李闖
(云南經(jīng)濟管理學(xué)院,云南昆明 650093)
鎂合金是21世紀新型綠色輕質(zhì)合金,具有可回收性。它的韌性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等性能比大多數(shù)金屬及其合金要好,因而在航空航天、生物材料等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。另外,鎂合金具有熱導(dǎo)率高和散熱非常快的金屬物理特性,比強度比剛度好等金屬力學(xué)性能,是制作3C設(shè)備外殼的最佳材料,輕質(zhì)而美觀,受各大筆記本電腦、手機等生產(chǎn)商的喜愛。3C電子設(shè)備在使用過程中會向周圍環(huán)境發(fā)射很多頻率的電磁波,使人長期處在有電磁波籠罩的空間中,對人體產(chǎn)生諸多不適或傷害。而鎂合金長周期有序堆垛組織可阻止電磁波的傳輸,使其具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能,能夠有效的降低周邊環(huán)境存在的電磁輻射對人體的傷害[1-11]。
鎂合金的塑性受到密排六方晶體結(jié)構(gòu)的限制,變形能力差,通過塑性成形手段來改善稀土鎂合金的力學(xué)性能,提高其強度成為高性能鎂合金行業(yè)最艱難的任務(wù)之一。已有研究表明,采用軋制、擠壓等熱機械變形工藝生產(chǎn)出的鎂合金組織均勻有序,有更高的強度、更好的延展性和更優(yōu)異的加工性。軋制是最為高效經(jīng)濟的板材塑性加工方法,用軋制來生產(chǎn)高強度鎂合金備受矚目。Mg-Zn-Y系合金組織的尺寸、形狀、數(shù)量及分布是影響鎂合金力學(xué)性能的決定性因素,需要深入研究軋制工藝參數(shù)與Mg-Zn-Y合金中強化相性能之間的具體關(guān)系[12-15]。本文在不同的軋制溫度和變形量下進行變形,研究該Mg98.5Zn0.5Y1在不同軋制溫度和變形量下的組織變形機理,從而為Mg98.5Zn0.5Y1合金組織性能的改善提供重要的理論參考。
采用SXL-1200型箱式電阻爐對鑄態(tài)Mg98.5Zn0.5Y1合金進行熔煉,如圖1(a)所示,鑄態(tài)的組織晶粒呈蠕蟲狀小而均勻,隨后進行定向凝固,定向凝固后加工符合要求的試樣金相組織如圖1(b)所示,晶粒粗大呈長條狀。隨后軋制實驗,軋制變形在φ12 mm和φ15 mm的兩輥上進行,軋輥的轉(zhuǎn)速恒定,轉(zhuǎn)速為100 r/min。軋制樣品在箱式電阻爐內(nèi)保溫10 min,保溫溫度分別為200 ℃、300 ℃和400 ℃。樣品軋制后空冷,軋制4道次后Mg98.5Zn0.5Y1合金樣品的厚度約1.75 mm,每增加一道次壓下量增加10%,累積壓下量約40%,最后進行金相觀察。
圖1 Mg98.5Zn0.5Y1合金組織
圖2 不同溫度下Mg98.5Zn0.5Y1合金軋制一道次后的顯微組織
圖3是軋制兩個道次,分別在不同溫度下的組織形貌。圖3(a)和(b)是200 ℃下軋制二道次不同放大倍數(shù)組織,變形產(chǎn)生的孿晶比一道次多而小。圖3(c)和(d)是300 ℃下軋制二道次不同放大倍數(shù)的組織,孿晶多,孿晶的尺寸5~15 μm,出現(xiàn)二次孿晶,長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折。圖3(e)和(f)是400 ℃下軋制二道次不同放大倍數(shù)的組織,相比于前兩個溫度,生成的孿晶多,尺寸相對較大,約為20~50 μm,孿晶的區(qū)域?qū)挘伯a(chǎn)生多次孿晶。溫度高,界面能低,孿生形核就越容易,在后續(xù)過程中有充足的能量逐漸長大。與300 ℃相比,孿生所需的能量要小,容易長大,故300 ℃的孿晶要細,因為溫度相對低,相的流動要緩慢一些,在變形進行時就更容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中造成孿生的多次形核。
