金属学报 2014 , 50 (6): 700-706 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00781

热处理对挤压变形Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金低周疲劳行为的影响^*

张思倩¹^,, 吴伟¹, 陈丽丽², 车欣¹, 陈立佳¹

1 沈阳工业大学材料科学与工程学院, 沈阳 110870
2 沈阳晨光弗泰波纹管有限公司, 沈阳 110141

INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON LOW-CYCLE FATIGUE BEHAVIOR OF EXTRUDED Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y ALLOY

ZHANG Siqian¹^,, WU Wei¹, CHEN Lili², CHE Xin¹, CHEN Lijia¹

1 School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870
2 Shenyang Aerosun-Futai Expansion Joint Co. Ltd, Shenyang 110141

中图分类号: TG115.5

通讯作者: Correspondent: ZHANG Siqian, lecturer, Tel: 13700022372, E-mail: sqzhang@alum.imr.ac.cn

收稿日期: 2013-12-2

修回日期: 2014-03-31

网络出版日期: 2014-06-

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摘要

对热挤压、时效处理(T5态)及固溶+时效处理(T6态) Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金(质量分数)分别进行了低周疲劳实验, 探讨了热处理对合金低周疲劳变形行为的影响. 结果表明: 时效处理和固溶+时效处理可提高热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的循环变形抗力; 时效处理降低了合金的疲劳寿命, 固溶+时效处理可以提高合金在较高外加总应变幅下的疲劳寿命, 但降低合金在较低外加总应变幅下的低周疲劳寿命; 不同状态合金的弹性应变幅和塑性应变幅与载荷反向周次的关系可分别用Basquin和Coffin-Manson公式来描述; 时效及固溶+时效处理过程中形成的长周期堆垛有序结构(LPSO相)是合金的循环变形抗力大幅提高的主要原因, 而疲劳变形过程中形成的孪晶可能是时效态合金疲劳寿命降低的原因.

关键词： 镁合金 ; 低周疲劳 ; 循环变形 ; 热处理

Abstract

The low-cycle fatigue tests have been conducted for the Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y alloys (mass fraction) subjected to extrusion, aging (T5) and solution plus aging (T6) treatment, respectively. The influence of heat treatment on the fatigue deformation behavior of the alloy has also been systematically investigated. The results show that T5 and T6 treatment can improve the cyclic deformation resistance of Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y alloys. T5 treatment can reduce the fatigue life of the alloy. However, T6 treatment can improve the fatigue life at high total strain amplitudes, and reduce the fatigue life at low total strain amplitudes. The relationship between elastic strain amplitude, plastic strain amplitude and reversals to failure of the alloys can be described by Basquin and Coffin-Manson equations, respectively. For the alloys subjected to both T5 and T6 treatments, the increase in the cyclic deformation resistance is mainly due to the formation of long period stacking ordered (LPSO) phase. The twins formed during the fatigue deformation may be responsible for the decrease in the fatigue life of the alloy subjected to T5 treatment.

Keywords： magnesium alloy ; low-cycle fatigue ; cyclic deformation ; heat treatment

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张思倩, 吴伟, 陈丽丽, 车欣, 陈立佳. 热处理对挤压变形Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金低周疲劳行为的影响^*[J]. , 2014, 50(6): 700-706 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00781

ZHANG Siqian, WU Wei, CHEN Lili, CHE Xin, CHEN Lijia. INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON LOW-CYCLE FATIGUE BEHAVIOR OF EXTRUDED Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y ALLOY[J]. 金属学报, 2014, 50(6): 700-706 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00781

Mg及其合金具有高的比强度和比刚度、良好的抗磁性、导热性、优异的电负性和切削加工性能^[1-3]. 但是镁合金的强度不高, 特别是高温性能较差, 大大限制了其应用. 研究^[4,5]表明, 在Mg及其合金中添加适量的稀土元素, 可以显著提高合金的强度, 改善合金的塑性. 大部分稀土元素与Mg的原子尺寸半径相差在±15%范围内, 在Mg中有较大固溶度, 具有良好的固溶强化和沉淀强化作用, 可以有效改善合金的微观结构, 提高合金室温及高温力学性能, 增强合金耐蚀性和耐热性等^[6,7]. 其中, Drits等^[8]在1979年发现添加Y对镁合金的性能产生有利影响. Zhao等^[9]和Wang等^[10]的研究表明, 加入Y可以使镁合金组织细化, 提高合金的强度, 增加合金断口纤维组织比例从而提高合金塑性.

