Y对Mg-3Nd-0.3Zr合金动态应变时效的影响*

吴皓月，上官晓峰，刘秀兰，陈 建，刘栩东

(西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021)

锯齿流变又称为Portevin-Le-Chatelier (PLC)效应，在一定的温度和应变速率下才会发生.对于该现象已提出多种理论模型，1953年文献[1]提出的动态应变时效(Dynamic Strain Aging,DSA)理论，即溶质原子向位错偏聚，形成溶质原子气团对位错钉扎，随应力增大脱钉，如此反复形成锯齿；位错剪切第二相理论[2]，即位错受到细小第二相阻碍，随应力增大切过障碍物，这两种模型最常用.锯齿一般分为A、B、C三种类型，A型出现在低温或高应变速率，C型出现在高温或低应变速率，B型介于两者之间，A与B型锯齿在基线以上，C型在基线以下.DSA可以在高温下出现，且合金的强度有所提高，是一种材料强化机制，可用于提高镁合金高温强度.

镁合金PLC效应已有相关报道，文献[3]在240～285 ℃之间有较明显的屈服现象，认为屈服的出现除了非基面滑移机制提供变形外，还有其它变形模式使均匀化应变传播.随晶粒尺寸的增大，临界应变量也相应增大，而文献[4]合金在0～35 ℃温度范围内，屈服和流变应力对晶粒尺寸的依赖性很小，临界应变量不受晶粒尺寸控制，因此有必要选择晶粒尺寸相当的不同合金进行对比试验.添加非稀土元素的镁合金锯齿温度范围比较低或不出现锯齿，如文献[5]所示锯齿出现在20～100 ℃，锯齿的出现归因于DSA与位错剪切第二相相互竞争；Mg-Al合金室温并不会出现锯齿，经SPS烧结后的合金室温出现锯齿，这与合金中O或N元素密切相关[6].无论Y、Gd、Ce等二元稀土镁合金[7-9]还是WE54、Mg-Nd-Zn等[10-11]向非稀土合金中加入不同种类的稀土元素，锯齿温度范围基本在150～300 ℃内，说明稀土元素能稳定锯齿温度范围，这也提供了本文实验的温度条件.由静应变时效效应和负的应变速率敏感系数表明时效处理的WE54锯齿流变与DSA有关[10]，但锯齿的应力跌幅等特征并没有定量描述，不能与固溶态的Mg-Y合金进行锯齿特征的定量比较，得出Y对DSA的作用.文中通过对Mg-5Y-3Nd-0.3Zr和Mg-3Nd-0.3Zr固溶合金以不同温度下进行压缩实验，通过压缩性能曲线对锯齿的类型、临界应变量、应力跌落分布等特征进行分析，以期得出Y元素对Mg-3Nd-0.3Zr合金锯齿变化的一般规律并解释发生该变化的原因.

1 实验方法

试验用Mg-5Y-3Nd-0.3Zr和Mg-3Nd-0.3Zr铸态合金在坩埚式电阻炉中熔炼制得，表1为实验合金成分.用电火花切割方法获得10 mm×10 mm×20 mm的压缩试样.实验前对试样进行固溶处理，固溶工艺分别为：Mg-5Y-3Nd-0.3Zr(510 ℃×8 h)和Mg-3Nd-0.3Zr(500 ℃×6 h)，70 ℃水淬.金相试样经砂纸逐级打磨至2000#，电解抛光和腐蚀后，在Nikon-300金相显微镜下观察，晶粒尺寸由截点法测得.压缩试验在UTM5105电子万能试验机上进行，高温试验在高低温试验箱中进行，温度误差为±2 ℃.采用岛津XRD-6000型X射线衍射仪和Quanta FEI 400场发射扫描电镜对试样进行物相、微观组织以及成分分析.实验温度为25 ℃和200 ℃，应变速率为4.17×10-5s-1(0.05 mm·min-1)，压缩前保温5 min.

