变形条件对Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金动态力学行为的影响.pdf

第 卷第期 年月有色金属工程N o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n gV o l ,N o A p r i l d o i:/j i s s n 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();韶关市科技计划项目()F u n d:S u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a();S h a o g u a nS c i e n c ea n d T e c h n o l o g yP r o g r a mm eP r o j e c t s()作者简介:田学锋(),男,副教授,研究方向为金属材料组织、性能及成形工艺.引用格式:田学锋,宋小春变形条件对M g G d Y N d Z r合金动态力学行为的影响J有色金属工程,():T I ANX u e f e n g,S ONG X i a o c h u n E f f e c to fD e f o r m a t i o nC o n d i t i o n so nt h eD y n a m i c M e c h a n i c a lB e h a v i o u ro f M g G d Y N d Z rA l l o y sJN o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g,():变形条件对M g G d Y N d Z r合金动态力学行为的影响田学锋,宋小春(广东松山职业技术学院 先进制造学院,广东 韶关 ;华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 )摘要:采用金相观察、扫描电子显微镜、能谱分析、显微硬度计及分离式霍普金森压杆等手段,研究了峰值时效挤压态M g G d Y N d Z r合金在变形温度及应变速率下的动态冲击力学变形行为.结果表明:合金在 /h到达峰值时效,其硬度约为 HV,提升了 左右.在不同的变形温度下均表现出优异的抗冲击性能,在室温及应变速率为 s条件下合金抗压强度可高达 MP a;在 及应变速率为 s条件下抗压强度为 MP a;在 及应变速率为 s条件下抗压强度为 MP a.合金在不同温度下优异的抗冲击性能主要得益于时效强化相、稳定存在的块状富稀土粒子以及冲击过程中在晶界形成的动态析出相协同强化机制.随着应变速率和变形温度的增大,合金热软化效应增强,合金力学性能有所降低.关键词:M g G d Y N d Z r合金;变形温度;应变速率;时效强化;动态析出中图分类号:T G ;T G 文献标志码:A文章编号:()E f f e c t o fD e f o r m a t i o nC o n d i t i o n so nt h eD y n a m i cM e c h a n i c a lB e h a v i o u ro fM g G d Y N d Z rA l l o y sT I ANX u e f e n g,S ONGX i a o c h u n(S c h o o l o fA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n g,G u a n g d o n gS o n g s h a nP o l y t e c h n i c,S h a o g u a n ,C h i n a;S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dA u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed y n a m i c i m p a c tm e c h a n i c a l d e f o r m a t i o nb e h a v i o r o f t h eM g G d Y N d Z r a l l o y i n i t sp e a ka g i n ge x t r u d e d s t a t ea td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n d s t r a i n r a t e w a si n v e s t i g a t e d b y m e a n s o fo b s e r v a t i o nm e t a l l o g r a p h i c(OM),s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM),e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r u m(E D S),m i c r o h a r d n e s st e s t e r s,a n das p