長周期有序堆垛組織在孿晶界上扭折,孿晶界越多,臺階狀的扭折就越多,由此可知孿晶變形是長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折的主要原因。軋制兩個道次之后,變形程度相對較大,產(chǎn)生了更多的孿晶,長周期有序堆垛組織不影響孿晶的產(chǎn)生,穿過長周期有序堆垛組織的孿晶是連續(xù)的,從圖3和圖4可知,在產(chǎn)生的一次孿晶上又產(chǎn)生了其他孿晶,多次孿晶的相互作用,出現(xiàn)很多孿晶界,長周期有序堆垛組織位向發(fā)生改變,朝向RD方向,呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向,沿著軋制方向的塑性變形能力更好。另外,孿生大多數(shù)從晶界處開始產(chǎn)生,隨著變形的加劇,沿著RD方向?qū)\晶漸漸形成。晶界處位錯塞積較多,而且晶界的兩側(cè)層狀的長周期有序堆垛組織位向不一致,受到壓應(yīng)力的作用能產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,這些都為孿生提供了條件,因而孿晶在晶界處較集中。
圖3 不同溫度Mg98.5Zn0.5Y1合金下軋制二道次的顯微組織
圖4 不同溫度下Mg98.5Zn0.5Y1合金軋制三道次的顯微組織
圖4是軋制三個道次,在不同溫度下的組織形貌。圖4(a)和(b)是200 ℃下軋制三道次不同放大倍數(shù)組織,從中可看出產(chǎn)生了大量孿晶,呈絲狀或條狀,長周期有序堆垛組織發(fā)生彎曲。圖4(c)和(d)是300 ℃下軋制三道次不同放大倍數(shù)的組織,孿晶多而聚集,出現(xiàn)很多二次孿晶,在長周期有序堆垛組織上產(chǎn)生明顯的變形帶,方向傾向于RD。圖4(e)和(f)是400 ℃下軋制三道次不同放大倍數(shù)的組織,此圖中的晶粒很少,只有幾個,變形類似于單晶,相比于前兩個溫度,生成的孿晶要少。晶粒少,晶內(nèi)的滑移就容易進行,因而不需要產(chǎn)生太多的孿晶。長周期有序堆垛組織除在少數(shù)第二相或缺陷處纏結(jié),大多呈現(xiàn)順滑的絲狀相。Mg98.5Zn0.5Y1合金經(jīng)三個道次的軋制之后,變形程度較大,晶粒大,在晶粒內(nèi)產(chǎn)生變形,晶粒難以轉(zhuǎn)動以協(xié)調(diào)變形,從而通過產(chǎn)生孿晶的方式進行變形,穿過長周期有序堆垛組織的孿晶是連續(xù)的,長周期有序堆垛組織在孿晶界處發(fā)生了扭折,扭折的長周期有序堆垛組織朝向RD方向,軋制方向的塑性變形能力較好。
圖5是軋制四個道次,在不同溫度下的組織形貌。圖5(a)和(b)是200 ℃下軋制四道次不同放大倍數(shù)的組織,當溫度較低,變形量較大時,變形產(chǎn)生大量孿晶,一次與多次孿晶相互交割,長周期有序堆垛組織發(fā)生劇烈扭折,在有缺陷處,變形較大,應(yīng)力集中,長周期有序堆垛組織扭折產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致失效。圖5(c)和(d)是300 ℃下軋制四道次不同放大倍數(shù)的組織,圖中的孿晶多而聚集,孿生會促進裂紋的形核,而裂紋的產(chǎn)生非常快速,在裂紋的尖端會出現(xiàn)應(yīng)力集中,從而促進孿生,當應(yīng)力集中到一定程度時,長周期有序堆垛組織嚴重扭折導(dǎo)致斷裂的產(chǎn)生。圖5(e)和(f)是400 ℃下軋制四道次不同放大倍數(shù)的組織,溫度高,變形大,在晶界處聚集的畸變能大,為再結(jié)晶提供了能力,首先在晶界處產(chǎn)生再結(jié)晶,消除一部分缺陷帶來的危害,減少了應(yīng)力集中,使長周期有序堆垛組織能連續(xù)扭折,沒有裂紋產(chǎn)生。這是因為Y原子固溶到α-Mg基體中降低了c/a值,有利于位錯的運動,位錯運動后相互間的作用產(chǎn)生了胞狀組織,胞狀組織改變了晶界取向關(guān)系,進一步增大變形量,扭折變形加劇,缺陷的存在使層狀相結(jié)構(gòu)被破壞,該區(qū)域因畸變能較大,開始發(fā)生再結(jié)晶。
