Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金等溫壓縮變形行為

安 迪 閆亮明 石 閣 王 昕 楊玉坤 王會廷

(1.內蒙古工業大學材料科學與工程學院，內蒙古呼和浩特 010051；2.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山 243036)

Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金等溫壓縮變形行為

安 迪1閆亮明1石 閣1王 昕1楊玉坤1王會廷2

(1.內蒙古工業大學材料科學與工程學院，內蒙古呼和浩特 010051；2.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山 243036)

在溫度523～723 K和應變速率0.001～1 s-1范圍內，利用Geeble-1500熱模擬試驗機，對均勻化態的Mg-5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金進行等溫壓縮試驗，并獲得了應力應變曲線。研究了變形工藝參數對該合金流變應力的影響規律，計算了熱變形激活能，建立了本構模型。結果表明，Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在變形過程中真應力隨變形溫度的升高而降低，隨應變速率升高而升高，該合金的流變應力曲線可以用雙曲正弦函數來描述。并求得該合金的熱變形激活能為181.902 6 kJ/mol。

Mg- Zn- Zr合金 熱壓縮 流變應力 本構模型

鎂合金作為輕質結構材料，有希望廣泛應用于航空航天、汽車、高速列車等領域。然而，由于其成形性較差，極大地限制了變形鎂合金在工業中的應用[1- 2]。目前，鎂合金制品主要采用鑄造方式加工，只有有限的變形鎂合金獲得應用[2- 3]。近些年，Mg- Zn- Zr系合金作為高強度變形鎂合金快速發展，Y被添加到鎂合金中，可改善共晶溫度，形成穩定的第二相，實現固溶和時效強化[4]。研究發現Y和Nd同時加入Mg- Zn- Zr合金，能使合金鑄態晶粒細化，其形成的稀土相可細化變形后的晶粒，進而提高室溫強度，但合金變形困難，在熱變形過程中容易出現開裂問題[5- 7]。眾所周知，熱變形對生產出滿意的產品至關重要，然而目前對Mg- Zn- Zr- Y- Nd合金熱變形規律的研究報道甚少。因此研究準確的本構模型對合金實際熱加工過程中工藝的制定、優化，加工設備的選擇，提高產品質量有著非常重要的意義。

本文采用熱模擬研究Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同變形工藝參數下的等溫恒應變速率的熱壓縮變形過程，分析和討論了其熱變形行為，并建立了本構模型。

1 試驗材料與方法

試驗材料采用Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd(質量分數，%)合金。鑄錠經500 ℃×16 h均勻化處理后加工成為φ10 mm×15 mm小圓柱體。試樣在Gleeble- 1500熱模擬機上進行等溫壓縮試驗，變形溫度為523、573、623、673、723 K，應變速率為0.001、0.01、0.1、1 s-1，總壓縮應變量為0.7(真應變)，熱壓縮前在試樣兩端粘貼石墨片以降低摩擦。以5 K/s的加熱速率，將試樣加熱到一定溫度后，保溫3 min，使整個試樣受熱均勻，然后進行等溫熱壓縮試驗。為了防止試樣發生氧化，壓縮過程中采用氬氣保護，當等溫壓縮到設定的應變值后，立即水淬。

2 試驗結果與分析

2.1 真應力- 真應變曲線

圖1為Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同溫度和應變速率熱壓縮條件下的真應力- 真應變曲線。從圖中曲線形狀可以看出，試驗合金的真應力- 真應變曲線具有典型的動態再結晶特征，在試驗應變范圍內，應力- 應變曲線可以分為4個階段：加工硬化階段(階段I)，過渡階段(階段II)，軟化階段(階段III)和穩態流變階段(階段IV)。另外，在溫度較高和應變速率較低時，合金很快發生再結晶，過渡階段很不明顯，甚至消失了；變形速率越大，變形溫度越低，則流變應力- 應變曲線的穩態階段越少[8- 9]。

從圖1中可以看出， 試驗合金在應變速率一定時，流變應力隨溫度的升高而降低;在變形速率較小，變形溫度較高條件下，流變應力- 應變曲線的峰值消失，基本上呈穩態階段；在變形溫度一定時，流變應力隨應變速率的增大而升高，如在623 K變形時，變形速率從0.001 s-1增加到1 s-1時，合金的峰值應力由38.525 MPa增大到118.46 MPa，這說明試驗合金在該試驗條件下是一種正變形速率敏感材料。

