LZ61鎂鋰合金熱變形行為研究①

李 勇，劉俊偉，蘇 越，戴志東，楊振南

（南昌航空大學 材料科學與工程學院，江西 南昌330063）

鎂鋰合金作為當前最輕質的結構材料，密度為1．35～1．65 g／cm3，低于傳統鎂合金。鎂鋰合金不僅具有傳統鎂合金的高比強度、比剛度等優點，同時還具有良好的電磁屏蔽和阻尼性能以及易切削加工和易回收等諸多優點，故其被廣泛應用于航空、航天、汽車、3C等領域［1－4］。但由于鎂鋰合金存在絕對強度低，高強度下韌性、熱穩定性差以及熔煉成本高等不足，極大制約了鎂鋰合金工業化應用。研究者從熱變形加工、冷變形加工、鑄造等方面對鎂鋰合金的性能進行了研究與改善［5－7］。

本文擬對工業用鍛態LZ61鎂鋰合金板材進行熱壓縮變形，通過分析其熱變形行為及微觀結構變化規律，為鎂鋰合金的熱變形工藝的制定及變形機制的探究提供參考。

1 實驗材料及方法

實驗所用材料為鍛態LZ61鎂鋰合金厚板材，化學成分如表1所示。采用數控火花線切割機沿鍛造方向將LZ61板材切割成Φ10 mm×12 mm的圓柱狀試樣，并用砂紙打磨，超聲波振蕩清洗表面雜質和油脂后吹干備用。在Gleeble－3500熱模擬試驗機上進行熱壓縮試驗，試驗溫度為593 K，應變速率分別為0．001 s－1、0．01 s－1、0．1 s－1，最大變形量為60%，升溫速率為5 K／s，升溫至預設溫度后保溫5 min，以確保試樣整體溫度均勻。從熱壓縮變形后的腰鼓型試樣上截取橫截面中心部位進行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕（采用滴蝕法，腐蝕劑為2 mL硝酸＋1 mL乙酸＋20 mL乙醇），腐蝕時間約為8 s，試樣表面金屬光澤略微呈暗灰色。

表1 LZ61鎂鋰合金化學成分（質量分數）／%

通過XJP－6A金相顯微鏡和Nova Nano SEM450型場發射掃描電鏡對試樣微觀組織進行觀察。采用INCA 250 X－Max50型能譜儀對特征區域進行點分析，以確定其不同部分成分含量。

2 實驗結果與分析

2．1 真應力-真應變曲線

對壓縮實驗的負載-位移曲線數據可通過以下公式將其轉化成真應力-真應變曲線數據：

式中l為位移，mm；l0為標距，mm；P為負載，kN；A0為橫截面積，mm2；ε為工程應變；εT為真應變；σeng為工程應力，MPa；σT為真應力，MPa。

圖1為593 K、不同應變速率下熱壓縮LZ61鎂鋰合金的真應力-真應變曲線。根據其變化特點可知，該合金的流變應力-應變曲線呈動態再結晶特征，即出現峰值應力或呈穩態流變現象［8－10］。由圖1可知，在變形初期，流變應力隨應變值增加而快速增加，這是加工硬化導致的；隨后動態回復和動態再結晶的軟化作用抵消了一部分加工硬化的效果，使得之后的流變應力增速變緩；當軟化作用與硬化作用形成動態平衡時，合金變形進入穩態流變階段。

圖1 593 K下LZ61鎂鋰合金真應力-真應變曲線

表2為在593 K下，不同應變速率所對應的峰值應力。由表2可知，在同一溫度下，應變速率越大，其對應的峰值應力也越大。從軟化機制考慮，由于應變速率增加，組織沒有足夠的時間發生軟化效應，流變應力也會隨之增大［11］。從變形機制考慮，這是因為隨著應變速率增加，位錯運動速度隨之增加，所需對應的剪切應力也隨之增加。綜上所述，峰值應力隨應變率降低而降低，這說明合金材料為正應變速率敏感材料。

