吳 穎， 曾 強(qiáng)， 胡光山， 溫 彤

(1. 四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院， 達(dá)州 635000； 2. 眾泰汽車工程研究院， 杭州 310018；3. 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400044)

1 引 言

鎂合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、電磁屏蔽性好和可完全回收等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”，在武器裝備、汽車交通、電子通訊以及航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]. Sn元素可細(xì)化鎂合金晶粒，提高合金的延展性，降低熱加工過程中的熱裂傾向[4]. Sn與Mg形成的Mg2Sn共晶相，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，能顯著提高合金室溫和高溫性能[5]. Mg-Sn系合金中的Sn含量一般不會(huì)超過5 wt.%，否則會(huì)顯著粗化Mg2Sn相[6-7]. 但Mg-Sn的凝固區(qū)間較小，凝固過程中易形成縮孔和疏松等缺陷，一般采用合金化來改善組織，提高合金的綜合性能[8-10].

Ce元素可減輕Mg-Sn的開裂傾向，提高致密度，形成多種合金相[11]. Selma等研究發(fā)現(xiàn)Ce元素可細(xì)化Mg-Sn合金組織，改善其耐腐蝕性能[12]；Kim等研究發(fā)現(xiàn)Ce3Sn5相可促進(jìn)Mg-Sn-Zn-Al合金擠壓過程的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[12-13]. 但目前關(guān)于Mg-Sn-Ce合金熱加工過程中的變形特征研究較少. 本文以Mg-4Sn-xCe(x=0.5, 1.0 wt.%)合金為研究對(duì)象，對(duì)其顯微組織以及不同熱壓縮條件下的組織演變和變形特征進(jìn)行研究，建立本構(gòu)方程，為開發(fā)Mg-Sn-Ce變形鎂合金提供理論依據(jù).

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為工業(yè)純鎂、純錫和30.1%的鎂鈰中間合金，通過真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行冶煉，澆鑄成兩種不同Ce含量的鑄錠，其化學(xué)成分如表1.

表1 Mg-4Sn-xCe(x=0.5, 1)合金的化學(xué)成分(wt.%)

將鑄錠除去表面的氧化層，均勻加工為Φ80 mm×(150～200) mm 的鑄錠. 對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，均勻化工藝為470 ℃/12 h. 在經(jīng)過均勻化處理鑄錠的中間部位選取長(zhǎng)度為15 mm試塊，將試塊的中間部位加工為Φ10 mm×12 mm的圓柱，在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上完成熱壓縮實(shí)驗(yàn). 熱壓縮的變形溫度分別為250、300、350、400和450 ℃，應(yīng)變速率分別為0.001、0.01、0.1和1.0 s-1，最大變形量為0.9. 熱壓縮后的試樣沿縱截面切開，進(jìn)行顯微組織觀察.

金相組織觀察(OM)采用LEXT 2000激光顯微鏡，電子顯微形貌觀察(SEM)和X射線能量色散譜儀(EDS)測(cè)試采用的是ESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡，物相分析(XRD)采用的是D/MAX-2500PC 型 X 射線衍射儀.

3 結(jié)果及分析

3.1 鑄態(tài)組織

圖1為Mg-4Sn-xCe合金的XRD圖譜以及顯微組織分析. 由圖1a可知，Mg-4Sn-0.5Ce和Mg-4Sn-1Ce合金的相組成主要為α-Mg、Mg2Sn、Ce4Sn5和MgSnCe，未形成(MgCe)相，這與Selma 等研究結(jié)果相一致[12]. 化合物形成焓表征不同元素原子之間的親和力，形成焓越高，則原子之間的親和力越強(qiáng)，化合物越易形成[14]. 在計(jì)算合金化合物形成焓的各種模型中，目前應(yīng)用較廣泛的是Miedema模型及其外推模型[15-16]. 基于Miedema模型計(jì)算可知，Mg-Sn和Mg-Ce系化合物的形成焓低于-15 kJ/mol，Ce-Sn系化合物的形成焓為-80～-100 kJ/mol；基于Miedema外推模型計(jì)算可知，MgSnCe化合物的形成焓為-50.3 kJ/mol. 由此可知，MgSnCe和Ce4Sn5相的形成焓遠(yuǎn)小于Mg2Sn和(MgCe)相，因此在凝固過程中優(yōu)先形成，消耗Ce元素，從而抑制(MgCe)相的形成.