表1 镁合金化学成分(w/%)

2 实验结果与分析

2.1 固溶合金显微组织及结构分析

图1为Mg-5Y-3Nd-0.3Zr和Mg-3Nd-0.3Zr固溶态金相组织照片，可发现晶粒大小分布均匀,晶粒尺寸基本相等.图2为Mg-5Y-3Nd-0.3Zr和Mg-3Nd-0.3Zr固溶态X射线衍射图谱.可看到，固溶之后主要为α-Mg的衍射峰，其中Mg-3Nd-0.3Zr二倍角为28°附近出现较弱的Mg41Nd5相的衍射峰.Mg-5Y-3Nd-0.3Zr合金衍射峰较Mg-3Nd-0.3Zr的弱，这可能与元素Y引起Mg-5Y-3Nd-0.3Zr合金凝固过程中生长取向不同有关[12].由于稀土元素在不同温度下固溶度的差异，Mg-Y-Nd-Zr合金固溶后还残存部分Mg24Y5相[13],实验中除了α-Mg相,并未发现其它相，这可能由于这些相含量较少.

2.2 室温与热压缩力学性能测试

图3为Mg-5Y-3Nd-0.3Zr和Mg-3Nd-0.3Zr合金的压缩应力-应变曲线.将Mg-5Y-3Nd-0.3Zr和Mg-3Nd-0.3Zr分别用合金1和2表示.图中两合金室温压缩曲线光滑，而200 ℃下均有锯齿且合金2的锯齿现象更明显.表2为合金1和2的压缩力学性能，合金1的200 ℃屈服强度仅比室温高4.75 MPa,合金2则高出25.94 MPa；室温合金1的屈服强度为132.52 MPa，合金2为83.65 MPa，室温屈服强度差为48.87 MPa；200 ℃合金1的屈服强度为137.27 MPa，合金2为109.59 MPa，屈服强度差为27.68 MPa;200 ℃合金1与2的最大均匀应变量分别为16.49%和17.48%，应变差值不大.研究表明,DSA可以引起屈服应力和流变应力的升高，延缓应力随温度升高而下降的速度，提高材料的强度，因此可以得出Y元素可以明显提高合金室温力学性能和高温力学性能，而DSA对Mg-5Y-3Nd-0.3Zr合金高温强度提高很少，对Mg-3Nd-0.3Zr合金有一定提高作用.由于Mg-3Nd-0.3Zr合金有Mg41Nd5相，在热变形中该相逐渐分解增加了Nd元素的浓度，而Mg-5Y-3Nd-0.3Zr合金仅有α-Mg相，溶质原子浓度含量不变，所以Mg-3Nd-0.3Zr合金屈服强度提高幅度(高温屈服强度与室温屈服强度的差值)比Mg-5Y-3Nd-0.3Zr提高幅度高21.19MPa.

图1 合金固溶处理金相照片

图2 X射线衍射图谱

图3 压缩应力-应变曲线

合金成分温度/℃屈服强度/MPa抗压强度/MPaMg5Y3Nd0.3Zr200137.27286.32室温132.52284.00Mg3Nd0.3Zr200109.59273.19室温83.65237.00

2.3 锯齿屈服曲线特征分析

锯齿的特征可以用临界应变量(εc)、锯齿类型、应力跌幅、等待时间和飞行时间等进行描述.

临界应变量为开始出现锯齿对应的应变值，变形初期需要一定的应变量提供溶质原子扩散的空位，临界应变量与变形温度和应变速率有关.图3中如箭头所指为合金1和2的εc，分别为4.98%和2.20%，两合金在相同的温度和应变速率下实验，说明在相同变形条件下，合金1需要更多的空位满足溶质原子扩散.由于Y的原子半径为1.78 Å，Nd为1.66 Å，都比Mg(原子半径1.60 Å)大，认为两种原子在Mg合金中的扩散速率会更低[10]，也即加入Y、Nd后溶质原子扩散困难.

