Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金等温压缩变形行为

安 迪 闫亮明 石 阁 王 昕 杨玉坤 王会廷

(1.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特 010051；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243036)

Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金等温压缩变形行为

安 迪1闫亮明1石 阁1王 昕1杨玉坤1王会廷2

(1.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特 010051；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243036)

在温度523～723 K和应变速率0.001～1 s-1范围内，利用Geeble-1500热模拟试验机，对均匀化态的Mg-5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金进行等温压缩试验，并获得了应力应变曲线。研究了变形工艺参数对该合金流变应力的影响规律，计算了热变形激活能，建立了本构模型。结果表明，Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在变形过程中真应力随变形温度的升高而降低，随应变速率升高而升高，该合金的流变应力曲线可以用双曲正弦函数来描述。并求得该合金的热变形激活能为181.902 6 kJ/mol。

Mg- Zn- Zr合金 热压缩 流变应力 本构模型

镁合金作为轻质结构材料，有希望广泛应用于航空航天、汽车、高速列车等领域。然而，由于其成形性较差，极大地限制了变形镁合金在工业中的应用[1- 2]。目前，镁合金制品主要采用铸造方式加工，只有有限的变形镁合金获得应用[2- 3]。近些年，Mg- Zn- Zr系合金作为高强度变形镁合金快速发展，Y被添加到镁合金中，可改善共晶温度，形成稳定的第二相，实现固溶和时效强化[4]。研究发现Y和Nd同时加入Mg- Zn- Zr合金，能使合金铸态晶粒细化，其形成的稀土相可细化变形后的晶粒，进而提高室温强度，但合金变形困难，在热变形过程中容易出现开裂问题[5- 7]。众所周知，热变形对生产出满意的产品至关重要，然而目前对Mg- Zn- Zr- Y- Nd合金热变形规律的研究报道甚少。因此研究准确的本构模型对合金实际热加工过程中工艺的制定、优化，加工设备的选择，提高产品质量有着非常重要的意义。

本文采用热模拟研究Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同变形工艺参数下的等温恒应变速率的热压缩变形过程，分析和讨论了其热变形行为，并建立了本构模型。

1 试验材料与方法

试验材料采用Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd(质量分数，%)合金。铸锭经500 ℃×16 h均匀化处理后加工成为φ10 mm×15 mm小圆柱体。试样在Gleeble- 1500热模拟机上进行等温压缩试验，变形温度为523、573、623、673、723 K，应变速率为0.001、0.01、0.1、1 s-1，总压缩应变量为0.7(真应变)，热压缩前在试样两端粘贴石墨片以降低摩擦。以5 K/s的加热速率，将试样加热到一定温度后，保温3 min，使整个试样受热均匀，然后进行等温热压缩试验。为了防止试样发生氧化，压缩过程中采用氩气保护，当等温压缩到设定的应变值后，立即水淬。

2 试验结果与分析

2.1 真应力- 真应变曲线

图1为Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同温度和应变速率热压缩条件下的真应力- 真应变曲线。从图中曲线形状可以看出，试验合金的真应力- 真应变曲线具有典型的动态再结晶特征，在试验应变范围内，应力- 应变曲线可以分为4个阶段：加工硬化阶段(阶段I)，过渡阶段(阶段II)，软化阶段(阶段III)和稳态流变阶段(阶段IV)。另外，在温度较高和应变速率较低时，合金很快发生再结晶，过渡阶段很不明显，甚至消失了；变形速率越大，变形温度越低，则流变应力- 应变曲线的稳态阶段越少[8- 9]。

从图1中可以看出， 试验合金在应变速率一定时，流变应力随温度的升高而降低;在变形速率较小，变形温度较高条件下，流变应力- 应变曲线的峰值消失，基本上呈稳态阶段；在变形温度一定时，流变应力随应变速率的增大而升高，如在623 K变形时，变形速率从0.001 s-1增加到1 s-1时，合金的峰值应力由38.525 MPa增大到118.46 MPa，这说明试验合金在该试验条件下是一种正变形速率敏感材料。

图1 Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在不同应变速率下的真应力- 真应变曲线

2.2 本构方程的建立

(1)

式中:Q为变形激活能，R为气体常数(8.314 J·mol-1·K-1)，T为绝对温度(K)，A为材料常数，σ为流变应力。应力函数f(σ)在不同应力水平下有三种表达方式：

f(σ)=σn1

(2)

f(σ)=exp(βσ)

(3)

f(σ)=[sinh(ασ)]n

(4)

