形方案及參數(shù)的設(shè)計，因而限制了其應(yīng)用。文中基于熱壓縮實驗結(jié)果來表征擠壓態(tài)Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的高溫變形行為，以期為該合金

的設(shè)備選型、成形方案及參數(shù)設(shè)計提供必要的實驗和理論基礎(chǔ)。

1 實驗

所用原材料為Mg-8.5Gd-4.5Y-0.7Zn-0.4Zr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）半連續(xù)鑄錠，鑄錠首先在510 ℃下均勻化處理，均勻化保溫時間為16 h，然后在400 ℃下擠壓成直徑為30 mm的棒材，擠壓比為26。在擠壓棒材上，沿擠壓方向加工成直徑為8 mm，高度為12 mm的圓柱熱變形試樣。在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上進(jìn)行0.001～1 s?1、300～450 ℃的單軸熱壓縮實驗，首先以5 ℃/s的速率將試樣加熱至變形溫度，然后保溫120 s。為了減小變形摩擦，在試樣和壓頭之間使用石墨片作潤滑劑。變形后，所有樣品立即水淬，以保留高溫變形顯微結(jié)構(gòu)。顯微組織分析試樣取自于壓縮試樣的心部，腐蝕液為苦味酸溶液（5.5 g苦味酸+5 mL醋酸+10 mL水+90 mL乙醇）。

2 結(jié)果及分析

2.1 流變應(yīng)力行為

圖1為擠壓態(tài)合金在溫度為300～450 ℃和應(yīng)變速率為0.001～1 s?1下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線?？傮w來說，應(yīng)力隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而減小，具體而言，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線在不同變形條件下也表現(xiàn)出明顯的不同，其主要特征有：①在高溫低應(yīng)變速率條件下，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力先急劇增加后增幅放緩，表現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定的加工能力；②在低溫高應(yīng)變速率條件下，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力先急劇增加，然后逐漸降低；③在中溫高應(yīng)變速率條件下，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力先急劇增加然后逐漸降低，而后隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，應(yīng)力也隨之增加，出現(xiàn)二次應(yīng)變硬化；④在低溫高應(yīng)變速率條件下（300 ℃/0.05 s?1和0.5 s?1），在壓縮過程中試樣發(fā)生了斷裂。真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀可以在一定程度上反映熱變形的機(jī)理。例如，在變形的初始階段，流動應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，這是由應(yīng)變硬化引起的，然后由于動態(tài)再結(jié)晶或回復(fù)而使流動應(yīng)力降低[10]。然而，僅依靠應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀無法獲得熱加工的最佳參數(shù)，本構(gòu)方程對于合金的數(shù)值模擬也很重要，因此，將在隨后的討論中對熱變形行為進(jìn)行更多分析。

圖1 合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 合金的本構(gòu)方程

式（1）所示的雙曲正弦函數(shù)通常用于描述溫度、應(yīng)變速率和激活能對變形行為的影響[11-13]。溫度和應(yīng)變速率對流動應(yīng)力的影響也可以用Zener-Hollomon（）參數(shù)表示，如式（2）所示。

式中：為變形的活化能（kJ/mol）；為通用氣體常數(shù)（8.314 J/(mol×K)）；，，為獨(dú)立于應(yīng)力和溫度的材料常數(shù)，的值可以描述為：=/1。

在低應(yīng)力（<0.8）和高應(yīng)力水平（>0.8）下，應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)（見式（3））和冪指數(shù)函數(shù)（見式（4））描述：

對式（3）和式（4）兩邊取自然對數(shù)，可分別表示為：

圖2 與的關(guān)系

圖3 與的關(guān)系

對式（1）兩邊取自然對數(shù)，可得：

對式（7）取偏微分，可得：

圖4 與的關(guān)系

同理，可以根據(jù)1/-ln[sinh]曲線的斜率得到式（8）右側(cè)的第2項的值，1/-ln[sinh]曲線在不同應(yīng)變速率下的線性關(guān)系見圖5，從圖5可以得到式（8）右側(cè)的第2項的值為7.221，因此可以得到變形激活能值為209.223 kJ/mol。

