Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金高溫熱壓縮變形研究

尹雪雁，于建民，張治民，劉　濤

(1.中北大學 材料加工系，山西 太原 030051；2.山西省精密成形工程技術研究中心，山西 太原 030051；3.裝甲軍代局駐太原地區軍代室, 山西 太原 030006)

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Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金高溫熱壓縮變形研究

尹雪雁1,2，于建民1,2，張治民1,2，劉濤3

(1.中北大學 材料加工系，山西 太原 030051；2.山西省精密成形工程技術研究中心，山西 太原 030051；3.裝甲軍代局駐太原地區軍代室, 山西 太原 030006)

摘要：采用Gleeble-3500熱模擬機對Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金高溫熱壓縮變形進行了研究試驗，變形溫度為350 ℃，變形速率為0.001～0.1 s(-1)，獲得了等溫熱壓縮變形過程中的流變應力-應變關系曲線。對比分析了壓縮變形后的組織和硬度，得到了該溫度下不同應變速率對材料組織和硬度的影響規律。結果表明，該合金在350 ℃變形溫度下，顯微組織很相近；但是峰值應力和合金硬度均隨著應變速率的增大而增大。

關鍵詞：Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金；峰值應力；布氏硬度；組織演變

對稀土鎂合金在一定溫度下的塑性變形行為和性能進行研究，將在促進鎂合金的產業化進程中產生積極、重要的影響[1-4]。

Mg-Cd-Y系合金作為最有希望獲得熱處理強化的鎂合金受到日益廣泛的關注[5]。在稀土鎂合金中添加微量的Zr元素，能使合金晶粒細化，合金性能改善；添加適量的Zn元素，可以提高鎂合金的耐蝕性能和力學性能；但由于Mg-Cd-Y系合金較高的合金化程度，導致了合金塑性變形的難度增加。在Mg-Cd-Y系合金開發應用中，為提高成材率和制品性能，應系統掌握該合金在熱變形過程中的流動行為及相應的組織演變規律，了解高溫塑性加工過程中，變形流變應力行為及其與變形溫度、變形速度和變形程度等加工工藝條件之間的相互影響關系。

由于壓縮試驗材料消耗少，且實際生產中大多為壓力加工(如軋制、鍛壓和擠壓)；因此，采用壓縮試驗模擬壓力加工過程比拉伸試驗有效。此外，壓縮試驗過程中不會產生頸縮的問題。基于壓縮法的一系列優點，本文采用圓柱體單向壓縮法[6-9]，在熱模擬試驗機上進行金屬流變應力的測定。

目前，對Mg-Gd-Y部分合金的熱變形行為已有大量報道，李慧中等[10]研究了Mg-10Gd-4.8Y-2Zn-0.6Zr鎂合金高溫熱變形行為，謝志平等[11]研究了Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.6Zr鎂合金高溫熱變形行為；但是對Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金的熱變形特征還未見報道。

本文通過對Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金進行高溫熱壓縮變形的模擬，獲得了該合金高溫熱壓縮變形時流變應力的變化規律，研究了該合金高溫變形特征及相應的組織演變規律，從而對合理制訂軋制、鍛造和擠壓等熱塑性成型工藝參數提供指導，并為進一步系統研究該合金提供了基本數據。

1試驗

試驗材料為Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金鑄態坯料，其化學成分見表1。

表1　合金的化學成分(質量分數)　(%)

選擇直徑為140 mm，高為18 mm的鎂合金鑄坯，在515 ℃進行均勻化處理4 h，并用70 ℃水冷卻后，機械加工成10 mm×15 mm的圓柱形壓縮試樣。

熱壓縮模擬試驗在Gleeble—3500熱壓縮模擬試驗機上進行，試樣的變形溫度為350 ℃，應變速率分別為0.001、0.01和0.1 s-1，壓縮量Δ=7 mm，真應變為0.629，變形程度為53%。壓縮前，將石墨薄片作為潤滑劑放置于樣品和壓頭之間，以減小試樣與壓頭之間的摩擦；并在350 ℃下保溫180 s，以保證溫度的均勻化。對變形后的試樣進行快速水淬，使變形組織得以保留，方便進行后續的組織分析。水淬后的試樣經鋸切、鑲嵌、研磨和拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕劑對試樣進行腐蝕，在ZIESS光學顯微鏡下觀察腐蝕后試樣的顯微組織，并拍攝其顯微照片。采用THBP-62.5TIME布氏硬度計進行硬度測試，試驗力加載62.5 kg，保持15 s，壓頭直徑為2.5 mm。并通過熱電偶對記錄樣品在變形過程中的溫度變化。

2結果與分析[12-15]

2.1Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金硬度

均勻化后鎂合金在350 ℃下不同應變速率的熱模擬壓縮的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1　均勻化鎂合金熱壓縮的應力-應變曲線

從圖1中可以看出,在350 ℃變形溫度下，不同應變速率對應的應力-應變曲線都呈現一種先升高后下降的趨勢，為典型的動態再結晶(Continuous Dynamic Recrystallization，CDRX)型流變曲線。在微應變階段，應力上升很快，說明該應變階段加工硬化占主導，合金中只發生了部分動態回復或動態再結晶，硬化作用遠大于軟化作用。隨著變形量的增加，位錯密度不斷增加，使得動態回復和動態再結晶加快，軟化作用增強，從而加工硬化逐漸被動態回復的軟化作用所抵消，此時表現為曲線斜率逐漸減小。

