陳寶東郭 鋒溫 靜,2馬 文蔡會(huì)生

(1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

(2 內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

Mg-Zn-Zr-Y稀土鎂合金的高溫本構(gòu)模型

陳寶東1郭 鋒1溫 靜1,2馬 文1蔡會(huì)生1

(1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

(2 內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

在變形溫度為573～723K、應(yīng)變速率為0.001～1s-1的條件下，對(duì)Mg-Zn-Zr-Y稀土鎂合金進(jìn)行了高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了該稀土鎂合金高溫塑性變形過(guò)程中的流變行為和本構(gòu)模型。研究表明，流變應(yīng)力隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增大而增大；利用雙曲正弦方程，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了合金熱變形表觀激活能（Q）、應(yīng)力指數(shù)（n）和結(jié)構(gòu)因子（A）等材料參數(shù)，建立了揭示該合金高溫塑性變形過(guò)程中變形溫度、應(yīng)變速率和流變應(yīng)力三者關(guān)系的本構(gòu)模型；結(jié)果還顯示，稀土Y的添加對(duì)合金的流變行為和本構(gòu)模型均產(chǎn)生了較大影響。

Mg-Zn-Zr-Y鎂合金；稀土Y；塑性變形；本構(gòu)模型

1.引言

Mg-Zn-Zr系鎂合金是新型高強(qiáng)度變形鎂合金的典型代表[1-2]，其擁有比重輕、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好、阻尼減振和電磁屏蔽效果好和易回收等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、電子、航空、航天和國(guó)防軍事等領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用價(jià)值[3]。但該系列合金仍面臨著塑性變形能力差、高溫變形不穩(wěn)定等基礎(chǔ)性難題問(wèn)題，為開(kāi)發(fā)兼具良好塑性和較高強(qiáng)度的鎂合金，人們通常通過(guò)添加稀土元素和優(yōu)化加工工藝來(lái)改善，最近幾年國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)添加稀土釔（Y）的Mg-Zn-Zr-Y鎂合金展開(kāi)了大量研究工作[4-5]。其中，鎂合金高溫塑性變形過(guò)程中的流變行為是微觀組織演變的宏觀反映，可采用本構(gòu)模型[6]具體描述變形溫度、應(yīng)變速率和流變應(yīng)力三者間的變化關(guān)系，是一種常被用來(lái)研究材料塑性變形的有效方法，可在簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程、預(yù)測(cè)流變行為和優(yōu)化工藝中得到應(yīng)用。然而，稀土Y添加對(duì)該系列合金高溫變形性能的影響及作用機(jī)理尚不十分清楚，高溫變形條件下的變形機(jī)制還不明確。因此，建立精確的本構(gòu)模型，尤其是高變形溫度下模型對(duì)鎂合金塑性變形的研究和實(shí)踐具有極其重要的意義。

本文利用Gleeble1500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)，在變形溫度為573～723K、應(yīng)變速率為0.001～1s-1的條件下，對(duì)稀土Y添加量為1.0wt％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Mg-Zn-Zr-Y鎂合金進(jìn)行了高溫壓縮變形實(shí)驗(yàn)， 分析了高溫變形條件對(duì)合金流變行為的影響，利用Arrhenius雙曲正弦方程求解得到了該稀土鎂合金的表觀激活能、應(yīng)力水平參數(shù)、應(yīng)力指數(shù)和結(jié)構(gòu)因子等材料參數(shù)，建立了基于高溫變形條件下的本構(gòu)模型，并與未添加稀土Y的Mg-Zn-Zr鎂合金進(jìn)行了對(duì)比分析，為Mg-Zn-Zr-Y系列鎂合金塑性變形研究和熱加工工藝制定提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)稀土鎂合金設(shè)計(jì)的成分為Mg-3.0Zn-0.5Zr-1.0Y（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt％）。采用Mg-Zn-Zr鑄造鎂合金和鎂-釔（Mg-30wt％Y）中間合金在坩堝電阻爐中熔煉，為防止熔煉過(guò)程中合金氧化，持續(xù)向電阻爐內(nèi)通氬氣保護(hù)。熔煉溫度選為740℃，待合金熔化后，向熔液中通入氬氣除氣精煉、澆筑成型、空冷。鑄錠經(jīng)美國(guó)PE公司7000DV型ICP-OES光譜儀測(cè)得合金中主要元素實(shí)際含量為2.91Zn-0.62Zr-1.09Y，Mg余量（基本滿足設(shè)計(jì)成分要求，可進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)）。于鑄錠上取小塊合金并加工成Φ10mm×15mm規(guī)格的高溫壓縮試樣，經(jīng)隔絕空氣673K溫度下保溫10h均勻化退火處理，隨后在Gleeble-1500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上經(jīng)變形溫度為573、623、673和723K，應(yīng)變速率為0.001、0.01、0.1和1s-1條件下的單軸高溫壓縮測(cè)試，壓縮試樣的升溫速率為10K/s，保溫時(shí)間180s，軸向壓縮總變形量位60％。

