镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属材料，具备高比强度和高比刚度等优良的力学性能。高性能镁合金材料主要被应用在航天航空、交通运输等尖端部门。通过挤压、锻造、轧制等工艺生产出的变形镁合金产品，比铸造产品具有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能，可以满足更多结构件的需求，具有铸造材料无法替代的优秀性能[1-5]。
镁合金中添加稀土金属元素能够显著提高合金的室温力学性和高温性能，目前国内外研究者采用的合金化稀土元素主要包括Ce，Nd，Gd，Y等。稀土元素Y的丰度较高，尤其是原子量比其它稀土元素小很多，合金化效率高，Y用作镁合金的合金元素是合理的[6]。
WE71合金先在537℃下进行16h的均匀化，然后在应变速率为0.01、0.1、0.5和1s-1，变形温度为400℃、450℃和500℃条件下进行等温热压缩实验[7,8]。本文以Mg-7Y-1Nd-0.5Zr合金为热模拟对象.研究了合金在高温压缩变形过程中的真应力-真应变关系.以及流变应力与应变速率、变形温度之间的关系，通过计算得到了不同塑性变形条件下的变形激活能和应力指数等材料常数。建立了合金的本构方程。为进一步优化合金的热塑性加工工艺参数提供指导和依据。
1试验材料和方法
1.1合金制备
本实验合金为Mg-7wt.%Y-1wt.%Nd-0.5 wt.%Zr(WE71)，采用中频感应熔炼炉进行熔炼，溶剂(CaF2，MgCl2) 覆盖保护，纯镁在铁坩埚中熔化，750 ℃加入 Y和 Nd 纯金属块，升温至820 ℃ 加入 Mg-30Zr 中间合金，静置 20 min，同时加大电磁搅拌功率，随后降温至 720 ℃ 浇铸，铸锭尺寸为 Φ 250 mm × 500 mm，车去外表皮和冒口，截取铸锭的顶部为研究对象，用线切割沿铸锭同心圆半径R/2位置处切取试样。合金的设计成分和实测成分
表1 WE71镁合金材料的实际成分
1.2均匀化热处理和等温热压缩实验
WE71镁合金铸锭在537℃进行16h的均匀化，然后在应变速率为0.01、0.1、0.5和1s-1，变形温度为400℃、450℃和500℃，最大变形程度为60%条件下进行等温热压缩实验，试样加热速度为5℃/s，到温后试样在变形温度下保温3 min。热模拟压缩试样尺寸为10mm×15mm的小圆柱体.压缩实验在Gleeble-1500热模拟机上进行。为避免压缩过程中试样和压头之间出现粘连现象，在试样和压头之间垫有石墨片。
1.3 微观组织观察
用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)进行微观组织观察，腐蚀液采用的是4%硝酸酒精。
2结果与讨论
2.1合金铸态微观组织分析
WE71镁合金铸态显微组织、XRD 谱、SEM照片与EDS 谱如图1所示。从图1(a)中可以看出，由于金属液在凝固过程中非平衡结晶，铸态合金组织由粗大的α-Mg基体和一些在晶界附近不连续分布的“骨骼状”的共晶组织组成，晶界清晰可辨，但晶界比较粗大，平均晶粒尺寸在265μm 左右(见图1(a))。由XRD物相测试结果(图1(b))可以看出，除了镁基体，WE71镁合金中的主要相是Mg24Y5和Mg41Nd5相。再对晶界附近上的共晶组织进行扫描电镜(SEM)观察和能谱分析(EDS)，结果如图1(c)、(d)、(e)和(f)所示，由图中结果可知，Mg和Y的原子比接近于24:5，Mg和Nd的原子比接近于41:5，说明亮白的骨骼状分布的为Mg24Y5相和Mg41Nd5相，而Zr元素以单质的形式存在于基体中，Zr常作为合金形核的核心，起到细化组织的作用。EDS分析的结果与XRD分析的一致。
图1 铸态合金的显微组织、XRD 谱、SEM照片和EDS 谱
2.1合金均匀化态微观组织分析
WE71镁合金均匀化态SEM照片、XRD 谱与EDS 谱如图2所示。从图2(a)中可以看出，分布在晶界附近的“骨骼状”共晶组织几乎全部回熔到基体中，只有少量的方块相存在，晶粒尺寸没有明显长大。由图2(b)与图1(b)XRD 谱对比可以看出，共晶相Mg24Y5和Mg41Nd5相的峰消失，结果跟SEM照片观察到结果一致。在靠近晶界部位和晶粒内部做了EDS 能谱分析，从图2(c)、(d)中的数据可以看出，晶界处和晶内Y、Nd元素的含量大致相同，说明WE71镁合金铸锭在537℃进行16h均匀化处理后，Y、Nd元素扩散均匀，消除了铸锭中稀土元素的偏析，使铸锭的成分更加均匀，达到了均匀化处理的目的。
图2 均匀化态合金的SEM照片、XRD 谱和EDS 谱
2.3合金本构方程的建立
