鎂合金是目前工業(yè)上可應用的最輕的金屬材料，具備高比強度和高比剛度等優(yōu)良的力學性能。高性能鎂合金材料主要被應用在航天航空、交通運輸?shù)燃舛瞬块T。通過擠壓、鍛造、軋制等工藝生產(chǎn)出的變形鎂合金產(chǎn)品，比鑄造產(chǎn)品具有更高的強度、更好的延展性、更多樣化的力學性能，可以滿足更多結構件的需求，具有鑄造材料無法替代的優(yōu)秀性能[1-5]。
鎂合金中添加稀土金屬元素能夠顯著提高合金的室溫力學性和高溫性能，目前國內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的豐度較高，尤其是原子量比其它稀土元素小很多，合金化效率高，Y用作鎂合金的合金元素是合理的[6]。
WE71合金先在537℃下進行16h的均勻化，然后在應變速率為0.01、0.1、0.5和1s-1，變形溫度為400℃、450℃和500℃條件下進行等溫熱壓縮實驗[7,8]。本文以Mg-7Y-1Nd-0.5Zr合金為熱模擬對象.研究了合金在高溫壓縮變形過程中的真應力-真應變關系.以及流變應力與應變速率、變形溫度之間的關系，通過計算得到了不同塑性變形條件下的變形激活能和應力指數(shù)等材料常數(shù)。建立了合金的本構方程。為進一步優(yōu)化合金的熱塑性加工工藝參數(shù)提供指導和依據(jù)。
1試驗材料和方法
1.1合金制備
本實驗合金為Mg-7wt.%Y-1wt.%Nd-0.5 wt.%Zr(WE71)，采用中頻感應熔煉爐進行熔煉，溶劑(CaF2，MgCl2) 覆蓋保護，純鎂在鐵坩堝中熔化，750 ℃加入 Y和 Nd 純金屬塊，升溫至820 ℃ 加入 Mg-30Zr 中間合金，靜置 20 min，同時加大電磁攪拌功率，隨后降溫至 720 ℃ 澆鑄，鑄錠尺寸為 Φ 250 mm × 500 mm，車去外表皮和冒口，截取鑄錠的頂部為研究對象，用線切割沿鑄錠同心圓半徑R/2位置處切取試樣。合金的設計成分和實測成分
表1 WE71鎂合金材料的實際成分
1.2均勻化熱處理和等溫熱壓縮實驗
WE71鎂合金鑄錠在537℃進行16h的均勻化，然后在應變速率為0.01、0.1、0.5和1s-1，變形溫度為400℃、450℃和500℃，最大變形程度為60%條件下進行等溫熱壓縮實驗，試樣加熱速度為5℃/s，到溫后試樣在變形溫度下保溫3 min。熱模擬壓縮試樣尺寸為10mm×15mm的小圓柱體.壓縮實驗在Gleeble-1500熱模擬機上進行。為避免壓縮過程中試樣和壓頭之間出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，在試樣和壓頭之間墊有石墨片。
1.3 微觀組織觀察
用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)進行微觀組織觀察，腐蝕液采用的是4%硝酸酒精。
2結果與討論
2.1合金鑄態(tài)微觀組織分析
WE71鎂合金鑄態(tài)顯微組織、XRD 譜、SEM照片與EDS 譜如圖1所示。從圖1(a)中可以看出，由于金屬液在凝固過程中非平衡結晶，鑄態(tài)合金組織由粗大的α-Mg基體和一些在晶界附近不連續(xù)分布的“骨骼狀”的共晶組織組成，晶界清晰可辨，但晶界比較粗大，平均晶粒尺寸在265μm 左右(見圖1(a))。由XRD物相測試結果(圖1(b))可以看出，除了鎂基體，WE71鎂合金中的主要相是Mg24Y5和Mg41Nd5相。再對晶界附近上的共晶組織進行掃描電鏡(SEM)觀察和能譜分析(EDS)，結果如圖1(c)、(d)、(e)和(f)所示，由圖中結果可知，Mg和Y的原子比接近于24:5，Mg和Nd的原子比接近于41:5，說明亮白的骨骼狀分布的為Mg24Y5相和Mg41Nd5相，而Zr元素以單質的形式存在于基體中，Zr常作為合金形核的核心，起到細化組織的作用。EDS分析的結果與XRD分析的一致。
圖1 鑄態(tài)合金的顯微組織、XRD 譜、SEM照片和EDS 譜
2.1合金均勻化態(tài)微觀組織分析
WE71鎂合金均勻化態(tài)SEM照片、XRD 譜與EDS 譜如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，分布在晶界附近的“骨骼狀”共晶組織幾乎全部回熔到基體中，只有少量的方塊相存在，晶粒尺寸沒有明顯長大。由圖2(b)與圖1(b)XRD 譜對比可以看出，共晶相Mg24Y5和Mg41Nd5相的峰消失，結果跟SEM照片觀察到結果一致。在靠近晶界部位和晶粒內部做了EDS 能譜分析，從圖2(c)、(d)中的數(shù)據(jù)可以看出，晶界處和晶內Y、Nd元素的含量大致相同，說明WE71鎂合金鑄錠在537℃進行16h均勻化處理后，Y、Nd元素擴散均勻，消除了鑄錠中稀土元素的偏析，使鑄錠的成分更加均勻，達到了均勻化處理的目的。
圖2 均勻化態(tài)合金的SEM照片、XRD 譜和EDS 譜
2.3合金本構方程的建立