3.結(jié)果與分析

3.1 流變應(yīng)力

利用高溫壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了該稀土鎂合金合金的流變曲線（如圖1所示）。在高溫變形條件下，合金流變曲線的變化規(guī)律整體上趨于相近，隨著應(yīng)變的不斷增大，流變應(yīng)力的變化包括急劇增大和逐漸趨于穩(wěn)態(tài)兩個(gè)階段。通過(guò)與文獻(xiàn)[7]中Mg-Zn-Zr鎂合金研究結(jié)果對(duì)比可知，稀土Y添加未對(duì)流變曲線的特征產(chǎn)生明顯影響，而對(duì)流變應(yīng)力的影響較大，而在同一變形條件下，Mg-Zn-Zr-Y合金的流變應(yīng)力水平和峰值應(yīng)力明顯高于Mg-Zn-Zr合金，各變形條件下平均增幅范圍為30％～60％左右，表明稀土Y提高了合金塑性變形時(shí)的抗力。同時(shí)Mg-Zn-Zr-Y鎂合金塑性變形的流變應(yīng)力受高溫變形條件影響較大，在恒定變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增大；在同一應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的降低而增大，表明該鎂合金在高溫壓縮過(guò)程中具有顯著的溫度和應(yīng)變速率敏感性。根據(jù)圖中描述，合金流變應(yīng)力在應(yīng)變（ ）為0.3附近時(shí)均已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段，故取 =0.3時(shí)的流變應(yīng)力值作為建立本構(gòu)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 Mg-Zn-Zr-Y鎂合金不同應(yīng)變速率下的高溫流變曲線Fig. 1 The flow curves of the Mg-Zn-Zr-Y alloy under different strain rates(a) 0.001s-1, (b) 0.01s-1, (c) 0.1s-1 and (d)1s-1

3.2 高溫本構(gòu)模型

鎂合金由于具有較高的溫度和應(yīng)變速率敏感性，因而塑性變形機(jī)制極為復(fù)雜和不穩(wěn)定性。一般可通過(guò)建立本構(gòu)模型的方法，來(lái)定量描述一定變形溫度、應(yīng)變速率范圍內(nèi)的塑性過(guò)程中的流變行為。流變應(yīng)力與高溫變形參數(shù)之間的本構(gòu)模型，可采用低應(yīng)力狀態(tài)下的冪函數(shù)、高應(yīng)力狀態(tài)下的指數(shù)函數(shù)和適合所有應(yīng)力狀態(tài)的雙曲正弦函數(shù)來(lái)分別描述[8]，表達(dá)式如下：

上述表達(dá)式中，ε˙為應(yīng)變速率（S-1），T為塑性變形時(shí)的絕對(duì)溫度（K），σ為給定應(yīng)變下的流變應(yīng)力（Mpa），R為摩爾氣體常數(shù)（8.315J·mol-1K-1），Q為表觀變形激活能（J·mol-1），A1、A2、A3、n′、β、α和n均為與合金狀態(tài)有關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)，其中α=β/n′。而ε˙和T對(duì)σ的影響可通過(guò)方程（4）中的Z參數(shù)[9]來(lái)恒量，

在給定的應(yīng)變速率下， Q可表示為，

合并式（3）和式（4），整理得到，

式（6）為描述流變應(yīng)力與變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變的三者關(guān)系的本構(gòu)模型。根據(jù)高溫壓縮模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，接下來(lái)分別作lnσ與lnε˙、σ與lnε˙和ln[sinh(ασ)]和lnε˙的關(guān)系曲線，如圖2(a)、(b)和(c)所示，采用最小二乘法線性擬合可求解的參數(shù)n′、β和n，進(jìn)而確定出參數(shù)α，詳見(jiàn)表1所示。

圖2 三種函數(shù)各變形溫度下流變應(yīng)力與應(yīng)變速率的變化關(guān)系Fig. 2 Flow stress versus strain rate at different deforming temperatures based on three equations: (a) power function; (b) exponential function; (c) hyperbolic function.

表1 Mg-Zn-Zr-Y鎂合金的材料參數(shù)Tab. 1 Fitting material constants of the Mg-Zn-Zr-Y alloy

由式(5)可知，ln[sinh(ασ)]與(T-1)及l(fā)nZ與ln[sinh(ασ)]之間存在線性變化關(guān)系，繪制的關(guān)系曲線如圖3所示，線性回歸后可得到參數(shù)m和結(jié)構(gòu)因子A，如表2所示。結(jié)合ln[sinh(ασ)]-lnε˙關(guān)系確定出應(yīng)力指數(shù)n（詳見(jiàn)表1），進(jìn)而可以求出實(shí)驗(yàn)鎂合金各塑性變形條件下的表觀變形激活能Q的平均值，如表2所示。

圖3 Mg-Zn-Zr-Y鎂合金ln[sinh(ασ)]與(T-1)及l(fā)nZ與ln[sinh(ασ)]的關(guān)系Fig.3 Relationships between ln[sinh(ασ)] and (T-1) at strain rates (a)，between lnZ and ln[sinh(ασ)](b).

