軋后退火時間對軋制ZK60鎂合金顯微組織及力學(xué)和阻尼性能的影響

朱嘉欣,孫有平,3,何江美,3,謝尚恒,方德俊

(廣西科技大學(xué)1.機(jī)械與汽車工程學(xué)院,2.廣西土方機(jī)械協(xié)同創(chuàng)新中心,3.廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點實驗室,柳州 545006)

0 引 言

ZK60鎂合金是一種應(yīng)用最為廣泛的商用工業(yè)變形鎂合金之一,具有密度小、比強度高、綜合性能好等優(yōu)點,是實現(xiàn)輕量化和碳中和等發(fā)展需求的重要結(jié)構(gòu)材料[1]。目前,ZK60鎂合金已應(yīng)用于商用航空和電子產(chǎn)品領(lǐng)域,這些領(lǐng)域?qū)ζ洚a(chǎn)品輕量化和性能要求越來越高,因此提升ZK60鎂合金的綜合性能成為研究熱點。提高阻尼性能能夠延長零件使用壽命,拓寬合金的應(yīng)用領(lǐng)域;但是軋制作為提高鎂合金強度的常用工藝之一,會對合金的阻尼性能產(chǎn)生不利影響。這主要是因為在軋制過程中形成的大量位錯纏結(jié)大大降低了可動位錯密度,并且軋制時形成的不完全動態(tài)再結(jié)晶和亞晶界組織會阻礙位錯在釘扎位置之間的運動[2-5]。王敬豐等[6]和劉先蘭等[7]研究發(fā)現(xiàn),在晶粒尺寸大于10 μm時,ZK60鎂合金的阻尼性能較好,而當(dāng)晶粒尺寸小于10 μm時,位錯運動可動范圍較小,阻尼性能較差。SUGIMOTO等[8]研究發(fā)現(xiàn):單晶純鎂的位錯脫釘應(yīng)力和阻尼應(yīng)變振幅效應(yīng)隨晶體學(xué)取向因子的減小而逐漸消失,阻尼性能變差;多晶純鎂具有(0002)基面織構(gòu),位錯難以開動,其阻尼應(yīng)變振幅效應(yīng)很低,阻尼性能較差。熊江英[9]研究發(fā)現(xiàn),ZK60-0.4%Y-0.18%Gd(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金在軋制過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,晶粒細(xì)小,同時組織中產(chǎn)生大量位錯纏結(jié)和孿晶,經(jīng)過退火處理后,晶粒為均勻分布的等軸晶,孿晶及位錯纏結(jié)基本消失,阻尼平臺消失,此時合金的阻尼性能優(yōu)于軋制態(tài)合金。目前,有關(guān)ZK60鎂合金方面的研究主要集中在提升其力學(xué)性能及組織演變規(guī)律方面,關(guān)于如何同時獲得優(yōu)異力學(xué)性能和阻尼性能方面的報道很少。基于此,作者對大應(yīng)變軋制態(tài)ZK60鎂合金進(jìn)行350 ℃退火處理,研究了退火時間對其顯微組織、阻尼性能和力學(xué)性能的影響,以期為獲得具有優(yōu)異綜合性能的鎂合金提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為半連續(xù)鑄造方法制備的ZK60鎂合金鑄錠,名義成分為Mg-6%Zn-0.6%Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。將鑄錠線切割出12 mm厚的試樣,放置在SX-16-14Q型電阻爐中進(jìn)行400 ℃×12 h的均勻化處理,采用規(guī)格為φ4 200 mm×400 mm的雙輥軋機(jī)進(jìn)行兩道次軋制,每道軋制前均在300 ℃保溫15 min。第一道次將厚度12 mm的試樣軋制成厚度10 mm的板狀試樣,第二道次軋制成厚度2 mm的片狀試樣,軋制應(yīng)變速率均為10 s-1。在SX-16-14Q型箱式電阻爐中進(jìn)行350 ℃軋后退火,退火時間分別為1,2,3 h。