圖5 不同溫度下Mg98.5Zn0.5Y1合金軋制四道次的顯微組織
通過定向凝固形成的具有長周期有序堆垛組織Mg98.5Zn0.5Y1合金呈宏觀可見的長條狀,此時的晶粒較難發(fā)生轉(zhuǎn)動。鎂是密排六方晶體結(jié)構(gòu)的金屬,常溫下滑移系只要三個,不能完全依靠滑移進行變形,還是要依靠孿晶機制。晶粒少而粗大,孿晶就成了變形的主要方式。本實驗的Mg98.5Zn0.5Y1合金晶粒較少,經(jīng)三個道次的軋制之后,變形程度較大,因晶粒大相互之間只在晶粒內(nèi)變形,晶粒很難實現(xiàn)轉(zhuǎn)動以協(xié)調(diào)變形,從而只有通過產(chǎn)生孿晶的方式變形,長周期有序堆垛組織不影響孿晶的產(chǎn)生,穿過長周期有序堆垛組織的孿晶是連續(xù)的,長周期有序堆垛組織在孿晶界處發(fā)生了扭折,扭折的長周期有序堆垛組織朝向RD方向,沿著軋制方向的塑性變形能力更好。
圖6(a)(b)(c)(d)分別是200 ℃下軋制一、二、三、四道次的組織形貌。一道次存在孿晶變形,但相對不明顯。二道次和三道次相對要多一些,從四道次可以看出孿晶生成的量較多。而且在一次孿晶的基礎(chǔ)上,產(chǎn)生了二次孿晶,使長周期有序堆垛組織在孿晶界發(fā)生扭折,形成臺階狀的變形帶。為了更好的適應(yīng)變形,隨著道次的增加,各相朝向RD方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。彎曲的程度隨著軋制道次的增加而加大,長周期有序堆垛組織條紋向RD方向轉(zhuǎn)變較明顯,且逐漸變得密實,在壓應(yīng)力的作用下,與RD向垂直的小部分層狀相發(fā)生了較大的彎曲。圖6(d)中可看出,當有缺陷存在時,能阻礙滑移和孿生,在缺陷的周圍位錯塞積纏結(jié),孿晶交錯重疊,形成了團狀的變形區(qū),應(yīng)力聚集,很容易在這些區(qū)域產(chǎn)生裂紋,使材料破壞。
圖6 Mg98.5Zn0.5Y1合金200 ℃軋制不同道次的顯微組織
進行第一道次軋制之后,由于上下軋面間剪切應(yīng)力的存在,晶體內(nèi)部部分區(qū)域的平面晶面上在一個特定方向上發(fā)生了相對位移,形成位錯,導(dǎo)致大塊晶粒晶界周圍開始形成孿晶;隨著軋制道次增多,切應(yīng)力逐漸增大,從而產(chǎn)生孿晶,然后通過晶界拓展使孿晶增寬,另外應(yīng)力集中的地方促進形核,進而促進孿晶形核,孿晶的出現(xiàn)導(dǎo)致了晶?;w周圍的位相發(fā)生了改變,孿晶沿著剪切應(yīng)力的方向形核,然后生長,長周期有序堆垛組織在應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲變形。
圖7(a)(b)(c)(d)分別是300 ℃下軋制一、二、三、四道次的組織形貌。一道次發(fā)生孿晶變形,但相對不明顯。二道次在晶界處產(chǎn)生的孿晶較明顯。在Mg98.5Zn0.5Y1合金中相的軟硬程度不同,在鎂的晶體結(jié)構(gòu)中,沿c軸變形很難,滑移難以進行,而另外的方向可以發(fā)生滑移[16],因而在不同的晶粒中孿生的程度不一樣。三道次出現(xiàn)了明顯的變形帶,基本與RD方向平行,長周期有序堆垛組織的流線成順滑曲線。四道次的長周期有序堆垛組織在切應(yīng)力的作用下斷裂。
圖7 Mg98.5Zn0.5Y1合金300 ℃軋制不同道次的顯微組織
隨著道次的增加,孿晶的形成和變形程度的增加致使長周期有序堆垛組織的位相發(fā)生改變,有利于產(chǎn)生滑移,晶粒之間的排列間隙更加緊密,合金內(nèi)相朝向RD方向變化,片層狀長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折或彎曲的程度隨著軋制道次的增加而加大,長周期有序堆垛組織的條紋向RD方向轉(zhuǎn)變的更明顯,且更加密實,在軋制變形作用下,小部分層狀相發(fā)生了的彎曲,呈波紋狀。由于合金未能通過再結(jié)晶改善自身的塑性,隨著變形的繼續(xù),軋制第四道次時合金發(fā)生了較嚴重的破壞。