圖1 Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同應變速率下的真應力- 真應變曲線

2.2 本構方程的建立

(1)

式中:Q為變形激活能，R為氣體常數(8.314 J·mol-1·K-1)，T為絕對溫度(K)，A為材料常數，σ為流變應力。應力函數f(σ)在不同應力水平下有三種表達方式：

f(σ)=σn1

(2)

f(σ)=exp(βσ)

(3)

f(σ)=[sinh(ασ)]n

(4)

式中:α、 β和n1(α=β/n1)為材料常數。對不同金屬材料熱加工數據的研究表明，低應力狀態和高應力狀態下流變應力和應變速率關系分別可用冪指數關系(2)式和指數關系(3)式進行描述，(4)式基本能適用于描述整個應力水平范圍的熱變形過程。在低應力和高應力水平下，分別將式(2)和式(3)代入式(1)，并對兩邊取對數可得：

(5)

(6)

(7)

式中:σ為流變應力；R為摩爾氣體常數；A、α和n均為與材料狀態有關的常數；Q為熱變形激活能，反映材料熱變形的難易程度，其大小取決于材料的組織狀態。式中ασ為應力水平因子，它是一個附加可調節常數修正值，在繪制不同溫度下關系曲線時使之保持平行。

金屬和合金熱加工變形時，變形速率受到熱激活控制。變形溫度和變形速率對變形的影響由Zenner和Hollomon通過引入參數Z來描述，Z參數可以稱為“溫度補償速率因子”，它包含熱加工過程中的變形速率和變形溫度兩個控制變量,即：

(8)

對式(8)求偏微分可得變形激活能Q的計算式為：

(9)

對式(8)兩邊取對數還可得到：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(10)

根據式(10)，對lnZ-ln[sinh(ασ)]數據進行線性回歸(如圖3)，即可得到n=4.532 2，A=1.819 3×1013s-1。

將求的A、n、α和Q等材料常數值代入式(7)，得到Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金熱壓縮變形時的流變應力方程：

(11)

由式(8)可得：

(12)

根據雙曲函數的定義可以得到：

sinh-1(ασ)=ln{(ασ)+[(ασ)2+1]1/2}

(13)

于是可以得到：

(14)

圖2 熱壓縮變形時流變應力和溫度與應變速率間的關系

Fig.2 Relationships among peak stress, strain rate and temperature during hot compression deformation

圖3 合金熱變形時ln[sinh(ασp)]與lnZ的參數關系

由此，式(14)也就可以表示為：

σ=69.93{(54.97×10-15·Z)0.22+[(54.97 ×10-15·Z)0.44+1]1/2}

(15)

(16)

根據式(15)、式(16)和相關的變形溫度和變形速率就可以求出對應的峰值應力。

3 結論

(1)Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在應變速率一定時，流變應力隨溫度的升高而降低；在變形溫度一定時，流變應力隨應變速率的增大而升高，此鎂合金在該試驗條件下是一種正變形速率敏感材料。

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收修改稿日期：2016- 01- 04

Deformation Behavior of Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd Alloy in the Isothermal Compression

Shi Ge1Yan Liangming1An Di1Wang Xin1Yang Yukun1Wang Huiting2

(1. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot Inner Mongolia 010051, China；2. School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan Anhui 243036, China)

The isothermal compression of homogenized Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd alloy was carried out at a Geeble- 1500 thermal simulator with various temperatures (523-723K) and strain rates (0.001-1 s-1), the true stress- true strain curves were obtained. The effect of the process parameters on the flow stress was investigated and the constitutive model was obtained. The results indicated that the stress significantly decreased with an increasing of the deformation temperature and a decreasing of the strain rate in the high temperature compression of Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd alloy. The flow behavior could be described by the hyperbolic sine constitutive equation. The thermal deformation activation energy was calculated to be 181.902 6 kJ/mol.

Mg- Zn- Zr alloy，hot compression，flow stress，constitutive model

內蒙古工業大學科學研究重點項目 (No.ZD201111)，國家自然科學基金(No.51275003)

石閣，男，主要研究方向為有色金屬制備及加工

閆亮明，男，博士，副教授，主要研究方向為有色金屬制備及加工，Email：yanliangming@126.com