在不同時間退火后的試樣上截取金相試樣,經(jīng)打磨、拋光,用苦味酸溶液(0.4 g苦味酸+2 mL冰醋酸+7 mL無水乙醇+2 mL蒸餾水)腐蝕5 s后,用DMI3000M型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織。采用Smart-Lab 型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析及織構(gòu)檢測,工作電流為40 mA,工作電壓為40 kV,采用銅靶,Kα射線,掃描范圍為20°～80°,掃描速率為2 (°)·min-1。按照HB 5143—1996制備標(biāo)距為15 mm的拉伸試樣,采用ETM105D型電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗,拉伸速度為2 mm·min-1。采用DMA850型動態(tài)熱分析儀(DMA)進(jìn)行阻尼性能測試,阻尼試樣尺寸為30 mm×1 mm×3 mm,測試頻率為1 Hz,應(yīng)變振幅在0.5～500 μm,用品質(zhì)因子Q的倒數(shù)來表征阻尼性能,Q-1越大,阻尼性能越好。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖1可以看出:軋制態(tài)(軋后退火時間為0)ZK60鎂合金晶粒為均勻分布的小尺寸等軸晶,平均晶粒尺寸約為6.86 μm;退火后晶粒仍為等軸晶,但晶粒尺寸較軋制態(tài)明顯增大,平均晶粒尺寸由退火1 h時的10.16 μm增至退火3 h時的23.35 μm。退火使軋制態(tài)合金發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶,組織出現(xiàn)尺寸較大的初始變形晶粒,且周圍有細(xì)小的再結(jié)晶晶粒聚集,隨著退火時間的延長,靜態(tài)再結(jié)晶程度增大,逐漸產(chǎn)生均勻的大尺寸等軸晶。這主要是由于大應(yīng)變軋制使晶粒細(xì)小,導(dǎo)致組織中儲存了較高能量且具有較多的形核位點,在退火過程中晶粒在能差驅(qū)動下隨界面運動逐漸長大,同時出現(xiàn)較多的再結(jié)晶晶粒[10]。

圖1 不同時間軋后退火后ZK60鎂合金的OM形貌Fig.1 OM morphology of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

由圖2可以看出,軋制態(tài)和退火態(tài)合金均主要由α-Mg基體以及MgZn、MgZn2二元共晶相構(gòu)成,第二相衍射峰的位置和強度變化不大,說明不同狀態(tài)下合金的物相組成和含量基本相同[11]。

圖2 不同時間軋后退火ZK60鎂合金的XRD譜Fig.2 XRD patterns of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

根據(jù)XRD衍射峰半高寬計算位錯密度。采用Williamson-Hall法計算并線性擬合得到微應(yīng)變,晶格應(yīng)變和晶粒細(xì)化會使XRD衍射峰半高寬增加[12],具體關(guān)系如下:

β=βs+βp=2εxtanθ+λ/(dcosθ)

(1)

式中:βs為由晶格應(yīng)變產(chǎn)生的衍射峰增寬;βp為由晶粒細(xì)化產(chǎn)生的衍射峰增寬;εx為微應(yīng)變;θ為布拉格角;β為衍射峰的半高寬;λ為X射線的波長;d為亞晶的平均尺寸。

根據(jù)獲得的微應(yīng)變計算位錯密度ρs,計算公式為

(2)

式中:F為相互作用因子,F取1;b為柏氏矢量,取0.321 nm;k為常數(shù),取1。

計算得到軋后不同時間退火ZK60鎂合金的微應(yīng)變和位錯密度如表1所示。

表1 不同時間軋后退火ZK60鎂合金的微應(yīng)變和位錯密度Table 1 Microstrain and dislocation density of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