表2 Mg-Zn-Zr-Y鎂合金不同變形條件下的m和A值Tab.2 Values of the m and A for the Mg-Zn-Zr-Y alloy at different deformation conditions

以上結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)合金化學(xué)成分確定時(shí)，合金的本構(gòu)參數(shù)n′、β、a、n及表觀變形激活能Q與外在的熱變形條件存在一定相關(guān)性，均隨著變形溫度的升高或應(yīng)變速率的增大呈現(xiàn)明顯的線性變化趨勢(shì)。結(jié)果還顯示，本構(gòu)模型各材料參數(shù)因稀土Y的添加均發(fā)生了較明顯變化，雖受熱變形條件影響，但最終由內(nèi)在的化學(xué)成分所決定。例如，添加稀土Y后，各變形狀態(tài)下表觀變形激活能Q的平均值為164.362KJ·mol-1，較未添加稀土Y的Mg-Zn-Zr鎂合金[7]（148.977KJ·mol-1）增大10.3％，增幅非常顯著。將各材料參數(shù)代入本構(gòu)模型，因此，在變形溫度為573～723K、應(yīng)變速率為0.001～1s-1范圍內(nèi)，Mg-Zn-Zr-Y稀土鎂合金塑性變形時(shí)的高溫本構(gòu)模型表達(dá)式如下：

通過(guò)求解合金的材料參數(shù)及建立本構(gòu)模型，并以量化的形式具體描繪了Mg-Zn-Zr-Y稀土鎂合金高溫塑性變形行為的影響。認(rèn)識(shí)到本構(gòu)模型受熱變形條件影響較小，而受稀土Y的影響較大。稀土Y導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力、應(yīng)力指數(shù)（n）和表觀變形激活能（Q）等強(qiáng)度指標(biāo)增大，從而提高了Mg-Zn-Zr-Y稀土鎂合金高溫塑性變形時(shí)的抗力。上述現(xiàn)象主要?dú)w咎于Y與Mg基體形成較高熱穩(wěn)定性的第二相釘扎作用[10]及稀土原子發(fā)揮的溶質(zhì)拖拽效應(yīng)[11]，受界面遷移控制更易于促使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核[12]，且有效阻止了變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，稀土Y在Mg-Zn-Zr-Y鎂合金高溫塑性變形過(guò)程中發(fā)揮了積極作用。

4.結(jié)論

在變形溫度為573～723K、應(yīng)變速率為0.001～1s-1條件下，對(duì)Mg-Zn-Zr-Y稀土鎂合金進(jìn)行了高溫壓縮模擬實(shí)驗(yàn)，流變應(yīng)力隨著變形溫度的降低或應(yīng)變速率的增大而增大，各本構(gòu)參數(shù)同熱變形條件存在一定相關(guān)性。添加稀土Y后，相同變形條件下合金的流變應(yīng)力顯著提高，應(yīng)力指數(shù)（n）和表觀變形激活能（Q）等強(qiáng)度指標(biāo)增幅明顯，表明稀土Y提高了合金高溫塑性變形時(shí)的抗力?；陔p曲正弦函數(shù)，建立了Mg-Zn-Zr-Y稀土鎂合金高溫壓縮變形時(shí)的本構(gòu)模型，定量描述了流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和變形溫度三者之間的關(guān)系，為鎂合金塑性變形研究提供了依據(jù)和參考。

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Constitutive Model of Hot Plastic Deformation of Mg-Zn-Zr-Y Magnesium Alloy

CHEN Bao-dong1,GUO Feng1,WEN Jing1,MA Wen21,CAI Hui-sheng1.
(1. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China; 2. Inner Mongolia Chemical Engineering Professional College, Hohhot 010010, China)

In order to improve the understanding of the effect mechanism of rare earth yttrium (Y) element on the plastic deformation of Mg-Zn-Zr-Y magnesium alloy, and to use it more effectively, carried out a series of hot compressive tests of specimens were performed in the deformation temperature range of 573～723 K, and the strain rate range of 0.001～1 s-1, and the constitutive relationship in different deformation conditions are investigated. The results of the true flow curves show that the flow stress increases with the increasing strain rate and decreasing deformation temperature. A hot constitutive flow model, based on the Arrhenius-type equation, was employed for studying the deformation behavior and relationships between the deformation temperature, strain rate, and flow stress. The deformation activation energy (Q), stress level stress exponent (n), and structure factor (A) with strain were obtained using the hyperbolic-sine mathematics model, and the hot deformation constitutive model was established of Mg-Zn-Zr-Y magnesium alloy. The results showed that Y has significant impact the flow behavior and constitutive model of the alloy. All these may be important guiding significance to the research and development of magnesium alloy proximate matter.

Mg-Zn-Zr-Y magnesium alloy; Rare-earth yttrium; Plastic deformation; Constitutive model

TG146.4

A

1009-5624-（2016）02-0071-04