镁锂合金压缩变形行为及织构演变

钱兵羽，孙俭峰，何代澄，张莉博

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

轻质高强材料在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景[1-2]。镁锂合金是目前最轻的结构材料，以其为材料制造的预埋件、支架和机箱机壳使高轨卫星减重173 kg，显著提高卫星有效载荷[3]。根据锂含量的不同，可形成具有密排六方晶体结构的α单相镁锂合金、具有体心立方晶体结构β单相镁锂合金及双相镁锂合金[4]。锂质量分数低于5.7%时形成的α单相镁锂合金，虽然强度较高，但塑韧性较差，压力加工困难，限制其应用。为拓展应用领域，学者围绕加工工艺及变形机理等问题做了大量研究。

1 实验材料及方法

1.1 材料与参数

该实验以真空感应熔炼炉自行熔炼的Mg-Li合金(Mg-5Li-3Al-2Zn-1Y)为原料，经300 t卧式挤压机挤压成为直径14 mm的圆棒，挤压比17，挤压温度370 ℃，挤压筒温度280 ℃，挤压速度0.5 mm/s。将挤压变形的材料用石墨粉覆盖，然后用锡薄纸包上在SX-2-10箱式热处理炉中，采用573 K退火1 h的工艺。

1.2 制备方法

利用NH7720电火花线切割机将挤压棒切割成4 mm×4 mm×6 mm的压缩试样。试样方向分别与挤压方向成0°、45°、90°角，图1为取样示意图。

图1 取样示意Fig. 1 Sampling diagram

1.3 实验设备

利用CMT5305型万能试验机对试样进行压缩实验，采用0.09 mm/min的压缩速率，测压缩曲线。利用蔡司显微镜(ZeissLab.A1)观察显微组织，运用Panaly tical公司的Xpert pro X射线衍射仪进行织构分析，采用扫描电子显微镜(CamScan MX2600FE)及其搭载EBSD技术进行显微组织分析。

2 结果与分析

2.1 力学性能

图2为镁锂合金0°、45°、90°方向的压缩应力-应变曲线。从图2可知，0°方向抗压强度为439.48 MPa，45°方向抗压强度为348.13 MPa，90°方向抗压强度为341.34 MPa。0°方向抗压性能最优，90°方向抗压性能最低，镁锂合金挤压型材在压缩变形中表现出明显的各向异性。其原因主要是材料在变形过程中形成了较强的织构。按照木桶原理，后面重点讨论镁锂合金90°方向织构变化。

从曲线特征上看，0°方向应力-应变曲线程“S”型。变形初期拉伸孪晶易启动，曲线缓慢攀升；变形后期，临界分切应力较高的滑移系启动，曲线呈快速硬化特征[11]。45°方向、90°方向压缩变形时，曲线非“S”型。特别是90°方向，当变形量超过10%时，出现明显的塑性失稳现象,初步判定该方向压缩变形过程中，变形机制发生了变化。

2.2 显微组织

图3为90°方向试样退火态及17%压缩变形量后的金相显微组织。镁锂合金在挤压变形后经过了退火处理，退火组织晶粒分布均匀，局部区域存在退火孪晶。随后对退火试件进行压缩实验，在压缩变形量达到17%时，金相组织中出现大量细小的孪晶组织，且在视野内均匀分布。这说明当压缩变形较大时，孪生也是其主要变形机制。

图2 镁锂合金压缩应力-应变曲线Fig. 2 Compressive stress-strain curves of Mg-Li alloy

图3 90°方向试样金相显微组织Fig. 3 Microstructure of sample at 90° direction

2.3 X-射线衍射

图4 镁锂合金90°方向不同压缩量的XRD图Fig. 4 XRD pattern of different compression in 90°direction of Mg-Li alloy

2.4 变形前后EBSD

图5为镁锂合金90°方向压缩变形前极图及反极。

图5 镁锂合金90°方向变形前极图及反极图Fig. 5 Pole figure and inverse pole figure of Mg-Li alloy with 90° to extrusion direction before compression deformation

图6 镁锂合金90°方向变形后极图及反极图Fig. 6 Pole figure and inverse pole figure of Mg-Li alloy with 90° to extrusion direction after compression deformation

2.5 织构演变规律

滑移系(或孪生系)是否开动可用Schmid取向因子衡量。在轧制状态下Schmid因子的计算公式[12]为

ms=cosαcosβ-cosγcosδ，

(1)

式中：α、β——RD与滑移方向和滑移面的夹角；

γ、δ——ND与滑移方向和滑移面的夹角。

同样的方法也可计算孪晶系的Schmid因子。考虑到镁为六方晶系，用四轴坐标指数表达，在计算时首先转换为正交坐标系下的对应指数，根据式(1)进行计算。

表1 镁锂合金典型滑移系相对取向因子值

表2 镁锂合金典型滑移系(孪生系)相对取向{0001}因子值

3 结 论

(1)镁锂合金在压缩变形过程中表现出明显的各向异性。当压缩方向平行ED方向时，抗压强度最高；当压缩方向垂直ED方向时，抗压强度最低。