图3均匀化态合金在不同变形条件下的流变应力曲线。从图中可以看出，在所有的变形温度和应变速率条件下，流变应力值均随应变的增加而增加，但是增加的速率逐渐减慢，当增加至峰值应力后，流变应力逐渐下降直至出现稳态值。说明此合金的流变应力曲线具有典型的动态再结晶特征，在变形初期，位错不断增殖、运动，互相缠结，同号位错相互加强，出现明显的加工硬化效应[9-12];在变形过程中，虽然有异号位错相互抵消的现象，出现软化效应，但是流变应力增加的趋势没有改变。因此，塑性变形开始阶段加工硬化效应占主导，流变应力增加;随着变形程度继续增加，位错缠结的程度加剧，形成位错胞壁，这些位错胞壁间相互碰撞会使原始晶粒分化，形成小角度晶界，即形成亚晶，亚晶继续长大将形成再结晶晶粒。由于镁合金是层错能较低的金属，合金不容易发生动态回复，而容易发生动态再结晶。当动态再结晶发生时，合金内部的位错密度迅速降低，合金出现软化效应，流变应力增加的速率开始减小。随着应变量的继续增大，合金的动态再结晶比例增加，位错密度继续降低，动态再结晶产生的软化作用继续增大，当软化作用与加工硬化作用平衡时，流变应力曲线出现峰值;超过流变应力以后，软化作用继续增加，由于软化效应大于加工硬化效应，使得流变应力曲线呈下降趋势。但是由于再结晶晶粒也会出现位错运动，出现加工硬化，因此在随后的变形过程中，加工硬化作用与动态再结晶软化作用相互交替共同作用，当两者逐渐达到动态平衡后，流变应力值趋于稳态[13,14]。
图3均匀化态合金流变应力曲线
(a)0.01;(b)0.1;(c)0.5;(d)1
合金在不同的变形加工条件下的应变速率，变形温度与流变应力之间的关系[15]可以用Arrhenius公式来进行描述：
其中，为应变速率，决定于应力状态，为变形激活能，为气体常数，为绝对温度(K),,,,,,,为材料常数，并且有以下关系：。
此外，本文引入温度补偿因子Z参数，是由Zener和Hollomon首次提出的，依赖于变形温度而与流变应力无关。Z参数的概念广泛用于描述合金的热变形行，参数Z可以表示为：
图4合金流变应力、应变速率及温度之间的关系
3 结 论
(1)铸态下，WE71镁合金组织主要由a-Mg基体，共晶Mg24Y5和Mg41Nd5相，方块状的富Y相，Zr以单质存在于基体中。
(2)在均匀化过程中，合理的均匀化工艺为537 ℃×16 h。经过均匀化热处理后，元素分布较为均匀，仅有少量的含Y 元素化合物残留在晶界处，Nd 元素鲜见偏析。均匀化热处理消除偏析和组织的不均匀性，降低铸锭在后续热加工过程中的变形抗力。
(3)合金高温压缩热变形真应力-真应变曲线呈现动态再结晶特征。尤其在变形温度450℃以上时能够发生较为完全的动态再结晶。
(4)合金的流变应力符合双曲正弦函数关系,通过计算变形激活能Q=212.37Kj/mol，本构方程为
。
参考文献:
[1] 刘正, 张奎, 曾小勤. 镁基轻质合金理论基础及其应用[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2] 波尔特诺伊K H, 列别杰夫A. 镁合金手册[M].林裴译.北京:冶金工业出版社.1959.
[3] 刘正, 王越，王中光. 镁基轻质材料的研究与应用[J]. 材料研究学报,2000,14(5):449-456.
[4] 赵新，张奎，李兴刚，李永军. Mg-Y-Nd-Gd-Zr合金的热变形和加工图[J].特种铸造及有色金属，2008， 28(3): 218-221.
[5] 丁文江. 镁合金科学与技术[M].北京:科学出版社,2007. 125.
[6] 王怀国，张景新，张 奎，徐 骏，石力开. 高硅镁合金的制备工艺及显微组织分析[J].稀有金属, 2003, 28(2): 500.
[7] 夏长清，武文花，吴安如，王银娜. Mg-Nd-Zn-Zr稀土镁合金的热变形行为[J].中国有色金属学报, 2004, 14(11):1810.
[8] 郭 强，严红革，陈振华，张 辉. 铸态AZ80镁合金高温热变形行为研究[J].塑性工程学报, 2006, 13(5): 26.
[9] 黄光胜，汪凌云，黄光杰.AZ3 l镁合金高温本构方程[J].金属成形工艺，2004，22(2)：42--44.
[10] 余 琨. 稀土变形镁合金组织性能加工工艺研究[D].长沙:中南大学, 2003.
[11] 肖于德. 快速凝固AlFeVSi耐热铝合金组织性能及大规格材料制备工艺的研究[D].长沙:中南大学, 2003.
[12] Poirier J P. 晶体的高温塑性变形[M].关德林译. 大连:大连理工大学出版社, 1989. 52.
[13] Barraclough D.R., Sellars C.M. Static recrystallization and restoration after hot deformation of Type 304 stainless steel[J]. Metal science, 1979,13(3-4):257-267.
[14] Beer A.G., Barnett M.R. The post-deformation recrystallization behavior of magnesium alloy Mg-3Al-1Zn[J].Scripta Materialia,2009,61:1097-1100.
[15]Jonas J.J., Sellars C.M.,Tegart M.W.J.. Strength and structure under hot working conditions[J].International Metallurgical Reviews, 1969,14(130):1-24.
声明：
“WE71稀土镁合金热变形行为” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
1048
编辑：中冶有色技术网
来源：北京有色金属研究总院、北京科技大学
分享 0
举报 0
收藏 0
反对 0
点赞 0
中冶有色技术平台
2024年12月27日 ~ 29日 
