镁研究:通过热挤压和多道次轧制降低mg-5li-3al-2zn合金的拉压屈服

镁合金作为最轻的结构金属材料,由于具有高的比强度、比刚度、良好的电磁屏蔽和阻尼性能等,在航空、航天和汽车工业等领域的应用具有很大的潜力潜。然而,由于Mg自身的密排六方晶体结构的对称性差,经单一变形工艺加工后的镁合金挤压棒材和轧制板材等往往呈现出强的{0001}基面织构,从而导致合金的力学性能表现出拉-压屈服不对称性。这限制了镁合金在一些同时承受拉应力和压应力的结构零件中的应用。因此,如何改善合金的拉压屈服不对称性是众多国内外学者关注和研究的重点。目前,通过添加合金元素并结合多种大塑性变形加工工艺是降低合金拉-压屈服不对称性行之有效的方法,一方面可以降低镁合金的轴比(c/a),改善晶体结构对称性,另一方面还可以裁剪{0001}基面织构,削弱基面织构的强度。镁锂合金因Li元素的添加降低了轴比,改善了合金的晶体结构对称性,不仅显著改善合金塑性与成形性,而且降低了镁合金的拉-压屈服不对称性。目前,关于通过挤压与轧制组合变形加工工艺来降低镁锂合金拉-压屈服不对称性的研究鲜有报道,并且对于微观组织与力学性能之间的关联的理解更是相对缺乏。

最近,东北大学乐启炽教授课题组采用常规熔铸法制备了Mg-5Li-3Al-2Zn(LAZ532)合金,研究了挤压+多道次轧制的组合变形加工工艺对合金微观组织演变、织构和力学性能的影响。研究结果表明,合金表现出良好的拉-压屈服对称性(TYS/CYS≈1),且合金经多次变形加工后促进了再结晶细化,削弱了{0001}基面板织构,弱基面板织构、晶粒细化以及因Li添加导致的晶体结构变化,共同对合金的拉-压屈服对称性改善作出贡献。这一工作为镁合金拉-压屈服对称性的调控提供了一定理论和工艺参考。

本文研究了LAZ532合金经挤压+不同轧制道次变形后的力学性能,如图1所示。随着轧制道次的增加,合金的综合力学性能得到了改善,拉伸屈服强度(TYS)和抗拉强度(UTS)分别从122.5±2.9MPa和235.1±3.3MPa提高到153.2±2.1MPa和269.9±3.0MPa。压缩屈服强度(CYS)和极限抗压强度(UCS)分别从116.3±3.7MPa和365.4±3.0MPa提高到139.3±1.7MPa和387.1±5.2MPa。LAZ532合金的TYS/CYS比值基本保持在1附近,UTS/UCS比值从0.64增大至0.7,合金表现出了良好的拉-压屈服对称性。

图1 不同轧制道次下LAZ532合金的力学性能

研究了LAZ532合金经挤压+不同轧制道次变形后的微观组织演变,如图2所示。在相同的轧制温度下,随着轧制道次的增加,合金的变形量也就越大,较大的变形量会增加材料中储存的晶格畸变能,形成大量变形晶粒,使再结晶的形核点增加;同时,高的变形温度使低角度晶界(LAGBs)在相对较短的时间内迅速转变为高角度晶界(HAGBs),形成细小的、均匀的再结晶晶粒组织。从而导致合金的晶粒逐渐被细化。而均匀的细晶组织能够有效抑制{10-12}拉伸孪晶的激活,有助于减弱拉-压屈服不对称性。此外,当轧制道次由3道次增加到9道次时,再结晶组织的比例下降到72%,未再结晶的比例上升到27%。这说明在相同的轧制温度下,由于晶界迁移速率和再结晶形核能力是相同的,随着变形量的增加,原始晶粒的破碎程度越严重。但是,在所有的挤压+轧制态LAZ532合金中,均具有高的再结晶体积分数,而部分非再结晶晶粒呈零散的分布。这表明,合金的组织以再结晶组织为主。而再结晶组织可以弱化{0001}基面织构,弱的{0001}基面织构可以削弱轴向拉伸过程中的(10-10)柱面滑移和轴向压缩过程中的(0001)基面滑移,从而进一步降低拉-压屈服不对称性。

图2在不同轧制道次下LAZ532合金的再结晶组织分布图和反极图

此外,还研究了LAZ532合金中{0001}基面板织构的含量,如图3所示。图中彩色晶粒表明其<0001>晶向近似平行于ND,并且由蓝色到红色表明晶粒的<0001>晶向与ND之间的偏差角逐渐增大。在所有轧制的LAZ532合金中,彩色晶粒的数量约占晶粒总数的1/3,并且大多数晶粒的偏差角分布在10°~20°的范围内,表明合金具有弱的{0001}基面板织构。这种弱织构有利于改善合金的拉-压屈服对称性。

图3 在不同轧制道次下LAZ532合金的晶粒取向(<0001>//ND)和取向偏差角分布图

图4 δYS- δLAGBs和(d/f)-1/2的关系式的最小二乘法拟合

本研究还探讨了LAZ532合金的力学性能的强化机制,如图4所示,基于修正的Hall-Petch方程来计算金属材料的屈服强度变化,考虑了LAGBs存在时的位错强化和HAGBs存在时的晶界强化。结果表明,HAGBs的强化贡献均大于LAGBs,这归因于轧制态LAZ532合金中具有高体积分数的再结晶组织。此外,计算的LAZ532合金在拉伸和压缩变形过程中的kTen和kCom分别为176.7 MPa·μm1/2和120.0 MPa·μm1/2。这也进一步说明了HCP结构Mg-Li合金的k值与织构类型密切相关。织构对k的影响通常归因于主要变形方式随织构的变化,一般认为CRSS越高的变形方式,k值越高。对于Mg合金来说,柱面滑移的CRSS比基面滑移的CRSS大。因此,在本研究的LAZ532合金中,由于弱{0001}基面板织构的存在,导致了kTen>kCom。

综上所述,本研究通过挤压+多道次轧制组合变形加工工艺制备了具有良好拉-压屈服对称性的LAZ532合金,合金经变形加工后,呈现出了晶粒细小且尺寸均匀的再结晶组织,从而弱化了{0001}基面板织构,有效改善了合金的拉-压屈服对称性。这为开发具有良好拉-压屈服对称性的Mg合金提供了一定理论依据和加工工艺参考。此外,基于强化机制分析,合金屈服强度主要依赖于位错强化和晶界强化,且HAGBs的强化贡献高于LAGBs。这也加深了对Mg合金拉-压屈服对称性的微观机理的认识。

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