何维维,陈军洲,郝 敏,戴圣龙

(中国航发北京航空材料研究院,北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心,北京 100095)

摘 要:在变形温度300~500 ℃、应变速率0.0005~0.5s-1 下,采用 Gleeble3800型数控式热-力物理模拟试验机对 WE43镁合金进行热压缩试验,研究了该合金的热变形行为,建立了真应变为0.6时的热加工图,并结合显微组织演变确定 WE43镁合金的最佳热加工工艺参数范围。结果表明:WE43镁合金的真应力随变形温度的降低或应变速率的增大而增大,峰值应力对应的真应变随应变速率的降低或变形温度的升高而减小;WE43镁合金最佳的热塑性加工区间为应变速率0.005~0.05s-1、变形温度410~500 ℃,此时合金的热变形软化机制主要为动态再结晶,晶粒尺寸较均匀,平均晶粒尺寸小于100μm。

关键词:WE43镁合金;热压缩;热加工图;显微组织;动态再结晶中图分类号:TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)07-0069-06

0 引 言

稀土(RareEarth,RE)对镁合金的强化作用,最早发现于20世纪30年代[1],在随后的20a里研究者相继研发出 Mg-Nd、Mg-Th 等多种含稀土镁合金[2-5]。进入20世纪60年代,Mg-Y 系合金引起了研究热潮[6-7],英国学者成功研发出 Mg-Y-Nd系列 WE54、WE43 镁合金。WE54 镁合金的典型成分(质量分数/%)为 Mg-(4.75~5.5)Y-(1.5~2)Nd-(0.4~1)Zr[8],在室温及高温环境下均具有较高的抗拉强度、疲劳强度以及良好的蠕变性能;但由于稀土元素含量较高,制造工艺性能较差。为此,学者优化合金元素含量而开发出 WE43镁合金,该合金的典型成分(质量分数/%)为 Mg-(3.7~4.3)Y-(2~2.5)Nd-(0.4~1)Zr(ASTM B107/B107M-07),虽然合金的强度略微降低,但其韧性和制造工艺性能得到提高。WE系列镁合金最初是为了适用铸造工艺而69何维维,等:WE43镁合金的热变形行为及热加工图研发的[8],但 随 着 合 金 中 钇、钕 元 素 含 量 的 优 化,WE43镁合金也可适用于热变形加工工艺[9-10]。由于镁合金在室温下开启的滑移系较少,因此需采用热加工方式对合金进行变形加工[11];而显微组织演变及流变行为是优化合金热加工工艺参数的基础[12]。李晔等[13]和寇鑫等[14]采用热压缩试验对高稀土含量 Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr镁合金的热变形行为以及组织演变进行了研究,建立了本构方程并计算出变形激活能,发现该合金的真应力-真应变曲线具有动态再结晶的特征,而且峰值应力随再结晶晶粒尺寸的减小而增大。但是,目前还未见有关WE43镁合金热压缩变形行为、热变形过程中的组织演 变 以 及 加 工 图 建 立 的 报 道。 因 此,作 者 对WE43镁合金开展热压缩试验,研究该合金的热变形行为,基于热压缩试验数据绘制热加工图,并结合显微组织演变确定 WE43镁合金热加工的最佳工艺参数范围。

1 试样制备与试验方法

试验材料为尺寸?400 mm×260 mm 的铸态WE43镁合金,名义成分(质量分数/%)为 Mg-4Y2.2Nd-0.5Zr,实测化学成分见表1。该合金的组织如图1所示,可见晶粒呈等轴状,晶界处主要由 αMg和位于晶界的 Mg-RE第二相组成,采用截线法测得其平均晶粒尺寸约为100μm。表1 WE43镁合金的化学成分(质量分数)Table1 ChemicalcompositionofWE43magnesiumalloy(massfraction) %Nd Y Zr Mn Gd Er Fe Mg2.16 3.51 0.58 0.027 0.96 0.22 <0.01 余图1 铸态 WE43镁合金的显微组织Fig.1 Microstructureofas-castWE43magnesiumalloy在 WE43镁合金铸锭1/2半径(R)处截取尺寸为?10mm×15mm 的热压缩试样,取样位置如图2所示,热压缩试样的中心轴线与铸锭中心轴线平行。利用 Gleeble3800型数控式热-力物理模拟试验机进行热压缩试验。为减少压缩过程中试样两端面与热模拟试验机压头间的摩擦,在试样两端与压头接触处增加一层薄石墨片。试验时试样以10K·s-1 的升 温 速 率 加 热 至 预 设 变 形 温 度 (300,325,350,375,400,425,450,475,500 ℃)并保温5 min,应变速率分别为0.5,0.05,0.005,0.0005s-1,最大变形量(真应变)为0.6。热压缩变形结束后立即对试样进行水淬以保留其高温变形组织。沿试样中心轴线纵向剖开,对剖面进行粗磨、细磨、机械抛光后,采用苦味酸乙酸浸蚀剂(5.5g苦味酸 +2mL乙酸+90mL乙醇+10mL 蒸馏水)腐蚀,在 ZeissAxioImagerA2M 型光学显微镜下观察显微组织。图2 热压缩试样的取样位置Fig.2 Samplinglocationofhotcompressionsample