圖5 1/T與ln[sinh ασ]的關(guān)系

為了獲得應(yīng)力指數(shù)的大小，對式（2）兩邊取自然對數(shù)，可得：

將獲得的α值代入式（9），可以根據(jù)ln[sinh ασ]-ln Z曲線的斜率得到n值，ln[sinh ασ]-ln Z曲線的線性關(guān)系見圖6，從圖6的斜率可以得到n的平均值為3.442，從圖6的截距可以得到ln A的值，從而可得A= 2.372×1014。

將得到的參數(shù)代入式（1），可以得到材料本構(gòu)方程為：

2.3 合金的加工圖

對于某一確定的變形條件，流變應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系可表示為[14]：

加工圖是由功率耗散圖和失穩(wěn)圖疊加而來，功率耗散圖表征了熱加工過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化速度，其變化率可通過功耗效率因子來表示：

考慮流動不穩(wěn)定性出現(xiàn)的連續(xù)性準(zhǔn)則，可得到材料流變失穩(wěn)判據(jù)為：

為失穩(wěn)參數(shù)，可以通過隨變形溫度和變形速率的變化獲得失穩(wěn)圖，失穩(wěn)圖可以分為2部分，第1個是失穩(wěn)區(qū)，其中<0，第2個是可加工區(qū)，其中>0。

圖7為合金在不同應(yīng)變下的功率耗散圖。每個等高線對應(yīng)的數(shù)字代表了功率耗散效率的值，它表征了熱加工過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化速度，因此，不同應(yīng)變的功率耗散圖的變化可以揭示合金熱變形過程中的微觀組織演變。在圖7中，在功率耗散圖的左上角存在功率耗散效率值小于0的區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)著低溫高應(yīng)變速率區(qū)間，隨著應(yīng)變的增加，該區(qū)域的面積逐漸減小，在應(yīng)變?yōu)?.7時，已經(jīng)觀察不到了，說明合金在此區(qū)間的成形性能隨著應(yīng)變的增加而逐漸增加。從圖7也可以看出，在應(yīng)變?yōu)?.3，0.5，0.7條件下，功率耗散圖的形狀大致相同，表明在此應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變對合金加工性能的影響較小。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.3時，主要存在1個高功率耗散區(qū)域，如圖7a中藍(lán)色虛線框內(nèi)，在350 ℃/0.001 s?1條件下獲得了功率耗散效率的最大值；當(dāng)應(yīng)變增加到0.5時，主要存在1個高功率耗散區(qū)域，其范圍與圖7a類似，但其存在2個功率耗散效率的最大值，一個出現(xiàn)在350 ℃/0.001 s?1條件下，另一個出現(xiàn)在450 ℃/1 s?1條件下；當(dāng)應(yīng)變增加到0.7時，主要存在一個高功率耗散區(qū)域，其范圍也與圖7a類似，在350 ℃和0.001 s?1條件下獲得了功率耗散效率的最大值。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.9時，主要存在2個高功率耗散區(qū)域，如圖7d中藍(lán)色虛線框內(nèi)，一個出現(xiàn)在低溫低應(yīng)變速率區(qū)間，在350 ℃/0.001 s?1條件下獲得了功率耗散效率的最大值，另一個出現(xiàn)在中溫高應(yīng)變速率區(qū)間，在400 ℃/1 s?1條件下獲得了功率耗散效率的最大值。一般來說，高功率耗散區(qū)域?qū)?yīng)著良好的加工性能，然而，功率耗散的最高效率并不一定意味著更好的可加工性，可能是一些不穩(wěn)定性變化的結(jié)果，如楔形裂紋[15]等。因此，只有在加工圖的“安全”區(qū)域中對應(yīng)于峰值效率的變形溫度和應(yīng)變速率可以被認(rèn)為是最佳熱加工參數(shù)。

