EW94合金铸锭的热压缩变形力学行为与塑性加工图

第20卷第4期 塑性工程学报 V01．20NO．4 2013年8月 JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGAug·2013 doi：10．3969／j．issn．1007—2012．2013．04．004 EW94合金铸锭的热压缩变形力学行为与塑性加工图* (湖南工学院先进制造技术研究所，衡阳421002)李 理 (广州有色金属研究院，广州 510650)周 楠 摘要：对Mg-9Gd-4Y-0．6Zr(EW94)合金铸锭的热压缩变形力学行为与微观组织特征进行研究，在变形温度为 623K～773K、应变速率为0．001s_1～1s1的范围内对材料进行单向压缩测试。得到材料的观变形激活能为 209kJ／mol，在低、高应力状态下的应力指数分别为3．2和5．1。通过绘制塑性加工图确定Ew94合金铸锭的合理工 艺参数范围，即变形温度703K～723K、应变速率0．006s叫～o．03s～，并在此工艺参数范围内成功锻造出薄壁锥管。 关键词：镁合金；表观变形激活能；应力指数；塑性加工图；微观结构 中图分类号：TGl46．2；TGll3文献标识码：A 文章编号：1007—2012(2013)040016—07 Hotcompressiondeformationbehaviorandprocessing parametersofacastMg-Gd_·Y--Zralloy LILi (InstituteofAdvancedManufacturingTechnology，HunanInstituteofTechnology，Hengyang421002China) ZHOUNan (GuangzhouResearchInstituteofNon-ferrousMetals，Guangzhou510650China) Abstract：Hotdeformationbehaviorandprocessingparameters0fthecastMg-9Gd一4Y-0．6Zr(EW94)alloywereinvestigated． Uniaxialcompressiontestswereconductedatthetemperaturesrangingfrom623KtO773Kandstrainratesrangingfrom 0．001s一1tOls 1．Resultsrevealedthattheapparentactivationenergywas209kJ·mol1．andthestressexponentswere3．2 and5．1withinthelowstressregimeandhighstressregime，respectively．Theprocessing—maptechniquewasutilizedtodeter— minethepracticalprocessingwindow．ThereasonableprocessparametersofthecastMg-9Gd一4Y-0．6Zralloyweredeformation temperaturesof703K～723Kandstrainratesof；一0．006s～40．03s．Moreover。theprocessingparameterswereappliedtoi— sothermallyforgingathin-walledconeusedforaprojectileheadshell． Keywords：magnesiumalloy；apparentactivationenergy；stressexponent；plasticprocessingmaps；microstructure 引 言 镁合金具有低密度、高比强度的特点，因此在 航空航天、汽车、电子行业有很大应用前景‘1I。 Gd’及其它稀土元素通过固溶强化和沉淀强化使镁 合金的耐热性能显著提升‘23；过饱和固溶体的分解 *湖南省自然科学基金资助项目(11JJ4033)；湖南省教 育厅优秀青年项目(1213030)。 李理E-mail：lileewin@163．