热处理对挤压态Mg-8Er合金组织性能的影响
2014-08-29杜兴蒿武保林魏成宾王大鹏
杜兴蒿，武保林,魏成宾,王大鹏
(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)
热处理对挤压态Mg-8Er合金组织性能的影响
杜兴蒿，武保林,魏成宾,王大鹏
(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)
对挤压态Mg-8Er 合金在再结晶热处理过程中组织、织构的演变以及相应的力学行为进行了系统表征，在此基础上分析了塑性变形机理。结果表明，挤压态Mg-8Er 合金在500 ℃条件下退火时，随着保温时间的延长，再结晶组织的逐渐形成，织构出现明显的随机化，织构强度也显著弱化，合金的室温塑性也随之提高。热处理态Mg-8Er 合金的塑性大小主要取决于再结晶程度的大小。再结晶程度高的合金织构也更加随机化，从而获得高塑性。
镁合金；稀土元素；热处理；挤压；织构
随着现代工业程度的不断提高，镁合金在各个领域有着广泛的应用前景，但是现有的镁合金种类很少，难以满足产品不同性能的要求。这主要是受镁合金塑性变形能力低和成形性差问题的制约，所以研发室温下高塑性和高成形性的镁合金成为科研人员所关注的焦点[1-2]。高强度的镁合金主要是通过挤压、轧制等工艺制备，但会容易产生非均匀组织，容易造成性能不均匀和不稳定。尤其是经挤压和轧制后的镁合金，会产生基面织构，导致合金的各向异性，虽然此种合金具有高的强度，但是室温塑性差，仍无法在室温下成形[3-4]。研究发现弱化的基面织构或者完全的非基面织构不仅能够降低各向异性和拉压不对称性，而且能够保证二次加工的塑性流动的稳定性[2]，所以对提高镁合金的室温可成形性具有重要的意义。
稀土元素能够有效的弱化基面织构，提高镁合金室温塑性，其主要机制是固溶的稀土元素对变形机制的影响[5]。稀土元素的少量固溶能够提高基面滑移的临界剪切应力，并降低非基面滑移的临界剪切应力，因此增强了非基面滑移的活性，抑制了基面滑移和拉伸孪生的活性。而基面滑移和拉伸孪生是产生基面织构的主要原因，非基面滑移则能够使晶粒c轴方向发生偏转[6-13]。
基于以上研究背景，本研究目的在于开发具有高塑性的Mg-Er 合金，并对Er 对基面织构的影响、热加工过程中的动态再结晶和室温塑性变形机理进行研究。
1 实验材料及方法
本论文研究采用的合金的设计成分为Mg和Er，其中Er占总重的8%。合金用电阻坩埚炉加热的碳钢坩埚中熔化后，浇入直径为40 mm圆柱体金属型模具中。其熔炼工艺：清理冶炼坩埚并预热到600～700 ℃，熔化镁锭；温度升到750～800 ℃，加入Er；调节温度到750～760 ℃时，精炼熔体；温度升高到780～800 ℃下保温，静置熔体；熔体浇入预热到250～300 ℃之间的模具；浇注后0.5～1 小时取出铸锭进行空冷。
利用液压机将Mg-8Er合金热挤压成棒状型材。铸锭在430 ℃温度下保温2个小时，挤压速率为10 mm/min，挤压比12∶1。在500 ℃下，对挤压棒材进行不同热处理时间的再结晶退火处理，获得不同再结晶状态的合金。
2 实验结果
2.1 显微组织
图1是在500 ℃、保温20 min的热处理条件下得到的挤压态Mg-8Er合金的金相显微组织，经计算，其平均晶粒度为23.072 μm;图2是在500 ℃、保温50 min的热处理条件下得到的挤压态Mg-8Er合金的金相显微组织，经计算，其平均晶粒度为30.872 μm；图3是在500 ℃、保温90 min的热处理条件下得到的挤压态Mg-8Er合金的金相显微组织，经计算，其平均晶粒度为35.340 μm；图4是在500 ℃、保温120 min的热处理条件下得到的挤压态Mg-8Er合金的金相显微组织，经计算，其平均晶粒度为48.159 μm。
图1 500 ℃/20 min热处理下的微观组织形貌
图2 500 ℃/50 min热处理下的微观组织形貌
图3 500 ℃/90 min热处理下的微观组织形貌
图4 500 ℃/120 min热处理下的微观组织形貌
可见，在500 ℃/20 min热处理温度下，金相组织呈现不完全再结晶，再结晶晶粒比较细小。但随着保温时间的延长，金相组织呈现完全再结晶，晶粒也逐渐长大。挤压变形态Mg-8Er合金，由于Er含量较高，在再结晶过程中阻力很大，只有经过长时间退火才能实现完全再结晶。
2.2 力学性能分析
图5挤压态Mg-8Er合金在500 ℃下不同热处理时间的应力应变曲线。可见,挤压变形态Mg-8Er合金，在500 ℃条件下保温20 min再结晶程度不完全，晶粒适度地长大，合金塑性较差；而50 min以后，随着再结晶程度的逐渐提高以及晶粒逐渐长大，合金的拉伸塑性逐渐提高。总之，完全再结晶大晶粒度组织导致很好的塑性变形能力。
2.3 不同热处理条件下试样的织构测定