圖3均勻化態(tài)合金在不同變形條件下的流變應力曲線。從圖中可以看出，在所有的變形溫度和應變速率條件下，流變應力值均隨應變的增加而增加，但是增加的速率逐漸減慢，當增加至峰值應力后，流變應力逐漸下降直至出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)值。說明此合金的流變應力曲線具有典型的動態(tài)再結晶特征，在變形初期，位錯不斷增殖、運動，互相纏結，同號位錯相互加強，出現(xiàn)明顯的加工硬化效應[9-12];在變形過程中，雖然有異號位錯相互抵消的現(xiàn)象，出現(xiàn)軟化效應，但是流變應力增加的趨勢沒有改變。因此，塑性變形開始階段加工硬化效應占主導，流變應力增加;隨著變形程度繼續(xù)增加，位錯纏結的程度加劇，形成位錯胞壁，這些位錯胞壁間相互碰撞會使原始晶粒分化，形成小角度晶界，即形成亞晶，亞晶繼續(xù)長大將形成再結晶晶粒。由于鎂合金是層錯能較低的金屬，合金不容易發(fā)生動態(tài)回復，而容易發(fā)生動態(tài)再結晶。當動態(tài)再結晶發(fā)生時，合金內部的位錯密度迅速降低，合金出現(xiàn)軟化效應，流變應力增加的速率開始減小。隨著應變量的繼續(xù)增大，合金的動態(tài)再結晶比例增加，位錯密度繼續(xù)降低，動態(tài)再結晶產(chǎn)生的軟化作用繼續(xù)增大，當軟化作用與加工硬化作用平衡時，流變應力曲線出現(xiàn)峰值;超過流變應力以后，軟化作用繼續(xù)增加，由于軟化效應大于加工硬化效應，使得流變應力曲線呈下降趨勢。但是由于再結晶晶粒也會出現(xiàn)位錯運動，出現(xiàn)加工硬化，因此在隨后的變形過程中，加工硬化作用與動態(tài)再結晶軟化作用相互交替共同作用，當兩者逐漸達到動態(tài)平衡后，流變應力值趨于穩(wěn)態(tài)[13,14]。
圖3均勻化態(tài)合金流變應力曲線
(a)0.01;(b)0.1;(c)0.5;(d)1
合金在不同的變形加工條件下的應變速率，變形溫度與流變應力之間的關系[15]可以用Arrhenius公式來進行描述：
其中，為應變速率，決定于應力狀態(tài)，為變形激活能，為氣體常數(shù)，為絕對溫度(K),,,,,,,為材料常數(shù)，并且有以下關系：。
此外，本文引入溫度補償因子Z參數(shù)，是由Zener和Hollomon首次提出的，依賴于變形溫度而與流變應力無關。Z參數(shù)的概念廣泛用于描述合金的熱變形行，參數(shù)Z可以表示為：
圖4合金流變應力、應變速率及溫度之間的關系
3 結 論
(1)鑄態(tài)下，WE71鎂合金組織主要由a-Mg基體，共晶Mg24Y5和Mg41Nd5相，方塊狀的富Y相，Zr以單質存在于基體中。
(2)在均勻化過程中，合理的均勻化工藝為537 ℃×16 h。經(jīng)過均勻化熱處理后，元素分布較為均勻，僅有少量的含Y 元素化合物殘留在晶界處，Nd 元素鮮見偏析。均勻化熱處理消除偏析和組織的不均勻性，降低鑄錠在后續(xù)熱加工過程中的變形抗力。
(3)合金高溫壓縮熱變形真應力-真應變曲線呈現(xiàn)動態(tài)再結晶特征。尤其在變形溫度450℃以上時能夠發(fā)生較為完全的動態(tài)再結晶。
(4)合金的流變應力符合雙曲正弦函數(shù)關系,通過計算變形激活能Q=212.37Kj/mol，本構方程為
。
參考文獻:
[1] 劉正, 張奎, 曾小勤. 鎂基輕質合金理論基礎及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[2] 波爾特諾伊K H, 列別杰夫A. 鎂合金手冊[M].林裴譯.北京:冶金工業(yè)出版社.1959.
[3] 劉正, 王越，王中光. 鎂基輕質材料的研究與應用[J]. 材料研究學報,2000,14(5):449-456.
[4] 趙新，張奎，李興剛，李永軍. Mg-Y-Nd-Gd-Zr合金的熱變形和加工圖[J].特種鑄造及有色金屬，2008， 28(3): 218-221.
[5] 丁文江. 鎂合金科學與技術[M].北京:科學出版社,2007. 125.
[6] 王懷國，張景新，張 奎，徐 駿，石力開. 高硅鎂合金的制備工藝及顯微組織分析[J].稀有金屬, 2003, 28(2): 500.
[7] 夏長清，武文花，吳安如，王銀娜. Mg-Nd-Zn-Zr稀土鎂合金的熱變形行為[J].中國有色金屬學報, 2004, 14(11):1810.
[8] 郭 強，嚴紅革，陳振華，張 輝. 鑄態(tài)AZ80鎂合金高溫熱變形行為研究[J].塑性工程學報, 2006, 13(5): 26.
[9] 黃光勝，汪凌云，黃光杰.AZ3 l鎂合金高溫本構方程[J].金屬成形工藝，2004，22(2)：42--44.
[10] 余 琨. 稀土變形鎂合金組織性能加工工藝研究[D].長沙:中南大學, 2003.
[11] 肖于德. 快速凝固AlFeVSi耐熱鋁合金組織性能及大規(guī)格材料制備工藝的研究[D].長沙:中南大學, 2003.
[12] Poirier J P. 晶體的高溫塑性變形[M].關德林譯. 大連:大連理工大學出版社, 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.
聲明：
“WE71稀土鎂合金熱變形行為” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術網(wǎng)
來源：北京有色金屬研究總院、北京科技大學
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2025年03月20日 ~ 22日 