corn 作者简介：李理，男，1977年生，湖南祁阳人，副教 授，工学博士，从事耐热镁合金研究 收稿日期：2013—02—18；修订日期：2013—03—04 能够提供各种沉淀相，其分解的顺序为：过饱和固 溶体一13，7(D019)一p’(以c为基的正方结构)一13 (MgsGd，立方结构)，其中B”、p7为亚稳定相，而13 相为高温稳定相。 与铸态合金相比，塑性变形后的镁合金晶粒得 到细化，表现出良好的力学性能。但室温下镁合金 的滑移系有限，在室温将镁合金加工成零件是比较 困难的[3‘4]。温度升高时，滑移系数量(非基面滑 移)增多，从而使材料的成形性能提高。对EW94 合金挤压棒材和热轧板材的塑性变形的研究表 明[5‘6]，温度的升高会不可避免的带来其他问题，比 如高温氧化、能耗增加、晶粒粗大化等，对电负值 低而扩散系数大的镁合金更是如此。所以，必须根 据变形机制与组织结构来选择合理的工艺参数范围， 万方数据 第4期 李理等：EW94合金铸锭的热压缩变形力学行为与塑性加工图 17 ， 以确保变形后的性能。本文的目的在于对Mg-9Gd- 4Y一0．6Zr(EW94)合金铸件热压缩变形时的力学 行为与塑性加工图进行研究。 1试验 试验材料为EW94合金铸锭。在变形试验前先 将材料在793K温度下进行10h均匀化处理，然后 切成垂10mm×15mm的圆柱体样品。图1所示为毛 坯铸件与均匀化处理后的铸件的金相显微组织。由 图可知，经均匀处理后原来的晶间伪共晶组织消失， 同时晶粒长大至约100ttm。在623K～773K的温度 范围内，利用Gleeblel500D试验机对材料进行单向 压缩测试；应变速率控制在0．001s_1～1s_1的范围 内。为减小摩擦的影响，样品表面喷涂聚四氟乙烯； 将样品加热到设定的温度保温600s后开始压缩变 形，变形后立即对所有的样品进行水淬，以保存变 形后的显微组织。显微组织的观察面沿压缩轴向切 b 图1 毛坯铸态组织及晶界上伪共晶组织的光学显微 结构a)；均匀处理后粗大晶粒的光学显微结构b) Fig．1Opticalmicrographsfora)as-caststatewith residualpseudo-eutecticstructuresongrainboundaries andb)homogenizedstatewithcoarsengrains 取。所有样品分别在粒度为500，800，1200的SiC 砂纸上打磨，用Al。03粉末对样品进行机械抛光， 并用10％的酒石酸溶液浸蚀10s。 2结果与讨论 2．1变形抗力 图2所示为样品在不同压缩变形试验条件下的 真应力一真应变曲线。当Zener-Hollomon参数(Z参 数，表示为式(1))增大时，即变形温度下降或者应变 速率增加时，变形抗力急剧上升。 此外，随着z参数的增大加工硬化的效果也增 大。在变形温度为623K的条件下，当应变速率大 于0．001s-1时，开始出现早期裂纹；从图2d可以 看出，在应变速率为1S～、变形温度为623K的情 况下，应变达到0．25时材料就会出现开裂。这种现 象说明，在623K时应变硬化在塑性变形过程中占 主导地位。同时，变形温度一定时，随着应变速率 的增大，不仅应力峰更明显并且峰值应力也增加。 应力一应变曲线可以大致分为3个阶段。第一阶 段，变形抗力随应变的增大而急剧增大；第二阶段， 当应变达到可以产生动态再结晶或动态回复的临界 值时，出现应力峰值；第三阶段，软化作用趋于明 显，在应变硬化与软化之间达到动态平衡。对于镁 合金材料，其基面滑移的临界分切应力最低，最容 易滑移；当温度升高时，非基面滑移对塑性变形贡 献逐渐增大。对于Mg-9Gd-4Y-O．6Z合金，镁基体 晶面上的沉淀相有效地阻碍了晶面的滑移[3’7]，这 也是在623K时导致材料失效的原因。但是，当温 度达到700K时，位错攀移开始启动，同时粗大沉 淀相对位错运动的阻碍减小，此时变形抗力明显降 低而材料的延性提高。 2．2塑性流动半经验 ；、口、T之间的关系往往因热变形材料的不同 而不同。它们之间的关系常用Z参数与口来表示。 当应力较低时，Z是盯的幂数，表示为式(2)；当 应力较高时，Z是盯指数函数，如式(3)所示。 Sellars和Tegart提出了统一的半经验公式，即Z 是口的双曲正弦函数，即式(4)： z毛xp(品) Z—Al矿’ Z—A2exp(fla) Z—A3[sinh(aa)-]” (1) (2) (3) (4) 万方数据 18 塑性工程学报 第20卷 罡 善 R 翅 越 星 罨 R 越 憾 ￡ 蒌 R 毯 憾 一 室 R 越 蜮 真应变 真应变 d 图2不同压缩变形条件下的应力应变曲线 a)i=0．