l i tH o p k i n s o np r e s s u r eb a r(S HP B)m e t h o d s T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ea l l o yr e a c h e sp e a ka g i n ga t /ha n d i t sh a r d n e s s i sa b o u t HV,w h i c h i sa n i m p r o v e m e n t o f a b o u t T h ea l l o y ss h o we x c e l l e n ti m p a c t r e s i s t a n c ea td i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e s,w i t hc o m p r e s s i v es t r e n g t h so fu pt o MP aa tr o o mt e m p e r a t u r ea n das t r a i nr a t eo f s;MP aa t a n da s t r a i nr a t eo f s;a n d MP aa t a n das t r a i nr a t eo f sT h ee x c e l l e n t i m p a c t r e s i s t a n c eo f t h ea l l o y sa t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s i sm a i n l yd u e t ot h es y n e r g i s t i cs t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m o ft h ea g e s t r e n g t h e n e d p h a s e s,t h es t a b i l i z e d m a s s i v er a r e e a r t h r i c h(R EH)p a r t i c l e s,a n dt h ed y n a m i cp r e c i p i t a t i o np h a s e s f o r m e da tg r a i nb o u n d a r i e sd u r i n gt h e i m p a c tp r o c e s s A st h es t r a i nr a t ea n d d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e,t h et h e r m a ls o f t e n i n ge f f e c to ft h ea l l o yi n c r e a s e sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ea l l o yd e c r e a s e K e yw o r d s:M g G d Y N d Z ra l l o y;d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e;s t r a i nr a t e;a g es t r e n g t h e n i n g;d y n a m i cp r e c i p i t a t i o n第期田学锋等:变形条件对M g G d Y N d Z r合金动态力学行为的影响随着全世界能源消耗问题的凸显,工业制造领域对其轻质、绿色环保材料的需求越来越迫切.镁是工程应用中最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度/比刚度高、阻尼性能好、易加工和绿色环保等优点且被誉为“世纪绿色工程材料”,在航空航天、交通运输、武器装备等领域成为研究者们追捧的对象,.但是,纯镁的绝对强度低,无法满足当下工业制造领域的服役环境,难以直接应用于现有的结构件,.研究表明,向镁中添加G d、Y、N d等稀土元素可显著提升合金的强度,制备出高强耐热的镁稀土合金材料 .近年来,M g G d Y系稀土镁合金得到了研究学者们的广泛关注,因其优异的力学性能,成为新一代轻合金材料的研究热点 .例如,T ANG等 通过控制挤压速度为mm/s制备出具有细长变形晶粒和细小再结晶晶粒组成双峰晶粒结构的M g G d Y N d Z r合金,经时效强化后得到了单轴最大抗拉强度高达 MP a.Z HE N G等 采用挤压前预时效的简单工艺制备了超 高 强 度M g G d Y Z n Z r合 金,经峰值时效处理后最大拉伸强度高达 MP a.因此,轻质、高强、耐热的M g G d Y合金近年来受到广泛关注,有望成为新一代金属工程结构件的首选材料.在汽车制造、航空航天和武器装备等领域,金属材料的工程应用在服役的过程中不可避免的会受到高速冲击.因此,抗冲击性能成为考核其应用的重要标准之一.