式中:α、 β和n1(α=β/n1)为材料常数。对不同金属材料热加工数据的研究表明，低应力状态和高应力状态下流变应力和应变速率关系分别可用幂指数关系(2)式和指数关系(3)式进行描述，(4)式基本能适用于描述整个应力水平范围的热变形过程。在低应力和高应力水平下，分别将式(2)和式(3)代入式(1)，并对两边取对数可得：

(5)

(6)

(7)

式中:σ为流变应力；R为摩尔气体常数；A、α和n均为与材料状态有关的常数；Q为热变形激活能，反映材料热变形的难易程度，其大小取决于材料的组织状态。式中ασ为应力水平因子，它是一个附加可调节常数修正值，在绘制不同温度下关系曲线时使之保持平行。

金属和合金热加工变形时，变形速率受到热激活控制。变形温度和变形速率对变形的影响由Zenner和Hollomon通过引入参数Z来描述，Z参数可以称为“温度补偿速率因子”，它包含热加工过程中的变形速率和变形温度两个控制变量,即：

(8)

对式(8)求偏微分可得变形激活能Q的计算式为：

(9)

对式(8)两边取对数还可得到：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(10)

根据式(10)，对lnZ-ln[sinh(ασ)]数据进行线性回归(如图3)，即可得到n=4.532 2，A=1.819 3×1013s-1。

将求的A、n、α和Q等材料常数值代入式(7)，得到Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金热压缩变形时的流变应力方程：

(11)

由式(8)可得：

(12)

根据双曲函数的定义可以得到：

sinh-1(ασ)=ln{(ασ)+[(ασ)2+1]1/2}

(13)

于是可以得到：

(14)

图2 热压缩变形时流变应力和温度与应变速率间的关系

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

图3 合金热变形时ln[sinh(ασp)]与lnZ的参数关系

由此，式(14)也就可以表示为：

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

(15)

(16)

根据式(15)、式(16)和相关的变形温度和变形速率就可以求出对应的峰值应力。

3 结论

(1)Mg- 5.9Zn- 1.6Zr- 0.9Y- 1.6Nd合金在应变速率一定时，流变应力随温度的升高而降低；在变形温度一定时，流变应力随应变速率的增大而升高，此镁合金在该试验条件下是一种正变形速率敏感材料。

[1] BIAN M Z, TRIPATHI A, YU H, et al. Effect of aluminum content on the texture and mechanical behavior of Mg-1wt% Mn wrought magnesium alloys [J]. Materials Science and Engineering: A, 2015,639(15): 320- 326.

[2] YANG Z, LI J P, ZHANG J X, et al. Review on research and development of magnesium alloys [J] . Acta Metallurgica Sinica, 2008, 21(5): 313- 328.

[3] JUNG K H, KIM Y B, LEE G A, et al. Effects of fabrication methods on deformability and microstructure of Mg-Zn-Zr wrought alloy [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(s1): 68- 74.

[4] LIU Z, ZHANG S B, MAO P L, et al. Effects of Y on hot tearing susceptibility of Mg- Zn- Y- Zr alloys [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014,24(4): 907- 914.

[5] LI Q, WANG Q D, WANG Y X, et al. Effect of Nd and Y addition on microstructure and mechanical properties of as- cast Mg- Zn- Zr alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2007，427(1- 2): 115- 123.

[6] 王斌，易丹青，周玲伶，等. 稀土元素Y 和Nd 对Mg- Zn- Zr 系合金组织和性能的影响[J].金属热处理,2005 ,30 (7):9- 13.

[7] AI W J, FANG G, ZHOU J, et al. Effect of twinning on the deformation behavior of an extruded Mg- Zn- Zr alloy during hot compression testing [J]. Materials Science and Engineering A, 2012, 556(11):373- 381.

[8] 游国强，左旭东，谭霞，等. 压铸态AZ91D镁合金热压缩变形流变应力研究[J]. 稀有金属材料与工程,2013,42(9):1844- 1848.

[9] LV B J, PENG J, WANG Y J, et al. Dynamic recrystallization behavior and hot workability of Mg- 2.0Zn- 0.3Zr- 0.9Y alloy by using hot compression test [J]. Materials & Design, 2014, 53(1): 357- 365.

[10] XU Y, HU L X, DENG T Q, et al. Hot deformation behavior and processing map of as- cast AZ61 magnesium alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2013, 559(3): 528- 537.

[11] 赵海平,徐松乾. 热交换器用C- HRA- 1合金的热加工特性研究[J].上海金属,2015,37(3):1- 6.

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

内蒙古工业大学科学研究重点项目 (No.ZD201111)，国家自然科学基金(No.51275003)

石阁，男，主要研究方向为有色金属制备及加工

闫亮明，男，博士，副教授，主要研究方向为有色金属制备及加工，Email：yanliangming@126.com