001s1；b)i=0．Ols—I；c)i=o．1s—I；d)；一ls— Fig．2Truestress-straincurvesforthestudiedalloy undervariouscompressiondeformationconditions 式中Q——表观变形激活‘能／J／mol R——气态常数，R=8．314kJ／tool T——绝对温度／K A。，A。，A。，行7，，2，a，口——材料根据T、 盯所确定的常数 为简化方程，对式(2)～式(4)两边取对数可以 得到： in／=lnAl一蔫+门7In盯(5) ln￡=lnA2一券一胁 (6) In／一lI诅3一券+nln[sinh(aa)](7) 根据相应的半经验公式，图3给出了不同温度下 的应力峰值随应变速率的变化趋势。根据图3a，对 其lno-1越数据进行线性回归，可得行7—3．645， 在不同温度下(623K773K)的LDC(线性相关系 数)分别为0．9519，0．9752，0．9785，0．9807。根 据图3b，对其lm—l越数据进行线性回归分析可得 出口一3．645，其LDC分别为0．9519，0．9752， 0．9785，0．9807。在图3c中，假设a一∥727，根据 ln[sinh(aa)]一l越数据进行线性回归分析可算出起和 A3，其LDC分别为0．9747，0．9769，0．9928， 0．9934，0．9981。因此，对于镁合金，式(4)关于口 的双曲正弦函数关系更能表达；、仃、T之间的关系， 特别是高温下其相应的LDC比较高的时候。这也证 明该热变形实际上是一个热激活过程。 表观变形激活能可以表达为：Q—R(碉盏)T(掣带铲)丁 (8) 其中前面部分代表l毒lnVsinh(era)]的斜率，后 面部分代表ln[sinh(口盯)]一(i／T)的斜率。图4所示 为不同的应变速率下ln[sinh(口叮)]一(1／T)的变化。 ln[sinh(aa)]一(1／T)的LDC全部大于0．98，这也说 明z是关于口的双曲正弦函数比幂函数和指数函数 更适合；从图3c和图4可以计算出Q一209kJ／tool。 将Q代入式(7)，可算出门和A。，因此÷、仃、 T之间的塑性流动半经验公式，可以表达为： ；一1．22×105*[sinh(0．00691*仃)]4‘311* exp(一哿) ㈣ 图5所示为lnZ-ln[sinh(aa)]数据线性处理后的 结果，两条直线的斜率分别为3．2和5．1，也就是 把应力指数数据线性化。于是可以将所有的数据分 万方数据 第4期 李理等：EW94合金铸锭的热压缩变形力学行为与塑性加工图 19 b Ink b 图3在不l司变形条件下根据3种半经验 公式得出的应变速率及对应的应力峰值 a)幂函数；b)指数函数；c)双曲正弦函数 Fig．3Peakstressversusstrainrateatdifferentdeforming temperaturesbasedonthreesemi—empiricalmodels 为两种情况，即高应力状态与低应力状态[8]。分界 点处a一90MPa、lnZ=3．2。应力指数为3．2说明， 位错的滑移与交滑移是蠕变的主要方式；在应力指 数为5．1时表示，位错攀移起主要作用。 2．3显微结构分析 图6所示为在不同变形条件下应变达到0．7时 的金相显微组织。变形后的显微结构对Z参数比较 敏感，这～点类似于AZ或ZK类合金[9]。由图6a可 知，当T--_623K，；=ls-1时，受到可动滑移系数量的 限制，在粗晶中出现孪晶，这是出现早期裂纹的原因。 在Z参数较小的情况下出现了孪晶说明镁合金在变 lOOo，了yK—l 图4不同的应变速率下得出的ln[sinh(aa)]一(1／T)值 Fig．4Thevariationofln[sinh(aa)]一(1／T)at differentstrainrates 图5低、高两种应力状态下的应力指数 Fig．5Thestressexponentsoflowstressregion andhighstressregion 形过程中的变形行为与AZ或AK类合金是有区别 的[10-11]。