圖1 Mg-4Sn-xCe合金的相組成、顯微組織及對(duì)應(yīng)能譜分析結(jié)果: (a) Mg-4Sn-xCe合金鑄態(tài)XRD圖譜; (b)和(c) Mg-4Sn-1Ce鑄態(tài)SEM組織; (d) 固溶態(tài)SEM組織

表2 圖1(c)的說明

圖1b和1c為Mg-4Sn-1Ce合金鑄態(tài)SEM組織，其中圖1c為圖1b中的局部方法放大圖. 從圖中可以看出，合金鑄態(tài)組織呈現(xiàn)“島”狀，各“島”主要由顆粒狀、長(zhǎng)棒狀以及層片狀化合物組成. 從圖1c選擇三種形態(tài)進(jìn)行EDS分析，結(jié)果表明顆粒狀化合物(1點(diǎn))主要為Ce4Sn5相，長(zhǎng)棒狀化合物(2點(diǎn))和層片狀化合物(3點(diǎn))主要為MgSnCe相. 對(duì)比圖1b和1d看出，經(jīng)過470 ℃/12 h固溶處理，合金組織并未發(fā)生明顯變化. 這是因?yàn)楹辖鸬牡诙郙g2Sn、Ce4Sn5和MgSnCe具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，在470 ℃未發(fā)生分解溶入基體，因此Mg-Sn-Ce合金不可通過熱處理達(dá)到時(shí)效強(qiáng)化效果.

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

鑄態(tài)Mg-4Sn-1Ce合金在不同熱壓縮條件下的流變應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示. 從圖中可以看出，應(yīng)力應(yīng)變曲線主要分為三個(gè)階段，即應(yīng)力快速增加階段、軟化階段和穩(wěn)定階段. 在應(yīng)力快速增加階段，合金產(chǎn)生顯著的加工硬化，加工硬化對(duì)合金流變應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于熱軟化的影響，應(yīng)力隨著應(yīng)變量的增加迅速增加，直至達(dá)到峰值. 隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，應(yīng)力達(dá)到峰值后開始緩慢下降，此階段為軟化階段. 在軟化階段，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用大于加工硬化的作用，因此應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加開始下降. 在穩(wěn)定階段，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用與加工硬化作用形成動(dòng)態(tài)平衡. 應(yīng)變量進(jìn)一步增加，應(yīng)力達(dá)到某一穩(wěn)定值，形成穩(wěn)定階段. 由圖2還可以看出，當(dāng)變形溫度升高，合金達(dá)到穩(wěn)定階段的變形量降低. 這是由于溫度增加，原子熱激活作用增強(qiáng)，鎂合金中的非基面滑移和晶界滑移更易啟動(dòng)，動(dòng)態(tài)軟化作用更加顯著. 已知研究表明，Zener-Hollomon參數(shù)(簡(jiǎn)稱Z參數(shù))越大，變形溫度較低或變形速率較高時(shí)，合計(jì)流變應(yīng)力的峰值越大[17]. 在相同的應(yīng)變速率下，峰值應(yīng)力隨著變形溫度的增加而降低. 由圖2a可知，當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s-1，合金的變形溫度由250 ℃增加到400 ℃，合金的峰值應(yīng)力由68.1 MPa降低至18.3 MPa. 當(dāng)合金的變形溫度不變，應(yīng)變速率增加，如在400 ℃，應(yīng)變速率由0.001 s-1增加至1 s-1，合金的峰值應(yīng)力由23.4 MPa增加至65.9 MPa.