圖7 合金不同應(yīng)變下的功率耗散圖

應(yīng)變?yōu)?.9條件下擠壓合金的加工圖見圖8。在加工圖中，灰色區(qū)域為變形失穩(wěn)區(qū)，其他變形區(qū)域是可加工區(qū)。由圖7的分析可知，加工圖中存在2個高功率耗散區(qū)域，一個出現(xiàn)在低溫低應(yīng)變速率區(qū)間，一個出現(xiàn)在中溫高應(yīng)變速率區(qū)間。加工圖中存在1個失穩(wěn)區(qū)，出現(xiàn)在高溫高應(yīng)變速率條件下，即變形溫度為420～450 ℃，應(yīng)變速率為0.1～1 s?1。

為了進(jìn)一步驗證合金的可加工性能，對加工圖中不同功率耗散區(qū)域內(nèi)的顯微組織進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖9所示，可見，在350 ℃/0.001 s?1變形條件下，合金組織呈細(xì)小的等軸晶組織，與原始組織相比，變化不大，說明在此條件下，合金未發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶，在顯微組織中觀察到許多的點狀析出相，這是由于變形溫度較低，過飽和的稀土元素從基體中析出。在400 ℃/0.001 s?1變形條件下，點狀析出相與350 ℃/0.001 s?1變形條件下的顯微組織相比明顯減少，該狀態(tài)下的晶界不易腐蝕出來，但在顯微組織中沒有觀察到混晶組織，表明合金發(fā)生了完全再結(jié)晶。因此，從顯微組織及后續(xù)的時效強(qiáng)化效果上來看，合金最佳熱加工工藝參數(shù)為變形溫度為400 ℃，應(yīng)變速率為1 s?1。

圖8 合金應(yīng)變?yōu)?.9下的加工圖

圖9 可加工區(qū)典型的顯微組織

3 結(jié)論

研究了擠壓態(tài)Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在應(yīng)變速率為0.001～1 s–1，變形溫度為300～450 ℃條件下的本構(gòu)方程及加工圖，得到以下結(jié)論。

1）在高溫低應(yīng)變速率條件下，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加先急劇增加后增幅放緩，在低溫高應(yīng)變速率條件下，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加先急劇增加后逐漸降低，在中溫高應(yīng)變速率條件下，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加先急劇增加后逐漸降低，而后隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，應(yīng)力也隨之增加。

3）加工圖中存在1個失穩(wěn)區(qū)，發(fā)生在變形溫度為420～450 ℃，應(yīng)變速率為0.1～1 s?1范圍內(nèi)；在可加工區(qū)內(nèi)，合金最佳熱加工工藝參數(shù)為變形溫度為400 ℃，應(yīng)變速率為1 s?1。

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Constitutive Equation and Processing Map of an As-Extruded Mg-Gd-Y-Zn-Zr Alloy

LI Jian-ping1, XIA Xiang-sheng2

(1. Intelligent Manufacturing and Automobile School, Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China; 2. No.59 Research Institute of China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China)

The work aims to study the constitutive equation and processing map of an as-extruded Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy by isothermal compression tests. Homotaxial isothermal compression test was conducted on Gleeble simulated machine at 0.001 s–1to 1 s–1and 300 ℃ to 450 ℃. The processing map was established according to dynamic material model. The variation of power dissipation factor with deformation temperature, strain rate and strain was analyzed. The flow stress of the alloy showed different characterizations under different temperature and strain rate. The relationship between flow stress, deformation temperature and strain rate can be expressed by hyperbolic sine function. The average activation energy was 209.223 kJ/mol, and the stress exponent was 3.442. The deformation temperature in the instability regions of the alloy was 420～450 ℃ and strain rate was 0.1～1 s?1. The constitutive equation of the as-extruded alloy is obtained. The optimum hot working condition for as-extruded Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy is determined to be 400 ℃ and 1 s?1.

magnesium alloy; constitutive equation; processing map; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.015

TG146.22

A

1674-6457(2022)02-0095-06

2021-08-25

李建平（1964—），男，碩士，教授，主要研究方向為金屬成形技術(shù)。

夏祥生（1987—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為輕合金及成形技術(shù)。