这可能是因为第二相在高温下比较稳定， 能够阻止位错运动。这种情况下，孪晶的出现可以减 少相界或者晶界处的应力集中。因此，对于耐热合 金，变形过程中孪晶出现后温度往往会升高。 由图6b可知，当T一703K，￡一o．01s-1时，样 品的显微结构沿原始晶界或亚晶界处出现了很多形 变带，形变带沿垂直于压缩的方向延伸。这些形变 带包含了平均尺寸为1灶m的动态再结晶晶粒或亚晶 粒。因为镁合金的各向异性，人们普遍认为它在变 形过程中容易产生形变带[12|。形变带集中了很多的 位错滑移与交滑移，这有利于动态再结晶的产生， 因此，实际上动态再结晶是起源于形变带。 图6c所示为T一773K，÷=0．01s_1时的显微结 构。当变形温度上升时，晶粒大小趋于均匀化且动 态再结晶进行的更充分，图2b也说明了动态再结晶 明显引起了软化。当温度上升到773K时，位错的 滑移与攀移有利于动态再结晶。晶界的增多与亚晶 粒的长大都有利于动态再结晶[1引。 ooooooo加加加却加加加加加d ∞骝靳弘：；}{；；罢号拍孔毖∞≈ ZⅡ_ 万方数据 20 塑性工程学报 第20卷 b 图6镁合金在不同的变形条件下 应变达到0．7时的金相组织 a)T=623K，；=o．1s～，出现孪晶与裂纹 b)T=703K，；=O．01s～，出现形变带 c)丁一773K，÷一0．Ols～，产生动态再结晶 Fig．6Opticalmicrostructureofthestudiedalloydeformed toe=O．7atdifferentdeformingconditions 此时晶界处的迁移速度比T一703K，奎一 0．01s-1时要大，因此晶粒的平均尺寸能达到12／1m。 2．4塑性加工图 塑性加工图是能量耗散率叩随温度和应变速率 变化的等梯度图。塑性加工图建立在材料的动态模 型上。变形过程中，能量耗散通常以微结构形式出 现，在不同的应变速率和温度区域存在着安全和损 坏的机制；动态回复和动态再结晶属于安全机制， 而裂纹扩展过程属于损坏机制。能量耗散率可表 达[14_16]为： 叩一熹 (10) 式中优——应变速度敏感系数 同时，将不可逆热力学中的极值原理应用于连 续介质力学的大塑性变形中，可得到塑性失稳的 判据‘11|： 砥)一型稚掣+m≤o(11) 塑性加工图是将能量耗散图重叠与塑性失稳图 之上。图7所示为不同应变程度(￡一0．1，0．3， 0．5)时的塑性加工图，给出了不同的温度与应变速 1 芒 ．|I{卜 瑙 制 翅 了 望 碍 瑙 制 筐 ● 翟 瓣 瑙 制 堪 温度，I( a 温度／K b 温度／K C 图7在不同变形程度下的塑性加工图 a)e一0．1s一1；b)￡一O．3s1；c)￡一O．5s1 Fig．7Processingmapsatthestrain levelofa)0．1s一1；b)0．3s一1；C)0．5s一1 3 万方数据 第4期 李理等：EW94合金铸锭的热压缩变形力学行为与塑性加工图 21 率范围下的两种主要情况： 1)T=623K～683K，￡一0．35～1s～，能耗达 到极小值13％，e(；)o．55。 从图6的显微组织可知，第一种情况是与变形 中孪晶及裂纹的产生有关；第二种情况是与图6f的 动态再结晶相对应。因此，从图7可以推测出塑性 热加工的范围：T一703K～773K，；一0．006s_1～ 0．03s～。为减小能耗率以及避免局部温度过高而造 成氧化，实际的工艺范围可以确定为T一703K～ 723K，；一O．006s～t0．03s～。 2．5等温锻造薄壁锥管 热压缩的塑性加工图可以应用于锻造薄壁圆锥 件，圆锥件用常规方法很难制造，因为其要求壁薄， 高厚比的比值大，而且整个锥体要求性能均匀。根 据塑性加工图预测的工艺范围可以确定锻造薄壁锥 形件时的锻造温度与锻造速度。由图8可知，当采 用高温中速锻造时，可获得具有良好形状精度与表 面质量的试样；当采用低温高速锻造时，出现了早 期开裂。 a b c 图8锻造成功的锥管试样a)、 铸锭b)及锻造破裂的试样c) Fig．8Successfullyforgedconea)。cast ingotb)andcrackedconec) 3结论 在变形温度为623K～773K、应变速率为 0．001s叫～1s_1的范围，对Mg-9Gd一4Y-0．6Zr合金 铸件在热压缩变形时的变形行为与工艺参数进行了 研究，得出以下结论： 1)表观变形激活能为209kJ／mol，在低、高应 力状态下的应力指数分别为3．