2 试验结果与讨论

2.1 热压缩真应力-应变曲线

由图3可以看出:在一定变形温度下,合金的真应力随应 变 速 率 的 增 大 而 增 加;当 变 形 温 度 超 过400℃后,合金的真应力-应变曲线出现较显著的稳态变形特征,即在应变初期真应力迅速上升后保持不变或缓慢下降,直至变形结束;合金达到峰值真应力时的真应变不大于0.3,且在一定变形温度下,合金达到峰值真应力时的真应变随着应变速率的降低而减小。由图4可以看出:在一定应变速率下,随着变形温度的升高,合金的真应力降低,且合金达到峰值真应力时的真应变减小;当应变速率低于0.05s-1时,合金的真应力在到达峰值后基本保持不变或略有降低,说明合金的再结晶软化作用抵消了加工硬化作用;当应变速率为0.05s-1 时,不同变形温度下合金的真应力-应变曲线都出现了显著的多峰形状,表明在此应变速率下,合金发生了不连续动态再结晶,即在热压缩变形过程中,合金的加工硬化和再结晶软化交替进行。70何维维,等:WE43镁合金的热变形行为及热加工图图3 不同变形温度下 WE43镁合金的真应力-真应变曲线Fig.3 Truestress-truestraincurvesofWE43magnesiumalloyatdifferenttemperatures图4 不同应变速率下 WE43镁合金的真应力-真应变曲线Fig.4 Truestress-truestraincurvesofWE43magnesiumalloyatdifferentstrainrates