近年来,研究学者采用分离式霍普金森压杆装置对M g G d系合金的动态冲击性能进行了研究.WANG等,以铸造态的M g G d Y Z r为研究对象,探究了其G d含量、固溶处理和时效处理对其微观组织与动态冲击变形机理的影响,该铸造态合金具有优异的抗冲击性能.唐昌平等,探究了不同时效处理对挤压态M g G d系合金动态力学行为影响的变形机理,研究表明经峰时效处理后其室温下抗冲击性能十分优异.然而,在高速变形过程中温度是影响合金性能的重要因素,例如汽车的高速碰撞和炮弹冲击等都会产生大量的热量,从而导致局部温度的快速上升.因此,探明温度和应变速率对M g G d系合金动态冲击变形行为的影响机 制 尤 为 重 要.本 文 以 挤 压 态M g G d Y N d Z r合金为研究对象,探究其最佳的峰值时效工艺,探明室温 、和 下的动态冲击力学行为,研究结果为航空航天、交通运输及武器装备等领域的镁合金零部件设计和应用提供重要的理论依据.试验材料与方法研究 所 用 的 材 料 为 用 纯 镁(w t)和M g w t G d、M g w t Y、M g w t N d和M g w t Z r中间主合金在熔炉中经熔炼、精炼和浇注制备成M g G d Y N d Z r(w t)合金组成的铸锭.将铸锭加工成直径为 mm的圆柱形样品原料,在 下进行 h的均匀化热处理后淬火冷却.然后,在挤压温度为 和挤压速度为mm/s条件下制备出直径为 mm(挤压比为)的棒材.采用电火花线切割机切取试样用于动态冲击试验,沿挤压方向切成直径为 mm、原始高度为 mm的小圆柱.时效处理在纤维电阻炉中进行,时效样品与冲击样品大小一致,时效温度为 和 .动态冲击试验在分离式霍普金森压杆(S H P B)装置上进行,冲击试验前利用金相砂纸将合金的两个圆柱试验面打磨光亮.在高温条件下冲击时,达到预定温度后保温m i n进行均温,然后再进行冲击试验.将样品放置在入射杆和透射杆之间,为保证试验的准确性,在试样表面和入射杆之间涂抹石墨,降低表面粗糙度及摩擦对试验造成的误差,同时每组进行组对照试验取平均值保证实验数据的有效性.采用手动、机械研磨及抛光的方法制备金相观察样品,以浸蚀的方式进行腐蚀,腐蚀剂采用体积分数为的硝酸酒精溶液,腐蚀时间为 s.冲击前后用于扫描电镜观察的样品的制样方法与金相试样一致,扫描电镜观察在M e r l i nC o m p a c t型扫描电子显微镜内进行,加速电压为 k V.试验结果与讨论分析 动态冲击前的微观组织图示出了挤压态M g G d Y N d Z r合金动态冲击前的金相显微组织.由图可知,合金是典型挤压之后的等轴晶粒分布,晶粒尺寸分布相对均匀.还可观察到部分微米级和亚微米级的黑色第二相粒子沿挤压方向分布,形成纤维组织,说明合金在挤压变形过程中发生了充分的动态再结晶,合金晶粒较为细小.此外在晶界附件还观察到少量的第二相粒子.为了对金相组织中的第二相粒子和纤维组织进行深入分析,通过扫描电镜和能谱分析观察了样品微观结构.由扫描电镜观察可知,金相图像中的黑色纤维组织和第二相呈亮白色.在晶界有 色 金 属 工 程第 卷附近的第二相粒子呈现白色方块状,其能谱结果表明 富 含G d和Y元 素,其 中G d元 素 含 量 为 w t,Y元素含量为 w t 和少量的Z r、N d元素.根据王树梁等 的研究结果,该粒子为合金在固溶过程中形成的稀土氢化物相类似.除此之外,根据局部放大图 b中的箭头B所示,纤维组织结构是由大量的白色颗粒组成的.其能谱结果(图 d)可知,这些颗粒也是溶液处理样品中残留的稀土氢化物.因此,稀土氢化物主要以纤维结构和分散颗粒的形式留在挤压棒中.图合金冲击试验前的金相图F i g O p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e i m a g e so fa l l o y sp r i o r t o i m p a c t t e s t i n g(a)P e r p e n d i c u l a r t ot h ee x t r u s i o nd i r e c t i o n,(b)P a r a l l e l t ot h ee x t r u s i o nd i r e c t i o n,(c)E D Sr e s u l t so fp a r t i c l eA,(d)E D Sr e s u l t so fp a r t i c l eA图合金冲击试验前的扫描电镜照片及能谱结果F i g S EMa n dE D Sa n a l y s i so fa l l o y sp r i o r t o i m p a c t t e s t i n g 时效硬化曲线图显示了挤压态M g G d Y N d Z r合金在 和 的时效硬化行为.在 下时效处理的合金在 h前硬度值缓慢上升,在时第期田学锋等:变形条件对M g G d Y N d Z r合金动态力学行为的影响图不同时效温度下的时效硬化曲线F i g T h ea g e h a r d e n i n gc u r v e sw i t hd i f f e r e n t a g e i n gt e m p e r a t u r e s效 h后出现了缓慢的降低,随着时效时间的延长,在 h后,合金硬度开始明显上升,在 h处达到峰值硬度 H v,然后硬度值稍微下降出现一个宽平台,这表明硬度在 下保持相对稳定.