LZ61镁锂合金热变形行为研究①

2021-09-15刘俊伟戴志东杨振南

矿冶工程 2021年4期

李勇，刘俊伟，苏越，戴志东，杨振南

（南昌航空大学材料科学与工程学院，江西南昌330063）

镁锂合金作为当前最轻质的结构材料，密度为1．35～1．65 g／cm3，低于传统镁合金。镁锂合金不仅具有传统镁合金的高比强度、比刚度等优点，同时还具有良好的电磁屏蔽和阻尼性能以及易切削加工和易回收等诸多优点，故其被广泛应用于航空、航天、汽车、3C等领域［1－4］。但由于镁锂合金存在绝对强度低，高强度下韧性、热稳定性差以及熔炼成本高等不足，极大制约了镁锂合金工业化应用。研究者从热变形加工、冷变形加工、铸造等方面对镁锂合金的性能进行了研究与改善［5－7］。

本文拟对工业用锻态LZ61镁锂合金板材进行热压缩变形，通过分析其热变形行为及微观结构变化规律，为镁锂合金的热变形工艺的制定及变形机制的探究提供参考。

1 实验材料及方法

实验所用材料为锻态LZ61镁锂合金厚板材，化学成分如表1所示。采用数控火花线切割机沿锻造方向将LZ61板材切割成Φ10 mm×12 mm的圆柱状试样，并用砂纸打磨，超声波振荡清洗表面杂质和油脂后吹干备用。在Gleeble－3500热模拟试验机上进行热压缩试验，试验温度为593 K，应变速率分别为0．001 s－1、0．01 s－1、0．1 s－1，最大变形量为60%，升温速率为5 K／s，升温至预设温度后保温5 min，以确保试样整体温度均匀。从热压缩变形后的腰鼓型试样上截取横截面中心部位进行镶嵌、打磨、抛光、腐蚀（采用滴蚀法，腐蚀剂为2 mL硝酸＋1 mL乙酸＋20 mL乙醇），腐蚀时间约为8 s，试样表面金属光泽略微呈暗灰色。

表1 LZ61镁锂合金化学成分（质量分数）／%

通过XJP－6A金相显微镜和Nova Nano SEM450型场发射扫描电镜对试样微观组织进行观察。采用INCA 250 X－Max50型能谱仪对特征区域进行点分析，以确定其不同部分成分含量。

2 实验结果与分析

2．1 真应力-真应变曲线

对压缩实验的负载-位移曲线数据可通过以下公式将其转化成真应力-真应变曲线数据：

式中l为位移，mm；l0为标距，mm；P为负载，kN；A0为横截面积，mm2；ε为工程应变；εT为真应变；σeng为工程应力，MPa；σT为真应力，MPa。

图1为593 K、不同应变速率下热压缩LZ61镁锂合金的真应力-真应变曲线。根据其变化特点可知，该合金的流变应力-应变曲线呈动态再结晶特征，即出现峰值应力或呈稳态流变现象［8－10］。由图1可知，在变形初期，流变应力随应变值增加而快速增加，这是加工硬化导致的；随后动态回复和动态再结晶的软化作用抵消了一部分加工硬化的效果，使得之后的流变应力增速变缓；当软化作用与硬化作用形成动态平衡时，合金变形进入稳态流变阶段。

图1 593 K下LZ61镁锂合金真应力-真应变曲线

表2为在593 K下，不同应变速率所对应的峰值应力。由表2可知，在同一温度下，应变速率越大，其对应的峰值应力也越大。从软化机制考虑，由于应变速率增加，组织没有足够的时间发生软化效应，流变应力也会随之增大［11］。从变形机制考虑，这是因为随着应变速率增加，位错运动速度随之增加，所需对应的剪切应力也随之增加。综上所述，峰值应力随应变率降低而降低，这说明合金材料为正应变速率敏感材料。

表2 593 K下不同应变速率对应的峰值应力

2．2 应变速率敏感指数m计算

将流变应力及应变速率分别取对数绘制593 K温度下的lnσ-ln˙ε曲线图，如图2所示。通常m值是超塑性的重要参数，它表征材料变形时能够抑制颈缩扩展的能力大小，所以将m值定义为流变应力的应变速率敏感指数，标志着材料超塑性能力，其值等于lnσ-ln˙ε曲线斜率的绝对值［12］。应变速率和峰值应力取对数的值列于表3。通过曲线拟合得到其斜率k为0．283，即其应变速率敏感指数m＝0．283。Langdon［13］将合金伸长率在400%以上、应变速率敏感指数0．5以上定义为真超塑性，而伸长率在400%以下应变速率敏感性指数低于0．33称为准超塑性。该合金未达到准超塑性，这是由于变形过程中发生了足够多的动态回复，因为组织超塑性要求等轴化的细晶，然而在动态回复所引起的稳态流变过程中，随着持续应变，晶粒沿变形方向伸长呈纤维状，等轴化被部分破坏。

表3 应变速率和峰值应力取对数的值

图2 593 K下LZ61镁锂合金lnσmax-ln˙ε曲线

2．3 金相组织分析

合金中Li在Mg基体中含量低于5．7%时，合金组织为单一的α-Mg相，结构为hcp结构；当Li含量达到5．7%～10．3%时，合金存在α＋β双相组织，即由α相hcp结构和β相bcc结构组成；当Li含量超过10．3%时，合金则完全由β-Li相组成，即只有bcc结构。LZ61中Li含量约为6．0%，属于具有α＋β双相组织的合金［13］。

LZ61合金热压缩前后的横截面金相组织见图3。由图3可知，合金热压缩前的组织由α-Mg相基体和β-Li相组成且第二相沿着晶界分布，少数第二相弥散分布在晶粒中，可以观察到其晶粒尺寸较为粗大，且晶粒大小不均，呈典型的枝晶状。相较于原始组织，热压缩后的合金组织都由粗大的变形晶粒和细小的再结晶晶粒组成，这是动态回复和动态再结晶共同作用的结果。晶粒由于热压缩过程中产生动态回复而沿变形方向伸长呈纤维状，这也是导致其应变速率敏感指数下降的重要原因。

图3 LZ61原始试样与热压缩后试样横截面金相组织

2．4 扫描电镜与能谱分析

图4为LZ61镁锂合金在593 K、0．001 s－1应变速率下变形后的SEM图像。从图4可以清晰地看到两相：浅色的α相和深色的β相，在晶界处有明显的一段较短的白亮线，此为滑移线，说明在热压缩变形过程中晶界滑移起主导作用。在扫描电镜图像中还可以看到细小的白亮晶粒，这是动态再结晶细化晶粒的结果。

图4 LZ61镁锂合金在0．001 s－1应变速率下变形后的SEM图像

图5 为热压缩温度593 K、应变速率0．001 s－1时LZ61合金中α相和β相处EDS点扫描成分分析图，其对应的元素含量如表4所示。由表4可知，α相处成分全为Mg，不含Li和Zn等其他成分；β相处Mg含量占绝大多数，此外还有少量Zn存在，这说明β相区域内有Mg-Zn相存在，这是由于热压缩变形时Zn会在β相区域内聚集形成Mg-Zn相，使该处Zn含量提高。在两相位置处均未发现Li元素的存在，这是因为其质量很轻，在能谱分析过程中无法被检测出来。