合金1和2的锯齿类型分别为B+C和B型,如图1和3曲线放大图.锯齿类型受变形温度、应变速率和合金成分影响.实验中，温度和应变速率恒定，因此元素Y的添加导致了锯齿类型的变化.

图4为合金频数—应力跌幅分布图.在同一应力-应变曲线上，锯齿类型不同，应力跌幅值出现突变.图4(a)对应合金1的B+C型锯齿，图4(b)对应合金2的B型锯齿.图4(a)概率统计函数为双峰型,Ⅰ段的应力跌幅值小，为B型锯齿，Ⅱ段应力跌幅在1～2.2 MPa，为C型锯齿，锯齿个数明显减少，均为曲线中出现的大锯齿，随应变量的增加开始才会出现明显的大锯齿.由于随应变量增加，扩散空位增加，加速溶质原子扩散速度，钉扎位错程度更大，应力跌幅变大，形成大锯齿.图4(b)形成单峰统计函数，图4(a)的Ⅰ段为B型锯齿，Ⅱ段为C型锯齿，与图4(b)相比锯齿总个数要少，应力跌幅小.合金1中添加的元素Y比Mg和Nd的原子半径都大，Y元素固溶在Mg合金中，引起合金晶格畸变，不仅Y原子向位错扩散困难，反而阻碍了Nd原子的扩散，产生的有效钉扎的原子数量少，钉扎作用弱，溶质原子与位错交互作用弱，脱钉所需的临界应力小，在应力-应变曲线上表现为锯齿稀疏且锯齿应力跌幅小.因此，稀土元素Y和Nd共存并不能进一步增强Mg合金的锯齿流变行为，这与固溶原子半径差有关.

图5为等待时间和飞行时间分布图，其中等待时间(tw)为某一应力谷值时刻至相邻下一峰值时刻所经历的时间，即位错在障碍物前平均等待时间，飞行时间(tf)为某一应力峰值时刻至相邻下一谷值时刻应力跌落所经历的时间，即位错在障碍物之间迁移平均耗费时间.为了方便统计合金1选取锯齿明显的Ⅱ段(图4(a))进行统计.图5(a)为等待时间分布图，图中合金1和2出现频数较高的等待时间长度相当.变形过程中，溶质原子对位错的钉扎所用的时间基本相当，由上文εc分析，合金1溶质原子扩散困难，因此合金1钉扎过程中钉扎位错的溶质原子数量较少，就可将位错钉扎住，也说明可动位错运动速度缓慢.而图5(b)为飞行时间分布图，图中合金1飞行时间比合金2长.合金1中位错需要更长的飞行时间，也说明位错在含Y元素的合金1中受到的阻碍大，晶格畸变增大，阻碍位错运动，使位错的运动速率减缓.因此Y原子的添加一方面阻碍了溶质原子的扩散，另一方面还减缓了位错运动速度.

图4 频数-应力跌幅分布图

图5 频数-时间分布图Fig.5 Distribution of frequency vs time

3 结 论

1) 通过高温慢速压缩试验，研究了Mg-3Nd-0.3Zr和Mg-5Y-3Nd-0.3Zr两种镁合金的高温压缩力学性能，研究发现压缩应力-应变曲线均出现锯齿流变现象.

2) 相同应变速率下，添加稀土元素Y对Mg-3Nd-0.3Zr在室温下的强化效应显著，屈服强度提高约49 MPa，200 ℃热压时屈服强度提高约28 MPa；Y的添加使得溶质原子扩散和可动位错运动难度加大，使Mg-3Nd-0.3Zr合金锯齿类型由B转为C型，应力跌落分布由单峰分布变为双峰分布.

3) 后续将进一步研究其他含Y系列镁合金的动态应变时效，以明确Y影响镁合金动态应变时效的机制.

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