相比之下,时效温度增加到 的合金显示出最强的硬化反应,在 h处获得 HV的最大值,最大硬度明显提升而峰值时间有所下降,这表明时效硬化效应的潜伏期缩短了.综合来看,两个时效温度下的时效硬化趋势大致相同,但是随着时效温度的增加,时效硬化效果显著增加,时效下的整体硬化效果明显高于 ,峰值时效工艺确定为 /h.动态冲击力学行为合金在不同温度下动态冲击的真应力应变曲线如图所示.由图可知,在室温条件下,随着应变速率的增加,合金的抗压强度总体上呈现出增大的趋势,在应变速率为 s时抗压强度最大为 MP a,屈服现象相对不明显.当变形温度增加到 时,与室温下的抗压强度对比,整体的抗压强度有所降低,在低应变速率下抗压强度增大,并出现明显的锯齿状连续屈服现象;随着应变速率的增大,抗压强度呈现先增大后变小的变化趋势,在应变速率为 s时,抗压强度最大约为 MP a.当变形温度进一步增加到 ,合金的总体抗压图不同温度下动态冲击的应力应变曲线F i g S t r e s s s t r a i nc u r v e s f o rd y n a m i c i m p a c t o f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s有 色 金 属 工 程第 卷强度进一步降低,连续屈服现象减弱;随着应变速率的增大,抗压强度的变化趋势与室温下的相一致,在应变速率为 s时最大抗压强度达到 M P a.在 下,合金的总体抗压强度进一步降低;抗压强度呈现先增大后减小的趋势,与 下的变化趋势一致,在应变速率为 s时的抗压强度最大,约为 MP a;较 下而言,在低应变速率下性能有所提升.综合来看,合金在室温及高温下均变现出了优异的抗冲击性能,随着温度的升高,在低应变速率下的最大抗压强度增大,高应变速率下的抗压强度有所降低.为了进一步归纳变形条件对合金动态力学行为的影响,合金在不同温度及应变速率下的力学性能分析结果,如图所示.在低应变速率下,高温下的抗压强度及屈服强度明显高于室温下的强度,在 下抗压强度最为优异,为 MP a;在 下屈服强度最大约为 MP a.随着温度的增加,最大应变率在增加,这是因为在动态冲击的过程中,应变硬化与热软化效应是相互竞争的关系,随着温度的增加,热软化作用效果促进了应变硬化效果,故而呈现出优异的高温力学性能.当应变速率增大时,高应变速率下力学性能表现为室温下的抗压强度和屈服强度明显高于高温下的,这主要是因为在高应变速率下局部变形温度与环境温度相媲美,随着环境温度的升高,热软化作用进一步增大,远远超过了应变硬化效果,导致合金性能有所降低.综合来看,随着应变速率的增加合金抗冲击性能提升;随着变形温度的增大,力学性能有所降低,但整体上表现出优异的抗冲击性能,在室温下最大抗压强度高达 M P a,即使在高温条件下其最大抗压强度也接近 M P a.图样品在不同温度下的动态冲击力学性能F i g D y n a m i c i m p a c tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s 变形条件下的微观组织图为合金在不同温度及 s应变速率条件下冲击后的扫描电镜照片.在不同的变形温度下都可以观察的白色第二相粒子,在室温条件下,只观察 到 少 量 白 色 方 块 状 粒 子;随 着 温 度 增 加 到 时,在方块状粒子周围观察到了极少数的细小粒子,这可能是方块状粒子在动态冲击变形过程中阻碍位错运动,使其周围产生大量的位错聚集,从而形成的动态析出相,这也是此温度下性能优异的主要原因;随着温度进一步增加到 ,动态析出第期田学锋等:变形条件对M g G d Y N d Z r合金动态力学行为的影响粒子数量明显减少,弥散分布在晶粒晶界处,力学性能也有所降低(图);当温度增加到 时,基本观察不到细小的第二相,这说明温度增高对动态析出有抑制作用,但是图 d中还可以观察到部分晶粒发生了动态再结晶,这是由于在动态冲击变形过程中温度过高使部分晶粒达到了合金的临界变形量,从而发生了动态再结晶,导致合金性能有所升高.图峰时效样品(/h)在不同温度及 s冲击后的扫描电镜照片(冲击面)F i g S EMi m a g e so fp e a k a g e ds a m p l e s(/h)a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n da f t e r si m p a c t(i m p a c t s u r f a c e)合金在不同温度及 s高应变速率条件下冲击后的 扫描 电 镜 照 片 如 图所 示.观 察 可知,在高应变速率下第二相明显减少,这主要跟变形时间缩短有关系.在室温下,经过高应变率的冲击变形,在部分区域发生了严重的塑性变形,这主要是时效析出相在高应变速率下抵抗变形的能力充分显现,出现超高的抗压强度.当温度增加到 时,在图 b中可 以观察 到 少 量 的 微 裂纹,温度增加热软化效应增加又加上高速冲击下局部变形温度也增加,从而导致合金性能较室温下有所降低.