本次试验中分别测定了挤压态Mg-8Er合金经过不同热处理制度下的织构形貌。主要测定了{002}以及{010}两个基准面的织构形貌。图6a为挤压态Mg-8Er 合金经500 ℃/20 min热处理后的织构，从{002}的极图可以看出织构类型为丝织构，其中最大织构强度为5.19。图6b为挤压态Mg-8Er 合金经500 ℃/50 min热处理后的织构，从{002}的极图可以看出织构类型为丝织构，其中最大织构强度为3.18。图6c为挤压态Mg-8Er 合金经500 ℃/90 min热处理后的织构，从{002}的极图可以看出织构类型为丝织构，其中最大织构强度为3.36。图6d为挤压态Mg-8Er 合金经500 ℃/120 min热处理后的织构，从{002}的极图可以看出织构类型为丝织构，但垂直挤压方向基面极有所宽化，其中最大织构强度为3.98。
图5 挤压态Mg-8Er合金在500 ℃下不同热处理时间的应力应变曲线
图6 挤压态Mg-8Er合金经500 ℃不同时间热处理下的(002)以及(010)极图
由上述可知，在本实验规定的热处理制度下，织构类型没有发生明显的变化，均为丝织构，即基面{0001}法线方向垂直于挤压方向(RD)。但是，织构的强度有所变化。
2.4 实验结果分析
从上述实验结果可知，织构类型在再结晶热处理过程中没有明显改变，说明8wt.% Er在再结晶过程中没有充分发挥稀土元素改变织构类型的作用。原因可能在于Er含量过高，在热处理过程中有析出相，减弱了溶质Er对织构的弱化作用。合金的拉伸塑性取决于再结晶的完整程度以及晶粒度的大小。在完全再结晶状态，晶粒度越大，合金塑性越好；反之，在不完全再结晶状态下，合金塑性很差。说明，挤压热处理态Mg-8Er合金塑性流变主要受再结晶状态以及晶粒度的控制。
从拉伸曲线可知，在晶粒度较大的样品拉伸宏观屈服应力为110 MPa左右,这来源于基面织构对基面位错的启动的阻碍，使得合金硬化到一个合适的应力水平以激活大晶粒度的孪晶或者小晶粒度的非基面位错滑移以协调塑性流变。其中，孪晶以及第二级(second ordered)锥面位错
本研究发现8%Er的固溶含量使得非基面位错特别是
3 结论
(1)随着晶粒逐渐长大，Mg-8Er合金的拉伸塑性逐渐提高，大晶粒度导致很好的塑性变形能力。
(2)热处理再结晶退火并没有改变合金的织构类型，织构类型保持丝织构。但是，随着热处理时间的延长，织构强度有减弱的趋势。
(3)合金的强度受细晶强化以及织构强化的控制；而塑性取决于再结晶是否完全以及晶粒度的大小。其中，完全再结晶且晶粒度大的合金呈现稳态流变，获得很高的塑性。
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(责任编辑：赵金兰 英文审校：刘敬钰)
更正启事
我刊2014年第4期《基于Kriging模型的离心叶轮结构优化设计》(作者为赖喜涛、温卫东、冯大俊等)一文中,第19页正文第八行的收敛条件应有绝对值符号,第19页倒数第二行应去掉表2,表3四个字。特此更正,并向该文作者和相关读者表示歉意。
《沈阳航空航天大学学报》编辑部
2014-10-08
EffectsofheattreatmentonmicrostructureandpropertiesofextrudedMg-8Eralloy
DU Xing-hao,WU Bao-lin,WEI Cheng-bin,WANG Da-peng
(School of materials science and engineering,Shenyang aerospace university,Shenyang 110136,China)
In this paper,the evolution of microstructure,texture and the corresponding mechanical behaviors of extruded Mg-8 Er alloy are investigated systematically during recrystallized heat treatment.It is found that at 500 ℃,with the increase of the annealing time,the deformed microstructure becomes more recrystallized.Corresponding to the increase of recrystallized microstructure,the plastic elongations are also enhanced.The improvement of plasticity is mainly originated from the progress of recrystallized microstructure and the associated randomization and weakness of the texture.
Magnesium alloy;rare earth elements;heat treatment;extrusion;texture
2014-06-27
国家自然科学基金面上项目(项目编号：51171120)
杜兴蒿(1969-)，男，辽宁沈阳人，教授，主要研究方向：高性能轻质合金，高温合金，非晶合金，E-mail:602@imr.ac.cn。
2095-1248(2014)05-0050-06
V221+.92
A
10.3969/j.issn.2095-1248.2014.05.010