2和5．1。双曲正弦 函数更能够表达镁合金加工中；、口、T之间的关 系。 2)通过对合金的研究，发现显微结构对加工条 件比较敏感。温度较低(623K)时在粗晶中出现大量 孪晶，使材料产生早期裂纹；中温(703K)时，沿原 始晶界或亚晶界产生了大量的形变带，在形变带处 开始出现动态再结晶；温度较高(773K)时，晶粒尺 寸趋于均匀，动态再结晶比较充分。 3)根据工艺图可推测出实际可行的工艺范围， 即T一703K～723K，；=O．006s～t0．03s～。 4)EW94合金的热压缩加工工艺图可用于锻造 薄壁圆锥件，且能保证产品的形状精度。 参考文献 潘复生，王敬丰，章宗和等．中国镁工业发展的机遇、挑 战和责任[J]．中国金属通报，2008．(2)：6-14 丁文江，靳丽，吴文祥，董杰．变形镁合金中的织构及其 优化设计fJ-I．中国有色金属学报，2011．21(10)：2371— 2381 XIA0Y，ZHANGX，CHENB，DENGZ．Mechanical propertiesofMg-9Gd-4Y-0．6Zralloy[J]．Transactions oftheNonferrousMetalsSocietyofChina，2006．16 (3)：1169—1172 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[ [ [ [ [ [ 万方数据 22 塑性工程学报 第20卷 alloyatroomtemperature[J]．ScienceinChina，Series E：TechnologicalSciences，2009．52(1)：161—165 F-12] KOIKEJ．Enhanceddeformationmechanismsbyaniso— tropicplasticityinpolycrystallineMgalloysatroom temperature[J]．MetallMaterTransA—PhysMetall MaterSci，2005．36A(7)：1689一1696 [133GAI．IYEVA，KAIBYSHEVR，GOTTSTEING．Cor— relationofplasticdeformationanddynamicrecrystalli— zationinmagnesiumalloyZk60[J2．ActaMater，2001． 49(7)：1199—1207 [14]PRASADYVRK，RAOKP，HORTN，eta1．Opti一 [15] [16] mumparametersandrate-controllingmechanismsfor hotworkingofextrudedMg-3Sn-lCaalloy[J]．Materi— alsScienceandEngineering：A，2009．502(1-2)：25—31 WANGCY，WANGXJ，CHANGH。eta1．Processing mapsforhotworkingofZK60magnesiumalloy[J]． MaterialsScienceandEngineering：A，2007．464(1-2)： 52—58 SIVAKESAVAM0，PRASADYVRK．HOtdeform— ationbehaviourofas—castMg-2Zn-lMnalloyincorn— pression：Astudywithprocessingmap[J]．Materials ScienceandEngineeringA，2003．362(1-2)：118—124 万方数据 EW94合金铸锭的热压缩变形力学行为与塑性加工图 作者： 李理， 周楠， LI Li， ZHOU Nan 作者单位： 李理,LI Li(湖南工学院先进制造技术研究所,衡阳,421002)， 周楠,ZHOU Nan(广州有色金属研究院,广州 ,510650) 刊名： 塑性工程学报 英文刊名： Journal of Plasticity Engineering 年，卷(期)： 2013,20(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sxgcxb201304004.aspx