当温度进一步增加到 下,在方块状粒子附 件观察到了 少量细小的 动 态 析 出相,这主要是热软化效应进一步增强,变形时间相对增加,析出了动态粒子;除此之外,裂纹数量明显增多,且主要集中在方块状粒子周围,这说明在此温度下时效析出强化作用减弱,变形集中第二相粒子周围,故而裂纹增多,宏观上表现为力学性能降低.当温度增加到 时,基本上观察不到细小的动态析出相,裂纹数量进一步增多且较为明显,如图 d所示,裂纹为穿晶裂纹,力学性能进一步降低,这是由于高温高应变速率下热软化效应起主导作用,时效析出强化效应减弱.有 色 金 属 工 程第 卷图峰时效样品(/h)在不同温度及 s冲击后的扫描电镜照片(冲击面)F i g S EMi m a g e so fp e a k a g e ds a m p l e s(/h)a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n da f t e r si m p a c t(i m p a c t s u r f a c e)结论)M g G d Y N d Z r合金经过 时效处理 h,到达峰值硬度为 HV,较合金初始硬度 HV提升了 左右.)合金具有优异的抗冲击性能,室温及应变速率为 s条件下合金抗压强度可达 MP a;在 及应变速率为 s条件下抗压强度为 MP a;在 及应变速率为 s条件下抗压强度为 MP a;在 及应变速率为 s条件下抗压强度为 MP a.)合金在动态冲击的过程中,优异的性能主要得益于时效强化相和变形过程中的动态析出相.在应变速率较低时,随着冲击温度的升高,动态析出相增多,在 下发生了动态再结晶,力学性能提升;在高速冲击时,冲击过程中所引起的温升以及冲击时间的缩短,抑制了合金的动态析出行为,随着温度的升高,热软化效应起主导作用,导致合金的高温抗冲击性能有所降低.参考文献:刘筱,杨辉,朱必武,等高速冲击载荷下预变形A Z 镁合金的流变行为及本构模型J中国有色金属学报,():L I UX i a o,YAN GH u i,Z HUB i w u,e t a l F l o wb e h a v i o ra n d c o n s t i t u t i v em o d e l f o r p r e d e f o r m e dA Z m a g n e s i u ma l l o yu n d e rh i g h s p e e di m p a c t l o a d i n gJT h e C h i n e s e J o u r n a lo f N o n f e r r o u s M e t a l s,():蒋一锋,范晋平,裴镖,等 C e对M g A S i合金组织及性 能 的 影 响 J有 色 金 属 工 程,():J I AN GY i f e n g,F ANJ i n p i n g,P E IB i a o,e ta l E f f e c to fC eo nm i c r o s t u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fM g AHE S ia l l o yJ N o n f r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g,():丁文江,吴玉娟,彭立明,等高性能镁合金研究及应用的新进展J中国材料进展,():,D I N G W e n j i a n g,WU Y u j u a n,P E N G L i m i n g,e ta l N e w p r o g r e s si n r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o fh i g h 第期田学锋等:变形条件对M g G d Y N d Z r合金动态力学行为的影响p e r f o r m a n c e m a g n e s i u m a l l o y sJP r o g r e s s o fM a t e r i a l s i nC h i n a,():,崔磊,唐昌平,李权,等镁稀土合金塑性变形技术研究进 展 J中 国 有 色 金 属 学 报,():C U IL e i,T AN G C h a n g p i n g,L IQ u a n,e ta l R e s e a r c hp r o g r e s s o f p l a s t i c d e f o r m a t i o n t e c h n o l o g yo fm a g n e s i u mr a r ee a r t ha l l o yJ T h eC h i n e s eJ o u r n a l o fN o n f e r r o u sM e t a l s,():S U 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e so f t h eM g G d Y(N d)Z ra l l o yJ J o u r n a lo fM a t e r i a l sR e s e a r c ha n dT e c h n o l o g y,:S H IK,L IS B,YU ZJ,e