以往的研究工作主要集中于研究添加稀土元素对镁合金的显微组织、铸造质量及拉伸力学性能的影响, 而对其疲劳性能方面的研究较少^[11,12]. 本工作主要研究添加Y的Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金(质量分数, 下同)的低周疲劳行为, 以期为稀土镁合金的开发和应用提供可靠依据.

1 实验方法

本实验所用材料为99.6%的工业纯Mg, 99.5%的工业纯Zn, 以及Mg-3%Zr和Mg-3%Y中间合金. 利用SG-5-10型坩埚电阻炉熔炼Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金. 在630 t卧式挤压机上对合金铸锭进行热挤压, 采用的挤压比为47.5∶1, 挤压温度为300~320 ℃, 出口速率为1~1.5 m/min. 把挤压棒材加工成标距直径为6 mm, 长度为10 mm的疲劳试样, 然后分别对疲劳试样进行T5和T6处理: 其中T5的时效处理温度为180 ℃, 保温24 h后空冷; T6的固溶温度为420 ℃, 保温5 h后水冷以及180 ℃下时效24 h后空冷.

在PLD-50型疲劳试验机上采用轴向拉-压全反向总应变幅控制模式进行室温低周疲劳实验, 采用的应变比为R_e=-1, 名义总应变幅0.3%~1.0%, 循环频率为0.5 Hz. 所有疲劳实验均进行至循环应力幅下降到整个疲劳变形过程中所达到的应力幅峰值的80%时为止, 并将此时的循环周次定义为疲劳寿命.

利用S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察疲劳断口形貌. 利用JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)观察疲劳形变区的微观组织. TEM样品的制备过程为: 首先进行机械减薄; 然后利用MTP-1A型双喷仪进行电解减薄, 电解液为30%HNO₃＋70%CH₃OH (体积分数)混合溶液, 双喷电压为15 V, 电流为90 mA, 温度控制在-20 ℃.

2 实验结果

2.1循环应力响应行为

图1为3种不同状态的Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在不同外加总应变幅下的循环应力幅. 可以看出, 在外加总应变幅为0.45%, 0.8%和1.0%时, T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr -0.5%Y合金的循环应力水平最高, 在外加总应变幅0.3%下疲劳变形的后期和总应变幅为0.6%时疲劳变形的中后期, T5态合金的循环应力水平较高; 对于T6态合金, 除了外加总应变幅为0.6%时的循环应力水平在疲劳变形前期低于挤压态合金外, 其余外加总应变幅下的循环应力水平均高于挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金. 这说明, T5和T6处理可以有效地提高热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在低周疲劳加载条件下的循环变形抗力.

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图1 不同状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在不同外加总应变幅下的循环应力幅

Fig.1 Cyclic stress amplitudes of Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y alloys with different states at strain amplitudes (De_t/2) of 0.3% (a), 0.45% (b), 0.6% (c), 0.8% (d) and 1.0% (e)

2.2低周疲劳寿命行为

图2为3种合金的外加总应变幅与其低周疲劳寿命的关系曲线. 可见, 在0.3%~1.0%的外加总应变幅范围内, T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的低周疲劳寿命均低于挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金. 对于T6态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金, 其在较高的外加总应变幅下(De_t/2>0.45%)的疲劳寿命高于挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金, 而在其余外加总应变幅下, 其疲劳寿命均低于挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金. 总之, 热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金经过T5处理后, 其低周疲劳寿命降低; 而经过T6处理后, 热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金虽然在较低外加总应变幅下的低周疲劳寿命会降低, 但在较高外加总应变幅下的疲劳寿命会提高.

