變形機(jī)制在鎂合金熱變形中的作用

變形機(jī)制在鎂合金熱變形中的作用

變形銀粉具有良好的綜合力學(xué)性。它可以生產(chǎn)各種規(guī)格的板材、棒、管、材料和附件。它是未來航空運(yùn)輸和陸路運(yùn)輸工具的重要結(jié)構(gòu)材料，具有廣闊的前景和潛力。多晶密排六方晶體結(jié)構(gòu)的鎂合金塑性變形最大障礙是滑移系太少,宏觀表現(xiàn)是塑性較差,成為阻礙變形鎂合金開發(fā)應(yīng)用的主要原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),鎂合金晶粒經(jīng)過細(xì)化后,合金可獲得大于20%的伸長率和良好的塑性加工性能,這說明鎂合金中多種塑性變形機(jī)制均發(fā)揮了重要的作用。對于鎂合金塑性變形機(jī)制的研究尤其是各種變形機(jī)理之間相互關(guān)系的研究報(bào)道很少。本文作者在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上探討了不同塑性變形機(jī)理在鎂合金熱變形過程中的作用規(guī)律,有助于應(yīng)用這些基本原理,研究開發(fā)新型變形鎂合金及新的加工工藝。1az23ce/az33nd合金的滑移實(shí)驗(yàn)合金采用變形鎂合金中最常用的Mg-Al-Zn系A(chǔ)Z31合金,同時在該合金中添加微量(0.8%)稀土元素(如Nd、Ce)獲得AZ31Ce/AZ31Nd合金進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)合金板材先進(jìn)行拋光后再變形,來觀察滑移在拋光后的金屬表面留下的痕跡。所有實(shí)驗(yàn)合金采用軋制加工工藝,軋制溫度控制在300℃,變形量從5%～20%不等,采用Polyvar-MET金相顯微鏡、H-800透射電鏡和JEOL掃描電鏡觀察合金顯微組織并探討合金塑性變形發(fā)展情況。2位錯密度對變形面滑移的影響多晶鎂合金在外力作用下發(fā)生塑性變形時,會沿滑移面發(fā)生滑移,滑移的本質(zhì)是位錯的運(yùn)動。晶體開始滑移必須有一定大小的臨界切應(yīng)力。鎂在不同滑移面上的臨界切應(yīng)力與溫度有密切關(guān)系。在室溫下,產(chǎn)生基面{0001ˉ}?112ˉ0?{0001ˉ}?112ˉ0?滑移的臨界切應(yīng)力要比棱柱滑移面的臨界切應(yīng)力低一個數(shù)量級,因此只有基面滑移產(chǎn)生。在較高溫度(493K)下,棱柱滑移面的臨界切應(yīng)力下降,才產(chǎn)生{0001ˉ}?112ˉ0?{0001ˉ}?112ˉ0?滑移。利用SEM觀察AZ31和AZ31Nd合金的軋制壓下變形面,變形量為10%,可見有明顯的滑移。AZ31合金中滑移造成的臺階平行且稀疏,由于鎂基體的滑移系少,層錯能低,難以進(jìn)行交滑移,因此多產(chǎn)生單系滑移,滑移線容易形成一組平行線,為典型的基面滑移(圖1)。AZ31Nd合金中滑移線細(xì)密且均勻,TEM照片顯示此時顯微組織中有大量位錯產(chǎn)生(圖2),可見滑移是鎂合金塑性變形的一種重要機(jī)制。密排六方晶體結(jié)構(gòu)的鎂中位錯運(yùn)動速率對應(yīng)力敏感,在應(yīng)力有稍許提高時,位錯運(yùn)動的速率會大幅度增加,同時,在形變過程中位錯密度也隨應(yīng)變增加而增殖。位錯的運(yùn)動和增殖會使位錯在變形過程中很快互相纏結(jié)、釘扎以及受晶界的阻礙而終止運(yùn)動。圖2所示為位錯在晶界附近塞積以及位錯之間的纏結(jié)。由圖2(c)可見在晶粒內(nèi)部的位錯密度較低而在晶界附近位錯密度較高。如果鎂合金的變形是在高溫下進(jìn)行,當(dāng)滑移受阻時,位錯可以通過交滑移運(yùn)動,所以在較高溫度下鎂晶體通過滑移進(jìn)行塑性變形比較容易。3孿生對鎂晶體結(jié)構(gòu)的影響除滑移外,鎂合金塑性變形的另一種方式就是孿生。與滑移類似,孿生的切變也是沿著特定的晶面和特定的晶體方向發(fā)生,鎂的孿生面為{101ˉ2}{101ˉ2},孿生方向?yàn)?1ˉ011??1ˉ011?。變形時孿生是否出現(xiàn)和晶體的對稱性有密切關(guān)系。屬于六方晶體結(jié)構(gòu)的鎂在室溫下基面滑移的臨界切應(yīng)力雖然比孿生所需要的切應(yīng)力低,但由于其對稱性較低,滑移系統(tǒng)少,在晶體取向不利于滑移時,孿生就成為另一種重要的塑性變形方式。孿生所引起的晶體變形量并不大,因此它對鎂晶體形變的影響與滑移相比只占次要地位,一般對總變形量的貢獻(xiàn)不超過10%。