圖2 Mg-4Sn-1Ce合金不同熱壓縮條件下的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線: (a) 0.001 s-1; (b) 0.01 s-1; (c) 0.1 s-1; (d) 1.0 s-1

3.3 本構(gòu)方程

(1)

如圖3a和3b所示，本實(shí)驗(yàn)擬合計(jì)算得到β和n1分別為0.18和9.14，則α為0.019. 對(duì)式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，并假定Q為定值，與溫度無關(guān)：

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)式(4)和(5)，可推出熱變形激活能Q的表達(dá)式為：

(6)

圖3 Mg-4Sn-1Ce合金流變應(yīng)力、應(yīng)變速率以及變形溫度間的曲線:

從圖3c和3d計(jì)算得到的n=5.60，m=3.48. 將R、m和n值帶入方程(6)即可得到實(shí)驗(yàn)合金的熱激活能Q=162.03 kJ/mol.

Z參數(shù)綜合了變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)熱加工過程的影響，表示為：

(7)

將方程(7)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得：

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(8)

圖4 Mg-4Sn-1Ce合金lnsinh(ασ)與lnZ的參數(shù)關(guān)系

圖4為實(shí)驗(yàn)合金lnsinh(ασ)與lnZ的參數(shù)關(guān)，經(jīng)回歸處理可得到A的值為1.3×1012. 將上述得到的參數(shù)帶入方程(1)得到實(shí)驗(yàn)合金的熱壓縮流變應(yīng)力本構(gòu)方程為：

exp[-162030/(RT)].

實(shí)驗(yàn)合金本構(gòu)方程的獲得可為合金實(shí)際熱加工工藝的開發(fā)提供指導(dǎo)，為開發(fā)新型高強(qiáng)度變形鎂合金材料提供一定的理論支撐.

圖5 Mg-4Sn-1Ce合金在不同溫度壓縮后的顯微組織

3.4 組織演變

圖5為Mg-4Sn-1Ce合金在應(yīng)變速率為0.001 s-1，不同溫度熱壓縮后的顯微組織. 在確定的應(yīng)變速率下，合金的顯微組織隨著壓縮溫度的上升發(fā)生顯著變化. 當(dāng)壓縮溫度在350 ℃以下，合金中的晶粒被擠壓成扁平狀. 固溶過程中未溶解的Mg2Sn、Ce4Sn5和MgSnCe相被擠壓變形，形成擠壓流線. 隨著壓縮溫度由250 ℃上升到300 ℃，合金中擠壓流線密度降低，主要組織仍為變形組織. 結(jié)合圖2a可知，合金此時(shí)發(fā)生了較明顯的加工硬化，峰值應(yīng)力較高. 當(dāng)壓縮溫度為350 ℃，發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，擠壓流線的數(shù)量明顯減少，合金為再結(jié)晶晶粒和變形晶粒的混合組織. 當(dāng)壓縮溫度上升到350 ℃以上，合金中存在少量變形組織，主要為再結(jié)晶組織. 在450 ℃進(jìn)行壓縮，合金完成了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，主要由新生的等軸晶粒組成，在壓縮過程中無明顯的加工硬化，流變應(yīng)力低于20 MPa.

4 結(jié) 論

(1)Mg-4Sn-1Ce合金的鑄造組織由呈“島”狀的α-Mg、Mg2Sn、Ce4Sn5和MgSnCe相組成. Ce4Sn5和MgSnCe相在凝固過程中優(yōu)先形成，消耗Ce元素，抑制其他含Ce相的形成.

(3)隨著熱壓縮溫度由250 ℃升高到450 ℃，Mg-4Sn-1Ce合金的顯微組織演變?yōu)椋?扁平狀晶粒+擠壓流線)→(再結(jié)晶組織+扁平狀晶粒+擠壓流線)→再結(jié)晶等軸晶粒.