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图2 不同状态Mg-7%Zn-0.6%Zr -0.5%Y合金的总应变幅-疲劳寿命曲线

Fig.2 Total strain amplitude versus fatigue life curves of Mg-7%Zn-0.6%Zr -0.5%Y alloys with different states

图3为不同处理状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的循环应变幅与断裂时载荷反向周次2N_f的关系曲线. 可见, 合金的塑性应变幅De_p/2与2N_f之间均呈线性关系, 可以用Coffin-Manson公式来描述^[13,14]:

(1) $Δ ε_{p} / 2 = {\overset{'}{ε}}_{f} (2 N_{f})^{c}$

式中, ${\overset{'}{ε}}_{f}$ 为疲劳延性系数, c为疲劳延性指数.

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图3 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的应变幅-载荷反向周次关系曲线

Fig.3 Elastic (a) and plastic (b) strain amplitudes versus reversals to failure curves for Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y alloys

3种合金的弹性应变幅De_e/2与2N_f之间的线性关系可以用修正的Basquin公式来描述:

(2) $Δ ε_{e} / 2 = \frac{{\overset{'}{σ}}_{f}}{E} (2 N_{f})^{b}$

式中, ${\overset{'}{σ}}_{f}$ 为疲劳强度系数, b为疲劳强度指数, E为Young's模量.

利用图3中的数据, 采用线性回归分析方法, 可以确定出3种合金的各个应变疲劳参数的数值, 具体计算结果如表1所示. 可以看出, T5处理和T6处理可以显著提高热挤压Mg-7%Zn -0.6%Zr合金的 ${\overset{'}{σ}}_{f}$ 和 ${\overset{'}{ε}}_{f}$ , 降低b和c.

2.3循环应力-应变响应

材料的循环应力-应变之间的关系可用下述定律来表达^[16]:

(3) $Δ σ / 2 = \overset{'}{K} (Δ ε_{p} {/ 2)}^{\overset{'}{n}}$

式中, $Δ σ$ /2为循环应力幅, $\overset{'}{K}$ 为循环强度系数, $\overset{'}{n}$ 为循环应变硬化指数.

图4为不同状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的循环应力-应变关系曲线. 其中, $Δ σ / 2$ 和 $Δ ε_{p} / 2$ 均是由不同应变幅下半寿命时的循环滞后回线求得. 可见, 3种合金的 $Δ σ / 2$ 和 $Δ ε_{p} / 2$ 基本呈线性关系. 利用图4中的数据, 采用线性回归分析方法, 即可确定出合金的应变疲劳参数, 具体数值如表1所示. 可以看出, T5处理可以使热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的 $\overset{'}{K}$ 提高, $\overset{'}{n}$ 降低, 而T6处理则导致Mg-7%Zn-0.6%Zr- 0.5%Y合金的应变疲劳参数 $\overset{'}{K}$ 和 $\overset{'}{n}$ 降低.

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图4 Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的循环应力-应变曲线

Fig.4 Cyclic stress-strain curves for Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y alloys

2.4 微观组织结构分析

图5为不同状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的微观组织. 可以看出, 挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在晶界处形成了椭球状第二相粒子(图5a), 其尺寸约为600 nm, 通过标定分析, 确定此项为I相(Mg₃YZn₆), 图5a中衍射分析的2f和5f方向分别是I相的2次对称轴和5次对称轴. 对于Mg-Zn-Zr-Y系合金而言, 当Zn/Y (质量比)大于4.38时主要形成性能良好的I相, Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的理论Zn/Y比约为14, 大于临界值4.38, 因此, 合金中形成的含Y第二相粒子主要为I相^[17-19]. 由图5b可知, 在疲劳变形过程中, I相粒子会对运动位错产生钉扎作用, 降低可动位错数目的同时提高位错在晶格中的运动摩擦阻力, 使得位错变形阻力增加, 从而促进合金的循环应变硬化. 此外, 晶界也会成为位错运动的障碍, 在晶界和晶界上I相粒子的共同作用下, 大量位错运动受阻, 从而提高合金的循环变形抗力.