由于多晶體鎂合金中晶體取向的隨機(jī)性,在變形初期晶粒往往需要進(jìn)行不斷的調(diào)整以有利于變形時滑移的發(fā)生,因此在從鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M織這一變形初始階段,鎂的基體中容易發(fā)生大量的孿生(圖3(a)),隨變形的進(jìn)行,在嚴(yán)重變形時孿生會更多,孿晶的尺寸會減小,孿晶也會相互碰撞(圖3(b)～3(d)),TEM觀察可見變形組織中大量的孿晶像。孿生變形對鎂合金板材軋制是十分有利的,通過孿生的協(xié)調(diào)作用有利于滑移進(jìn)一步發(fā)展,從而使鎂合金具備一定的軋制變形能力。4晶粒組織及變形規(guī)律滑移和孿生是鎂合金常見的塑性變形機(jī)制,但常規(guī)鎂合金的塑性并不好,變形時非常容易斷裂,尤其在室溫下變形能力很差。添加稀土的AZ31RE鎂合金室溫拉伸時延伸率獲得大幅度的提高,都超過20%,這是相同變形條件下普通商用鎂合金的3～4倍,僅依靠滑移和孿生這兩種變形方式是不足以提供鎂合金充分的變形能力的。AZ31RE合金顯微組織中發(fā)現(xiàn)存在有尺寸不同的兩類晶粒(圖4)。一類晶粒的大小在普通變形鎂合金晶粒尺寸范圍內(nèi),晶粒平均直徑約50～70μm,另一類是細(xì)小的等軸晶粒,直徑尺寸約10～20μm,甚至有少量在10μm以下。獲得這類小尺寸晶粒,與合金的變形程度、熱變形溫度以及后續(xù)退火過程再結(jié)晶規(guī)律有關(guān)。當(dāng)合金中有均勻彌散分布的稀土相存在時,由于稀土相的熱穩(wěn)定性高,可以有效地阻止再結(jié)晶晶粒長大,有利于獲得細(xì)小的再結(jié)晶晶粒組織,從而使AZ31RE合金獲得比AZ31合金更細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,這些細(xì)小尺寸的晶?？梢允购辖鹪谧冃螘r延伸率獲得提高。大尺寸晶粒塑性變形機(jī)制是鎂合金中典型的滑移和孿生機(jī)制,而在含有小尺寸晶粒鎂合金中,小晶粒通過晶粒間晶界的滑動協(xié)助大晶粒變形,兩種機(jī)制共同作用提高了合金的變形能力。圖5所示為兩種不同晶粒在拉伸變形時的變化情況。從圖4(a)中可見,在大尺寸晶粒中,通過滑移和孿生形成的變形帶會最終集中在晶界附近,表明大晶粒中滑移和孿生是變形的主要機(jī)制。而在小尺寸晶粒中(圖4(b)),變形時,左邊大晶粒內(nèi)部存在明顯的變形帶,而右邊小晶粒內(nèi)部幾乎見不到變形孿晶等變形組織,小晶粒仍保持等軸晶形貌。說明在塑性變形時,小晶粒晶界的滑動、移動和轉(zhuǎn)動協(xié)調(diào)了變形,使變形可以順利繼續(xù)進(jìn)行。由于晶粒細(xì)小,增加了可以滑動的晶界表面積,從而使變形容易,通過晶界滑動的變形機(jī)制發(fā)生塑性形變。TEM觀察(圖2)表明在大晶粒內(nèi)部也有大量位錯產(chǎn)生并且在晶界集中。由前所述,這種塞積如果超過一定的限度就會發(fā)生應(yīng)力集中而破斷。說明如果僅存在大晶粒,塑性變形在位錯作用下會發(fā)生,但到一定程度后塑性變形無法繼續(xù)。但在細(xì)晶粒中,晶界的滑移在變形中起到有益的作用,TEM觀察晶界附近以及晶內(nèi)的位錯都很稀疏(圖5)。在這種同時具備大晶粒和小晶粒組織的鎂合金中,滑移、孿生和晶界滑動這幾種變形機(jī)制都會對材料的塑性變形產(chǎn)生作用。尤其是鎂合金熱加工過程中,因?yàn)樽冃螠囟纫话愣汲^合金的再結(jié)晶溫度,因此在這種變形溫度下產(chǎn)生大量動態(tài)再結(jié)晶的細(xì)小晶粒,這些細(xì)小晶粒在稀土第二相的控制下不易長大,因此小晶粒晶界滑移機(jī)制可以對材料的變形起有益作用(圖6(a))。鎂合金熱變形條件下動態(tài)再結(jié)晶與變形速率、變形程度、變形溫度等條件之間的作用規(guī)律在文獻(xiàn)有詳細(xì)研究,這里利用Ball和Hutchison描述的晶粒旋轉(zhuǎn)和滑移機(jī)制可以很好地解釋這種情況的發(fā)生。如圖6所示,當(dāng)一組晶粒沿最有利取向進(jìn)行晶界滑動和轉(zhuǎn)動時,可一直進(jìn)行到碰上一個不利取向的晶粒為止,從而在該晶粒內(nèi)形成位錯塞積,阻止晶界進(jìn)一步的滑移。小尺寸晶粒之間的協(xié)調(diào)要比大尺寸晶粒容易,因此晶界的滑移更加容易。小晶粒的晶界滑移、轉(zhuǎn)動同時受其周圍大尺寸晶粒的位置、形狀和變形行為的影響。常規(guī)鎂合金再結(jié)晶后晶粒尺寸一般在50μm以上,主要依靠滑移和孿生機(jī)制發(fā)生作用,延伸率不高。加入稀土后可獲得很細(xì)小的晶粒,當(dāng)大尺寸晶粒進(jìn)行塑性變形過程中,位錯在晶界受阻時,小晶?？稍谥虚g起到協(xié)調(diào)作用,使變形晶界處的應(yīng)力集中獲得釋放,提高合金塑性變形能力。5變形方式的影響多種變形機(jī)制共同作用可提高鎂合金在熱變形時的塑性變形能力。合金熱