當流變應力達到峰值時，加工硬化和動態再結晶軟化達到平衡(最大應力值見表2)。隨著壓縮變形的繼續進行，動態再結晶繼續發展，使流變應力不斷下降，最后達到一個穩定值。當材料的流變應力到達峰值應力后，曲線出現鋸齒狀的流變特征。這主要是由動態再結晶及晶粒迅速長大引起的軟化和已再結晶的晶粒又重新變形引起的硬化的交替作用造成的。

表2　均勻化鎂合金在350 ℃不同應變速率下的最大應力

2.2Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織

Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織金相圖如圖2所示。

圖2　Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金顯微組織金相圖

由圖2可知，經過壓縮后的合金，幾乎所有的晶粒都發生了塑性變形，試樣的晶粒開始沿軸向方向壓縮，徑向方向被拉長，表現出了很明顯的方向性，有了非常明顯的擠壓流線線條，得到了嚴重變形帶，并且發生了嚴重的晶粒破碎，產生了非常細小的晶粒，同時在晶間開始出現再結晶的晶粒組織；但是動態再結晶發生的不充分，再結晶晶粒不能迅速長大，再結晶形核率較低，并且隨應變速率的增大，動態再結晶的晶粒尺寸逐漸減小。由于動態再結晶不夠完全，所以組織中仍存在變形大晶粒，導致變形不均勻。在變形量大的局部區域，產生細小等軸晶的現象非常明顯，變形大晶粒被動態再結晶小晶粒包圍，呈現出顯著的“項鏈”狀組織特征。顯微組織呈現出變形大晶粒和動態再結晶的小晶粒共存的現象。

圖2b～圖2d中的晶界上出現的黑色不連續相是由于鎂合金中有稀土化合物所形成的共晶組織，圖2b和圖2c金相組織中還可以看到河流狀的流線線條，線條的彎曲度大、長短不同并且方向不定，產生這種流線組織是由于在塑性變形中，原始晶粒晶界發生滑移與轉動共同作用的結果。

熱壓縮溫度一定，隨著應變速率的增加，其硬度也增加(硬度測試見表3)，這是由于當變形速率較高時，產生同樣變形程度所需的時間相對較短，導致部分區域的位錯來不及抵消和合并。位錯增多，再結晶形核位置隨之增多，導致晶粒細化。另外，由于應變速率高時相應的變形時間短，再結晶晶粒來不及長大，所以晶粒會隨應變速率的增大而得到細化；因此，可以達到細晶強化的效果，表現為硬度的增加。

表3　Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金各個狀態硬度測試

結合應力-應變曲線可以得出，在350 ℃的變形溫度下，當Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金應變速率分別為0.001、0.01 和0.1 s-1時，顯微組織中都可以觀察到沿晶界有細小的動態再結晶晶粒，但是數量較少，而且顯微組織很相近；所以，當變形的應變速率較低時，其對組織的影響不是很明顯。

很顯然，峰值應力均隨著應變速率的增大而增大，這是由于在高應變速率下，合金塑性變形難以進行，動態再結晶很難發生，或者不會發生，導致流變應力比較高。而且對應的合金硬度也隨應變速率的增大而提高，這是因為應變速率的提高會導致動態再結晶的推遲，降低動態再結晶程度，使加工硬化表現更加明顯。當應變速率為0.1 s-1時，應變速率過快所以變形量較小，再結晶晶粒長大最慢，對應的硬度最大。可見，在相同溫度下，應變速率越大，動態再結晶越慢，峰值最大(應力最大)，硬度最大。

在外力作用下，細小晶粒內部和晶界附近的應變度相差較小，變形比較均勻。因應力集中引起的開裂機會較少，使得合金在斷裂之前能承受較大的變形量[16]，故壓縮過程中不易發生壓裂現象。

3結語

通過上述分析，得出如下結論。

1)Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金在350 ℃變形溫度以及0.001、0.01和0.1 s-1的不同應變速率下，應力-應變曲線都呈現一種先升后降的趨勢，在微應變階段，應力上升很快；隨著變形量的增加，曲線斜率逐漸減小；當材料的流變應力到達峰值應力后，曲線出現鋸齒狀的流變特征，這主要是由動態再結晶及晶粒迅速長大引起的軟化和已再結晶的晶粒又重新變形引起的硬化交替作用造成的。

2)Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金在350 ℃變形溫度下，顯微組織很相近，所以當變形的應變速率較低時，應變速率對組織的影響不是很明顯；但是峰值應力及合金硬度均隨著應變速率的提高而增大，即應變速率越大，動態再結晶越慢，峰值最大(應力最大)，硬度最大。

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Research on Hot Compression Deformation Behaviors of Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr Magnesium Alloy at Elevated Temperature

YIN Xueyan1，2, YU Jianmin1，2, ZHANG Zhimin1，2, LIU Tao3

(1.Dept. of Material Processing Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China；2.Engineering Technology Research Center for Integrated Precision Forming of Shanxi, Taiyuan 030051, China; 3.Taiyuan Military Representative Office of Armored Military Representative Bureau, Taiyuan 030006, China )

Abstract：Hot compression deformation test of Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr alloy is conducted using a Gleeble-3500 stimulator at 350 ℃ and the strain rate varying from 0.001 to 0.1 s(-1), obtain the curve of flow stress-strain under the hot compression with constant temperature. The results show that the microstructures of this alloy at different strain rates at 350 ℃ are very similar, but the fact that the peak stress and corresponding hardness increases with the increasing strain rate.

Key words:Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr magnesium alloy， peak stress， hardness， microstructure evolution

收稿日期：2015-10-27

作者簡介：尹雪雁(1990-)，女，碩士研究生，主要從事精密塑性與改性技術等方面的研究。

中圖分類號：TG 146

文獻標志碼:A