圖8(a)(b)(c)(d)分別是Mg98.5Zn0.5Y1合金在400 ℃下軋制一、二、三、四道次的組織形貌。一道次軋制就開始出現(xiàn)了孿晶,這是因為溫度較高,能量充足,利于孿生的進行。二道次孿晶生成的量較多,在一次孿晶的基礎(chǔ)上還產(chǎn)生了二次孿晶,使長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折。三道次的孿晶上發(fā)生了部分再結(jié)晶。四道次產(chǎn)生的孿晶互相交割,在晶界處發(fā)生了明顯的再結(jié)晶。由圖中可以看出,由于上下軋面相反的剪切應(yīng)力的存在,晶體內(nèi)部的晶面在一個特定方向上發(fā)生了相對位移,導(dǎo)致大塊晶?;蚓Ы缰車_始形成孿晶,孿晶的出現(xiàn)使得晶?;w周圍的位相發(fā)生了改變,孿晶沿著剪切應(yīng)力的方向生長,長周期有序堆垛組織在不同的道次和應(yīng)力的作用,發(fā)生了不同程度上的彎曲變形。
圖8 Mg98.5Zn0.5Y1合金400 ℃軋制不同道次的顯微組織
在400 ℃下,隨著軋制道次的增加,產(chǎn)生的孿晶越來越多,隨著二次孿晶的出現(xiàn),長周期有序堆垛組織發(fā)生扭折,軋制時,每一道次板材軋向旋轉(zhuǎn)180°,正法向不變,由于切應(yīng)力的改變,孿晶生長縱橫交錯。但在軋制過程中,長周期有序堆垛組織沒有發(fā)生斷裂,協(xié)調(diào)變形能力較之前的溫度要好,不同道次的長周期有序堆垛組織都發(fā)生了或大或小的扭折變形。這是因為在變形的過程中,存在阻礙變形的抗力,使得滑移難以進行,孿生改變了晶體的位向,協(xié)調(diào)變形不均勻發(fā)生斷裂。隨軋制道次的增加,扭折變形的程度加劇,合金中長周期有序堆垛組織的位向會逐漸趨向于RD方向。前三個道次的合金中沒有發(fā)生再結(jié)晶的現(xiàn)象,而在第四道次中,可以觀察到在晶界處發(fā)生了再結(jié)晶。晶界與基體發(fā)生塑性變形的程度不一致,位錯導(dǎo)致結(jié)晶難以進行,晶界處應(yīng)力集中,導(dǎo)致晶界處畸變能大,為再結(jié)晶形核創(chuàng)造了條件,從而在晶界處形核,形成再結(jié)晶晶粒。在晶界處破碎的晶粒較小,彼此之間發(fā)生合并形成亞晶粒,晶粒長大,脫離原來的基體,在畸變足夠大的情況下發(fā)生了再結(jié)晶。故在200 ℃和300 ℃軋制四道次,發(fā)生了不同程度的失效。400 ℃時,晶界處的再結(jié)晶消除部分加工硬化和一些鑄造缺陷,改變晶內(nèi)組織的應(yīng)力狀態(tài),抵消部分加工硬化,提高鎂合金的塑性,所以沒有失效。
表1是不同道次下不同溫度下組織變化。道次不變,隨著軋制溫度的升高,孿生越容易發(fā)生,孿生改變了晶體的位向,長周期有序堆垛組織偏轉(zhuǎn)的程度逐漸加大,趨近于RD方向。溫度不變,隨著軋制道次的增加,Mg98.5Zn0.5Y1合金變形程度越大,孿晶也越多。但在缺陷處變形應(yīng)力大,容易產(chǎn)生裂紋。溫度越高,塑韌性越好;道次增多,變形增多,強硬度增加,但在四道次200 ℃和300 ℃時出現(xiàn)裂紋,對Mg98.5Zn0.5Y1鎂合金加工時應(yīng)避免此參數(shù)。
表1 不同道次下不同溫度下組織變化
1)Mg98.5Zn0.5Y1合金的滑移系少,不容易進行變形,主要依靠孿生進行。 道次不變,隨著軋制溫度的升高,孿生越容易發(fā)生,孿生改變了晶體的位向,長周期有序堆垛組織偏轉(zhuǎn)的程度逐漸加大,趨近于RD方向。
2)溫度不變,隨著軋制道次的增加,Mg98.5Zn0.5Y1合金變形程度越大,孿晶也越多。但在缺陷處變形應(yīng)力大,容易產(chǎn)生裂紋。
3)實驗中200 ℃和300 ℃軋制四道次發(fā)生了失效,而400 ℃的樣品仍然完好。溫度較高,變形量比較大時,晶內(nèi)的畸變大,發(fā)生再結(jié)晶,緩解裂紋產(chǎn)生而不至于失效,本實驗中Mg98.5Zn0.5Y1合金不適合在200 ℃和300 ℃下進行大變形。