圖3中RD為軋制方向,TD為軋件的橫向。由圖3可見,隨著軋后退火時間的延長,ZK60鎂合金(0002)基面織構(gòu)強度明顯降低,軋制態(tài)的織構(gòu)強度最強。ZK60鎂合金在軋后退火過程中發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶使鎂合金基面織構(gòu)弱化,板材的各向異性隨之降低[13]。

圖3 不同時間軋后退火ZK60鎂合金的(0002)極圖Fig.3 (0002) pole figures of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

2.2 對拉伸性能的影響

由圖4和表2可以看出,軋后退火態(tài)ZK60鎂合金的抗拉強度略低于軋制態(tài),斷后伸長率提升,而隨著軋后退火時間的延長,ZK60鎂合金的抗拉強度進(jìn)一步降低,但斷后伸長率增大。根據(jù)Hall-Petch公式,晶粒尺寸越大,合金的屈服強度越低,對應(yīng)的抗拉強度也越低。合金在大應(yīng)變軋制變形過程中發(fā)生了動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶,晶粒分布均勻且尺寸最小,抗拉強度最高;軋后退火3 h的晶粒尺寸最大,抗拉強度最低。大尺寸晶粒比小尺寸晶粒的位錯儲存能力高[14],因此隨著軋后退火時間的延長,晶粒尺寸增大,導(dǎo)致斷后伸長率增大,塑性提高。

表2 不同時間軋后退火ZK60鎂合金的拉伸性能Table 2 Tensile properties of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

表3 不同時間軋后退火ZK60鎂合金的C1和C2計算結(jié)果Table 3 Calculation of C1 and C2 of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

圖4 不同時間軋后退火ZK60鎂合金的拉伸工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile engineering stress-engineering strain curves of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

2.3 對阻尼性能的影響

圖5 不同時間軋后退火ZK60鎂合金的阻尼-應(yīng)變振幅曲線及G-L曲線Fig.5 Damping-strain amplitude curves (a) and G-L curves (b) of ZK60 magnesium alloy annealed for different times after rolling

根據(jù)G-L理論[15],在較小的外加應(yīng)力和應(yīng)變振幅作用下,長位錯線在弱釘扎點之間做“弓出”往復(fù)運動引起的阻尼Q0-1可表示為

(3)

式中:Λ為可動位錯密度;B為常數(shù);Lc為弱釘扎點的間距;ω為角頻率;G為剪切模量。

(4)

(5)

C2=Kδα/Lc

(6)

式中:Ω為位錯取向參數(shù);K為常數(shù);δ為釘扎溶質(zhì)原子與溶劑原子的錯配系數(shù);ν為泊松比;α為點陣常數(shù);LN為強釘扎點或位錯網(wǎng)格的間距。

C1,C2的值可表征合金的阻尼性能,C1越大,C2越小,合金的阻尼性能越好[16]。由G-L擬合曲線的截距和斜率,得到軋制態(tài)及軋后退火態(tài)ZK60鎂合金的C1和C2。由表2可知:軋制態(tài)合金的C1低于軋后退火態(tài)合金,且隨著退火時間的延長,軋后退火態(tài)合金的C1不變,C2變小,可知其阻尼性能提升。

3 結(jié) 論

(1) 隨著軋后退火時間由0延長到3 h,大應(yīng)變

軋制ZK60鎂合金發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的程度增大,平均晶粒尺寸由6.86 μm增大至23.35 μm,位錯密度由3.539 1×1015m-2減小至1.336 8×1015m-2,(0002)基面織構(gòu)強度由12.782弱化至1.715;軋后退火不會對合金的物相組成產(chǎn)生影響。

(2) 隨著軋后退火時間由0延長到3 h,ZK60鎂合金的抗拉強度由309 MPa降低到291 MPa,斷后伸長率由22.60%增大到28.60%。在應(yīng)變振幅小于0.01時,軋后退火處理對合金阻尼性能的影響較小,而在應(yīng)變振幅大于0.01時,隨著退火時間的延長,軋后退火態(tài)合金的阻尼性能提升。