表1 不同状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的应变疲劳参数

Table 1 Strain fatigue parameters of Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y alloys with different states

Alloy state	σ'_f/ MPa	b	ε'_f/ %	c	K'/ MPa	n'
As-extruded	779.30	-0.17453	29.66	-0.72918	714.96	0.21144
T5	1452.35	-0.24987	43.58	-0.88045	853.00	0.20561
T6	1028.05	-0.22335	67.95	-0.83630	508.31	0.19241

Note: σ'_f—fatigue strength coefficient, b—fatigue strength exponent, ε'_f—fatigue ductility coefficient,c—fatigue ductility exponent, K'—cycle strength coefficient, n'—cycle strain hardening exponent

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图5 不同状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金微观组织

Fig.5 Fig.5 Microstructures of Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y alloys with different states (Insets show the corresponding SAED patterns of the I phase, long period stacking ordered (LPSO) phase and twins in the alloy)(a) I phase in the as-extruded alloy with De_t/2=0.6%(b) dislocation in the as-extruded alloy with De_t/2=0.6%(c) LPSO phase in the T5 state alloy with De_t/2=1.0%(d) twins in the T5 state alloy with De_t/2=1.0%(e) I phase in the T6 state alloy with De_t/2=1.0%(f) LPSO phase in the T6 state alloy with De_t/2=1.0%(g) HRTEM image show the LPSO phase in the T6 state alloy with De_t/2=1.0%

挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在T5处理后除上述I相之外还形成了针状X相(Mg₁₂YZn, 长周期堆垛有序结构, 简称LPSO相), 如图5c所示. 这些针状LPSO相分布于晶界处或晶间, 且相互平行, 它们以晶界为起源向基体内部延伸, 甚至可以发展到贯穿整个晶粒的状态. 这些针状LPSO相的存在, 可以使合金在具有较高强度的同时, 保持其原有的塑性^[20]. 另外, T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在疲劳变形过程中产生了少量孪晶, 沿晶带轴方向进行分析, 可以得出变形时的孪晶为{ $10 \overline{1} 2$ }< $10 \overline{1} 1$ >, 如图5d所示. 这些孪晶大多始于晶界而止于晶粒内部, 且仅在大晶粒中存在. 这些孪晶可能成为裂纹源, 降低材料的变形能力^[21].

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图6 T5 态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y 合金微观组织(Dε_t/2=1.0%)

Fig.6 TEM images to show the dislocation between the LPSO phase (a), and kinking of the LPSO phase in the T5 state (b) with Dε_t/2=1.0%

图5e和f为T6态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的微观组织. 可以看出, 除了晶界处形成的I相之外(图5e), 合金中也析出了大量针状相, 经过高分辨透射电镜(HRTEM)分析(图5g), 可以确定该针状相为LPSO相, 沿着(0001)基面析出, 并且在(0001)基面上沿着[ $01 \overline{1} 0$ ]方向生长. 这些LPSO相对于T5态合金更加细小, 且不以晶界为起源, 平行存在于较大的晶粒中. 与T5态合金不同的是, T6态合金中没有观察到孪晶(图5f).

3 分析与讨论

3.1 Mg-Zn-Zr-Y合金中LPSO相强化效应

LPSO相被广泛关注, 源于2001年 Inoue研究小组^[20]通过快速凝固＋挤压工艺制得抗拉强度超过600 MPa的Mg₉₇Zn₁Y₂镁合金, 其强度约为超级铝合金的3倍, 同时具有5%的延伸率和高的耐热和耐腐蚀性能. 后期研究^[22]发现, Mg₉₇Zn₁Y₂合金具有高强度的原因是由于快速凝固导致的纳米级细小晶粒产生的细晶强化和在挤压过程中弥散析出的LPSO产生的第二相强化所致. 对于T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金而言, 基体内的LPSO相呈细长的针状, 由于Mg基体的塑性高于LPSO相, 因此, 塑性变形主要集中在Mg基体中, 位错的运动被限制在LPSO相之间约30~50 nm范围内(图6a). 正是由于针状LPSO相的阻碍, 位错在LPSO相之间的基体内形成平面塞积群, 致使合金的循环变形抗力得以提高.