ta l M i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f M g G d Y N d Z r a l l o y sp r e p a r e dv i ap r e a n n e a l i n g,h o te x t r u s i o na n da g e i n gJJ o u r n a lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d s,:h t t p s:/d o i o r g/j j a l l c o m T AN G C P,CHE N JJ,MA X,e ta l E f f e c t s o fe x t r u s i o ns p e e do nt h ef o r m a t i o no fb i m o d a l g r a i n e ds t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so faM g G d b a s e da l l o yJM a t e r i a l s C h a r a c t e r i z a t i o n,:h t t p s:/d o i o r g/j m a t c h a r Z HE N GJ,CHE NZ,YANZ M,e ta l P r e p a r a t i o no fu l t r a h i g hs t r e n g t hM g G d Y Z n Z r a l l o yb yp r e a g e i n gt r e a t m e n tp r i o r t oe x t r u s i o nJ J o u r n a lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d s,:h t t p s:/d o i o r g/j j a l l c o m WANGXZ,WAN G Y Q,N ICB,e ta l E f f e c to fG dc o n t e n to n m i c r o s t r u c t u r e a n d d y n a m i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s o l u t i o n t r e a t e dM g xG d Y Z ra l l o yJT r a n s a c t i o n so fN o n f e r r o u s M e t a l sS o c i e t yo fC h i n a,():WANGXZ,WANGY Q,N ICB,e ta l T h ee f f e c to fT a n d T h e a t t r e a t m e n t s f o r d y n a m i c i m p a c tb e h a v i o ro fc a s t i n g M g G d b a s e da l l o y sJ V a c u u m,:h t t p s:/d o i o r g/j v a c u u m 唐昌平,左国良,刘文辉,等挤压 T 态M g G d Y N d Z r合金的 动 态 冲 击 行 为 J材 料 导 报,():,T ANGC h a n g p i n g,Z UOG u o l i a n g,L I U W e n h u i,e ta l D y n a m i c i m p a c tb e h a v i o u ro fM g G d Y N d Z ra l l o yi n e x t r u d e d T s t a t eJM a t e r i a l s H e r a l d,():,T ANG C P,WU K,L I U W H,e t a l D y n a m i cc o m p r e s s i o n b e h a v i o r o f a M g G d B a s e d a l l o y a te l e v a t e d t e m p e r a t u r eJ M e t a l s a n dM a t e r i a l sI n t e r n a t i o n a l,():王 树 梁,戴 仲 谋,郭 化 超,等热 处 理 对 铸 造M g G d Y Z r合金动态冲击行为的影响J有色金属工程,():W A N G S h u l i a n g,D A IZ h o n g m o u,G U O H u a c h a o,e ta l E f f e c t o f h e a t t r e a t m e n t o n t h e d y n a n i c l i m p a c tb e h a v i o r o f c a s tM g G I Y a Z r A l l o yJN o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g,():