2.2 热加工图

根据动 态 材 料 力 学 模 型[15],在 塑 性 变 形 过 程中,外界输入加工件的总能量P 的表达式为P =σε· =G +J (1)式中:G 为耗散量,代表材料塑性变形过程中以黏塑性热耗散的能量,其中大部分能量转化成热能,小部分能量以晶体缺陷能的形式存在;J 为耗散协量,该部分能量主要用于材料组织的变化,如动态回复、动态再结晶、裂纹产生、相变等;σ 为真应力;ε· 为应变速率。用应变速率敏感系数 m 表示能量在耗散量和耗散协量二者之间的分配,即:71何维维,等:WE43镁合金的热变形行为及热加工图dJdG=ε·dσσdε· =d(lnσ)d(lnε·)≈Δ(lnσ)Δ(lnε·)=m (2)材料成形过程中的显微组织演变所耗散的能量同线性耗散能量[16]的比例关系,即耗散效率用η 表示,其表达式为η=m/(m +1)1/2=2mm +1(3)在热加工图中耗散效率高的区域,用于组织演变 的 能 量 较 高,此 时 合 金 的 热 加 工 性 能 较 好。PRASAD等[17]根据 ZIEGLER 的大塑性变形连续介质力学提出失稳判据,失稳参数ξ(ε·)的表达式为ξ(ε·)=∂ln[m/(m +1)]∂lnε· +m (4)当ξ(ε·)小于0时,介质为非稳态流变。将材料的耗散效率图和流变失稳图叠加即可得到热加工图。基于真应力、真应变ε数据,采用三次样条插值拟合[17],建立 WE43镁合金的lnσ-lnε· 关系曲线,结果如图5所示。根据式(2)、式(3)和式(4),计算 WE43镁合金的应变速率敏感系数、耗散效率和失稳参数。以温度为横 坐 标,应 变 速 率 及 其 对 数 为 纵 坐 标,建 立WE43镁合金在不同变形条件下的耗散效率图和失稳图。由图6可以看出:当ε为0.6时,WE43镁合图5 ε为0.6时 WE43镁合金的lnσ-lnε· 拟合曲线Fig.5 lnσ-lnε·fittingcurvesofWE43magnesiumalloyatεof0.6金的耗散效率主要分布在0.3~0.5范围内,耗散效率图中有多个峰值区域,分别为应变速率约1s-1、温度约380 ℃和450℃,应变速率约0.02s-1、温度约475℃,应变速率约0.04s-1、温度约425℃以及应变速率约0.0003s-1、温度约375 ℃和450 ℃,其耗 散 效 率 分 别 为 0.41,0.51,0.45,0.44,0.70,0.56;在应变速率0.5~0.005s-1、温度375~500 ℃范围内,合金的耗散效率变化较平缓,表明在该热加工条件下合金组织的演变较为均匀;在高应变速率(1s-1 左右)和低应变速率(0.0003s-1 左右)下,三维耗散效率图中出现较为尖锐的耗散效率峰或谷,表明在这些条件下变形时合金组织不均匀。图6 ε为0.6时 WE43镁合金的二维和三维耗散效率图Fig.6 Two-(a)andthree-dimensional(b)dissipationefficiencydiagramofWE43magnesiumalloyatεof0.6WE43镁合金的热加工图如图7所示,其中方框区域为安全变形区,3个阴影区域为流变失稳区。WE43镁 合 金 在 低 应 变 速 率 失 稳 区 (应 变 速 率0.0005~0.05s-1、温度375~410 ℃)的耗散效率范围较大,为0.20~0.65;在高应变速率失稳区(应变速率0.05~1s-1、温度410~440 ℃和应变速率0.1~1s-1、温度460~500 ℃)的耗散效率较小,其最大耗散效率为0.35左右。安全变形区的应变速率为0.005~0.05s-1,温度为410~500℃,虽然该区域内合金的耗散效率最小值约为0.2,但是绝大部分区域合金的耗散效率大于0.3,且耗散效率变化平缓。

2.3 热压缩变形组织

由图8可以看出:在高应变速率失稳区,合金的组织极不均匀,晶粒存在压扁和拉长的现象,晶粒内可见到大量的变形孪晶,合金的热变形软化机制主要为动态回复;剧烈塑性变形导致合金局部区域存在绝热剪切,造成少量组织发生动态再结晶,引起合金发生局部流变,甚至出现局部裂纹,并最终造成材料的失稳。在低温低应变速率失稳区,合金的热变72何维维,等:WE43镁合金的热变形行为及热加工图图7 ε为0.6时 WE43镁合金的热加工图Fig.7 ProcessingmapofWE43magnesiumalloyatεof0.6形组织由细小的晶粒和少量粗大的晶粒混杂而成,基本未发现变形孪晶,主要为再结晶晶粒;合金的热变形软化机制主要为动态再结晶;较高的耗散效率及不均匀的组织导致合金中有局部流变组织出现,易造成材料的失稳。在高温低应变速率安全变形区,合金的变形温度较高且变形速率较低,有利于合金变形组织的再结晶及再结晶晶粒的生长,合金的耗散效率较大;在该区域内合金的热变形组织主要为动态再结晶晶粒,且晶粒尺寸较均匀,平均晶粒尺寸小于100μm,此时合金的热变形软化机制主要为动态再结晶。图8 不同变形温度和应变速率下热压缩后 WE43镁合金的显微组织(ε =0.6)Fig.8 MicrostructuresofWE43magnesiumalloyafterhotcompressionatdifferentdeformationtemperaturesandstrainrates(ε =0.6)

3 结 论

(1)WE43 镁 合 金 的 真 应 力 随 应 变 速 率 的 增大或变形温度的降低而增加;在一定变形温度下,合金达到峰值真应力时的真应变不大于0.3,且随着应变速率的降低而减小;在一定应变速率下,合金达到峰值真应力时的真应变随着变形温度的升高而减小。(2)通过对 WE43镁合金的热加工图及显微组织分析,确定该合金最佳的热塑性加工区间为应变速率0.005~0.05s-1、变形温度410~500℃,此时合金的热变形软化机制主要为动态再结晶,晶粒尺寸较均匀,平均晶粒尺寸小于100μm。

来源：材料与测试网