研究^[23]表明: 含LPSO相的镁合金在室温至450 ℃范围内压缩变形时, 在LPSO相中观察到了扭折变形的发生. Yang等^[24]在研究AZ31镁合金400 ℃压缩变形过程的动态再结晶演变时, 在Mg基体晶内也观察到了扭折变形的发生. 由图6b可以看出, 在T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的疲劳变形过程中, LPSO相发生了轻微扭折变形, 扭折界面与LPSO相的位相差约为2.5^o. 因此可以判断, 在合金疲劳变形过程中, LPSO相也参与了塑性变形, 这种变形所形成的2.5^o界面属于小角度界面. 在位错的滑移运动过程中, 当晶体的塑性变形受到某些约束时, 就会产生不均匀的局部塑性变形, 即扭折变形. 因LPSO相的硬度(约为130 HV)比Mg基体的硬度(约为30 HV)高出很多, 因此, 在挤压变形过程中较硬的块体LPSO相和较软的Mg基体相的变形不协调, 晶体就可能以扭折的方式变形. 扭折变形的上下界面由符号相反的2列刃型位错构成, 而同一个扭折界面则由符号相同的位错堆积而成. 在塑性变形过程中, 合金中的扭折变形对位错产生钉扎作用, 使合金的变形抗力大幅提高.

3.2 Mg-Zn-Zr-Y合金中孪生变形行为

孪生过程是由一些晶体缺陷形成特定的排列而激发. 孪晶界是由刃型晶格位错的密集排列形成的高角度晶界, 它是由局部区域内大量的滑移位错聚集而产生的, 通过位错的重排形成孪晶从而降低能量. 孪晶一般在应力集中的晶界处最先出现, 是由大量的位错堆积引起的, 由于晶体在塑性变形过程中晶界附近的变形不协调, 晶界阻碍了位错的移动, 引起晶界处位错的堆积, 激发了孪晶的形核和长大. 孪晶之所以能使合金发生硬化是由于随着循环变形量的增大, 孪生引起的晶粒转动使晶粒的取向由软取向转化为硬取向, 孪生停止, 组织中孪晶的存在和晶粒取向的变化阻止了滑移的进行, 材料进入硬化阶段. Tome等^[25]认为, 这是由于孪晶能阻碍位错的移动, 或者当位错由孪晶前方穿过孪晶时, 在孪晶内部引起快速的硬化反应.

另一方面, 孪晶引起的高度应力集中, 是裂纹产生的重要形核点, 并且在许多实验中也观察到在孪晶和孪晶相交的地方形成裂纹, 由此认为孪晶引起的应力集中在裂纹形核中起重要作用^[26,27]. Jain等^[28]认为, 剪切断裂出现在与孪晶带相平行的平面中, 本工作T5态合金中{ $10 \overline{1} 2$ }< $10 \overline{1} 1$ >孪晶的取向更有利于a位错在基面上的滑移, 从而使孪晶本身产生较大的变形, 在随后的变形中在基体-孪晶界上产生较大的变形不相容性, 从而发生断裂. 因此, 在Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金中, 孪晶一方面可以使合金发生硬化, 提高合金的变形抗力; 另一方面孪晶界也可能成为裂纹源, 降低合金的寿命.

4 结论

(1) 时效及固溶+时效处理可以提高热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在低周疲劳加载条件下的循环变形抗力.

(2) 热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金经过T5处理后, 其低周疲劳寿命降低; 经过T6处理后, 热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金虽然在较低外加总应变幅下的低周疲劳寿命会降低, 但在较高外加总应变幅下的疲劳寿命会提高.

(3) 热挤压、T5态及T6态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的弹性应变幅和塑性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间呈线性关系, 可分别用Basquin和Coffin-Manson公式来描述.

(4) 热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在时效及固溶+时效处理过程中形成的LPSO相是其循环变形抗力大幅提高的主要原因, 时效态合金在变形过程中形成的孪晶可能是其寿命降低的原因.

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[28]	Jain A, Duygulu O, Brown D W, Tome C N, Agnew S R. Mater Sci Eng, 2008; 486: 545 [本文引用: 1]

1999

... Mg及其合金具有高的比强度和比刚度、良好的抗磁性、导热性、优异的电负性和切削加工性能^[1-3]. 但是镁合金的强度不高, 特别是高温性能较差, 大大限制了其应用. 研究^[4,5]表明, 在Mg及其合金中添加适量的稀土元素, 可以显著提高合金的强度, 改善合金的塑性. 大部分稀土元素与Mg的原子尺寸半径相差在±15%范围内, 在Mg中有较大固溶度, 具有良好的固溶强化和沉淀强化作用, 可以有效改善合金的微观结构, 提高合金室温及高温力学性能, 增强合金耐蚀性和耐热性等^[6,7]. 其中, Drits等^[8]在1979年发现添加Y对镁合金的性能产生有利影响. Zhao等^[9]和Wang等^[10]的研究表明, 加入Y可以使镁合金组织细化, 提高合金的强度, 增加合金断口纤维组织比例从而提高合金塑性. ...