表2 593 K下不同應變速率對應的峰值應力

2．2 應變速率敏感指數m計算

將流變應力及應變速率分別取對數繪制593 K溫度下的lnσ-ln˙ε曲線圖，如圖2所示。通常m值是超塑性的重要參數，它表征材料變形時能夠抑制頸縮擴展的能力大小，所以將m值定義為流變應力的應變速率敏感指數，標志著材料超塑性能力，其值等于lnσ-ln˙ε曲線斜率的絕對值［12］。應變速率和峰值應力取對數的值列于表3。通過曲線擬合得到其斜率k為0．283，即其應變速率敏感指數m＝0．283。Langdon［13］將合金伸長率在400%以上、應變速率敏感指數0．5以上定義為真超塑性，而伸長率在400%以下應變速率敏感性指數低于0．33稱為準超塑性。該合金未達到準超塑性，這是由于變形過程中發生了足夠多的動態回復，因為組織超塑性要求等軸化的細晶，然而在動態回復所引起的穩態流變過程中，隨著持續應變，晶粒沿變形方向伸長呈纖維狀，等軸化被部分破壞。

表3 應變速率和峰值應力取對數的值

圖2 593 K下LZ61鎂鋰合金lnσmax-ln˙ε曲線

2．3 金相組織分析

合金中Li在Mg基體中含量低于5．7%時，合金組織為單一的α-Mg相，結構為hcp結構；當Li含量達到5．7%～10．3%時，合金存在α＋β雙相組織，即由α相hcp結構和β相bcc結構組成；當Li含量超過10．3%時，合金則完全由β-Li相組成，即只有bcc結構。LZ61中Li含量約為6．0%，屬于具有α＋β雙相組織的合金［13］。

LZ61合金熱壓縮前后的橫截面金相組織見圖3。由圖3可知，合金熱壓縮前的組織由α-Mg相基體和β-Li相組成且第二相沿著晶界分布，少數第二相彌散分布在晶粒中，可以觀察到其晶粒尺寸較為粗大，且晶粒大小不均，呈典型的枝晶狀。相較于原始組織，熱壓縮后的合金組織都由粗大的變形晶粒和細小的再結晶晶粒組成，這是動態回復和動態再結晶共同作用的結果。晶粒由于熱壓縮過程中產生動態回復而沿變形方向伸長呈纖維狀，這也是導致其應變速率敏感指數下降的重要原因。

圖3 LZ61原始試樣與熱壓縮后試樣橫截面金相組織

2．4 掃描電鏡與能譜分析

圖4為LZ61鎂鋰合金在593 K、0．001 s－1應變速率下變形后的SEM圖像。從圖4可以清晰地看到兩相：淺色的α相和深色的β相，在晶界處有明顯的一段較短的白亮線，此為滑移線，說明在熱壓縮變形過程中晶界滑移起主導作用。在掃描電鏡圖像中還可以看到細小的白亮晶粒，這是動態再結晶細化晶粒的結果。

圖4 LZ61鎂鋰合金在0．001 s－1應變速率下變形后的SEM圖像

圖5 為熱壓縮溫度593 K、應變速率0．001 s－1時LZ61合金中α相和β相處EDS點掃描成分分析圖，其對應的元素含量如表4所示。由表4可知，α相處成分全為Mg，不含Li和Zn等其他成分；β相處Mg含量占絕大多數，此外還有少量Zn存在，這說明β相區域內有Mg-Zn相存在，這是由于熱壓縮變形時Zn會在β相區域內聚集形成Mg-Zn相，使該處Zn含量提高。在兩相位置處均未發現Li元素的存在，這是因為其質量很輕，在能譜分析過程中無法被檢測出來。

圖5 LZ61鎂鋰合金不同位置處的EDS點掃描圖

表4 合金中α相和β相處各元素質量占比與原子占比

3 結 論

1）LZ61鎂鋰合金熱壓縮流變曲線呈典型動態再結晶特征，即出現峰值應力或呈穩態流變現象；流變應力隨應變速率降低而減小。

2）LZ61鎂鋰合金在本研究范圍內的應變速率敏感指數為0．283，未達準超塑性標準，這是動態回復作用使其晶粒沿變形方向伸長呈纖維狀，晶粒等軸化被部分破壞導致的。

3）鍛態LZ61鎂鋰合金微觀組織主要由α-Mg基體相及其晶界上彌散分布的β-Li相組成。經熱壓縮后，由于動態回復和動態再結晶共同作用，合金組織由粗大的纖維狀晶粒和細小再結晶晶粒組成。通過SEM分析可知，熱壓縮過程中合金塑性變形機制為晶界滑移。