1994

1999

1994

1998

1960

1989

1979

2011

2008

2011

... 以往的研究工作主要集中于研究添加稀土元素对镁合金的显微组织、铸造质量及拉伸力学性能的影响, 而对其疲劳性能方面的研究较少^[11,12]. 本工作主要研究添加Y的Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金(质量分数, 下同)的低周疲劳行为, 以期为稀土镁合金的开发和应用提供可靠依据. ...

2007

1954

... 图3为不同处理状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的循环应变幅与断裂时载荷反向周次2N_f的关系曲线. 可见, 合金的塑性应变幅De_p/2与2N_f之间均呈线性关系, 可以用Coffin-Manson公式来描述^[13,14]: ...

1972

1990

1999

... 材料的循环应力-应变之间的关系可用下述定律来表达^[16]: ...

1999

... 材料的循环应力-应变之间的关系可用下述定律来表达^[16]: ...

2001

... 图5为不同状态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的微观组织. 可以看出, 挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在晶界处形成了椭球状第二相粒子(图5a), 其尺寸约为600 nm, 通过标定分析, 确定此项为I相(Mg₃YZn₆), 图5a中衍射分析的2f和5f方向分别是I相的2次对称轴和5次对称轴. 对于Mg-Zn-Zr-Y系合金而言, 当Zn/Y (质量比)大于4.38时主要形成性能良好的I相, Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的理论Zn/Y比约为14, 大于临界值4.38, 因此, 合金中形成的含Y第二相粒子主要为I相^[17-19]. 由图5b可知, 在疲劳变形过程中, I相粒子会对运动位错产生钉扎作用, 降低可动位错数目的同时提高位错在晶格中的运动摩擦阻力, 使得位错变形阻力增加, 从而促进合金的循环应变硬化. 此外, 晶界也会成为位错运动的障碍, 在晶界和晶界上I相粒子的共同作用下, 大量位错运动受阻, 从而提高合金的循环变形抗力. ...

2000

2001

... 挤压态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在T5处理后除上述I相之外还形成了针状X相(Mg₁₂YZn, 长周期堆垛有序结构, 简称LPSO相), 如图5c所示. 这些针状LPSO相分布于晶界处或晶间, 且相互平行, 它们以晶界为起源向基体内部延伸, 甚至可以发展到贯穿整个晶粒的状态. 这些针状LPSO相的存在, 可以使合金在具有较高强度的同时, 保持其原有的塑性^[20]. 另外, T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金在疲劳变形过程中产生了少量孪晶, 沿晶带轴方向进行分析, 可以得出变形时的孪晶为{

10 \overline{1} 2

10 \overline{1} 1

>, 如图5d所示. 这些孪晶大多始于晶界而止于晶粒内部, 且仅在大晶粒中存在. 这些孪晶可能成为裂纹源, 降低材料的变形能力^[21]. ...

... LPSO相被广泛关注, 源于2001年 Inoue研究小组^[20]通过快速凝固＋挤压工艺制得抗拉强度超过600 MPa的Mg₉₇Zn₁Y₂镁合金, 其强度约为超级铝合金的3倍, 同时具有5%的延伸率和高的耐热和耐腐蚀性能. 后期研究^[22]发现, Mg₉₇Zn₁Y₂合金具有高强度的原因是由于快速凝固导致的纳米级细小晶粒产生的细晶强化和在挤压过程中弥散析出的LPSO产生的第二相强化所致. 对于T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金而言, 基体内的LPSO相呈细长的针状, 由于Mg基体的塑性高于LPSO相, 因此, 塑性变形主要集中在Mg基体中, 位错的运动被限制在LPSO相之间约30~50 nm范围内(图6a). 正是由于针状LPSO相的阻碍, 位错在LPSO相之间的基体内形成平面塞积群, 致使合金的循环变形抗力得以提高. ...

2007

10 \overline{1} 2

10 \overline{1} 1

>, 如图5d所示. 这些孪晶大多始于晶界而止于晶粒内部, 且仅在大晶粒中存在. 这些孪晶可能成为裂纹源, 降低材料的变形能力^[21]. ...

2001

2010

... 研究^[23]表明: 含LPSO相的镁合金在室温至450 ℃范围内压缩变形时, 在LPSO相中观察到了扭折变形的发生. Yang等^[24]在研究AZ31镁合金400 ℃压缩变形过程的动态再结晶演变时, 在Mg基体晶内也观察到了扭折变形的发生. 由图6b可以看出, 在T5态Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的疲劳变形过程中, LPSO相发生了轻微扭折变形, 扭折界面与LPSO相的位相差约为2.5^o. 因此可以判断, 在合金疲劳变形过程中, LPSO相也参与了塑性变形, 这种变形所形成的2.5^o界面属于小角度界面. 在位错的滑移运动过程中, 当晶体的塑性变形受到某些约束时, 就会产生不均匀的局部塑性变形, 即扭折变形. 因LPSO相的硬度(约为130 HV)比Mg基体的硬度(约为30 HV)高出很多, 因此, 在挤压变形过程中较硬的块体LPSO相和较软的Mg基体相的变形不协调, 晶体就可能以扭折的方式变形. 扭折变形的上下界面由符号相反的2列刃型位错构成, 而同一个扭折界面则由符号相同的位错堆积而成. 在塑性变形过程中, 合金中的扭折变形对位错产生钉扎作用, 使合金的变形抗力大幅提高. ...

2003

... 孪生过程是由一些晶体缺陷形成特定的排列而激发. 孪晶界是由刃型晶格位错的密集排列形成的高角度晶界, 它是由局部区域内大量的滑移位错聚集而产生的, 通过位错的重排形成孪晶从而降低能量. 孪晶一般在应力集中的晶界处最先出现, 是由大量的位错堆积引起的, 由于晶体在塑性变形过程中晶界附近的变形不协调, 晶界阻碍了位错的移动, 引起晶界处位错的堆积, 激发了孪晶的形核和长大. 孪晶之所以能使合金发生硬化是由于随着循环变形量的增大, 孪生引起的晶粒转动使晶粒的取向由软取向转化为硬取向, 孪生停止, 组织中孪晶的存在和晶粒取向的变化阻止了滑移的进行, 材料进入硬化阶段. Tome等^[25]认为, 这是由于孪晶能阻碍位错的移动, 或者当位错由孪晶前方穿过孪晶时, 在孪晶内部引起快速的硬化反应. ...

1995

... 另一方面, 孪晶引起的高度应力集中, 是裂纹产生的重要形核点, 并且在许多实验中也观察到在孪晶和孪晶相交的地方形成裂纹, 由此认为孪晶引起的应力集中在裂纹形核中起重要作用^[26,27]. Jain等^[28]认为, 剪切断裂出现在与孪晶带相平行的平面中, 本工作T5态合金中{

10 \overline{1} 2

10 \overline{1} 1

>孪晶的取向更有利于a位错在基面上的滑移, 从而使孪晶本身产生较大的变形, 在随后的变形中在基体-孪晶界上产生较大的变形不相容性, 从而发生断裂. 因此, 在Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金中, 孪晶一方面可以使合金发生硬化, 提高合金的变形抗力; 另一方面孪晶界也可能成为裂纹源, 降低合金的寿命. ...

2007

10 \overline{1} 2

10 \overline{1} 1

2008

10 \overline{1} 2

10 \overline{1} 1

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热处理对挤压变形Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金低周疲劳行为的影响*

INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON LOW-CYCLE FATIGUE BEHAVIOR OF EXTRUDED Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y ALLOY

1 实验方法

2 实验结果

2.1循环应力响应行为

2.2低周疲劳寿命行为

2.3循环应力-应变响应

2.4 微观组织结构分析

3 分析与讨论

3.1 Mg-Zn-Zr-Y合金中LPSO相强化效应

3.2 Mg-Zn-Zr-Y合金中孪生变形行为

4 结论

参考文献 文献选项 原文顺序 文献年度倒序 文中引用次数倒序 被引期刊影响因子

热处理对挤压变形Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金低周疲劳行为的影响^*

参考文献

原文顺序

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