熱處理對Mg-8.5Li-6.6Zn-1.5Y合金微觀結(jié)構(gòu)和變形行為的影響
1 研究概述
Mg-Li合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料,在汽車運(yùn)輸、航空航天和電子信息等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)Li含量在5.7~10.3 wt%之間時,合金形成典型的(α+β)雙相結(jié)構(gòu),其中α-Mg為密排六方結(jié)構(gòu)(HCP),β-Li為體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)。雙相Mg-Li合金在強(qiáng)度和塑性之間實(shí)現(xiàn)了較好的平衡。然而,鑄態(tài)Mg-Li合金的強(qiáng)度通常低于傳統(tǒng)鎂合金,進(jìn)一步改善其力學(xué)性能成為研究重點(diǎn)。
在Mg-Li合金中添加Zn和Y元素會引入納米級Li-Mg-Zn相和微米級Mg-Zn-Y相(如I-Mg?Zn?Y二十面體準(zhǔn)晶相、LPSO-Mg??ZnY長周期堆垛有序相和W-Mg?Zn?Y?相)。這些析出相能顯著提高合金強(qiáng)度,但脆性的Mg-Zn-Y相常沿相界和晶界連續(xù)分布,導(dǎo)致塑性下降。因此,如何打破或溶解連續(xù)分布的脆性相、同時兼顧強(qiáng)度與塑性提升,是Mg-Li合金研究中的關(guān)鍵問題。
針對上述問題,南昌大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院劉勇團(tuán)隊(duì)在《Journal of Rare Earths》(2024,Vol.42,2293-2302)發(fā)表了題為“Effect of heat-treatment on microstructure and deformation behavior of Mg-8.5Li-6.6Zn-1.5Y alloy"的文章。該研究以Mg-8.5Li-6.6Zn-1.5Y(簡稱LZW861)鑄態(tài)合金為對象,通過熱處理調(diào)控微觀組織,建立微觀組織與變形行為的關(guān)聯(lián),揭示強(qiáng)度和塑性協(xié)同提升的內(nèi)在機(jī)制。
2 實(shí)驗(yàn)方法
LZW861鑄錠采用真空感應(yīng)熔煉制備,化學(xué)成分經(jīng)電感耦合等離子體(ICP)分析如表1所示。熱處理工藝基于I-phase與α-Mg共晶結(jié)構(gòu)的分解溫度(約420°C)和最佳溶解溫度(450°C),設(shè)計(jì)如下:在450°C保溫6小時后分別采用水冷(WC)、空冷(AC)和爐冷(FC)三種冷卻方式。微觀表征采用光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)配備能譜分析(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)以及電子背散射衍射(EBSD)等手段。力學(xué)性能通過室溫拉伸試驗(yàn)評價(jià),變形行為通過準(zhǔn)原位拉伸試驗(yàn)結(jié)合SEM觀察進(jìn)行研究。
元素 | Li | Zn | Y | Mg | 總計(jì) |
含量 (wt%) | 8.5 | 6.6 | 1.5 | 剩余部分 | 100 |
表1 LZW861合金的化學(xué)成分
3 微觀組織演變
LZW861鑄態(tài)合金呈現(xiàn)(β+α)雙相結(jié)構(gòu),共晶組織(主要為網(wǎng)狀I(lǐng)-phase)沿相界和晶界連續(xù)分布。XRD分析表明,合金主要由α-Mg、β-Li、I-Mg?Zn?Y和W-Mg?Zn?Y?相組成。經(jīng)450°C/6h熱處理后,合金微觀組織發(fā)生三個主要變化(圖1、圖2):
圖1 LZW861合金熱處理前后的光學(xué)顯微組織:(a) 鑄態(tài);(b) 450°C/6h-WC;(c) 450°C/6h-AC;(d) 450°C/6h-FC
(1)連續(xù)網(wǎng)狀I(lǐng)-phase溶解。高溫保溫使晶界處的I-phase分解,Zn和Y原子溶入基體,消除了連續(xù)脆性相對塑性的不利影響。
(2)塊狀α-Mg消失并轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小彌散的條帶狀α-Mg。冷卻速率直接影響α-Mg的平均尺寸:水冷條件下α-Mg幾乎不析出(圖1b),空冷條件下形成細(xì)小針狀α-Mg(圖1c),爐冷條件下α-Mg尺寸明顯增大(圖1d)。
圖2 LZW861合金熱處理前后的SEM形貌及EDS分析:(a) 鑄態(tài);(b) 450°C/6h-WC;(c) 450°C/6h-AC;(d) 450°C/6h-FC
(3)β-Li基體中彌散分布的(Li,Mg)?Zn納米析出相含量增加。TEM觀察表明(圖3、圖4),熱處理過程中形成的二次納米顆粒相比鑄態(tài)一次顆粒平均尺寸減小約50%(從85.7nm降至約40nm),Zn含量降低約33%,但保持相同的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系:(200)(Li,Mg)?Zn // (200)β-Li和<110>(Li,Mg)?Zn // <110>β-Li。這種平行(200)面作為(Li,Mg)?Zn相的慣習(xí)面,促進(jìn)了析出相的形核和生長。
圖3 β-Li基體中納米顆粒的TEM形貌:(a) 鑄態(tài);(b) 450°C/6h-WC;(c) 450°C/6h-AC;(d) 450°C/6h-FC
圖4 450°C/6h-AC合金中一次和二次納米顆粒的TEM分析:(a,b) STEM-EDS分析;(c,d) SAED花樣
圖5 LZW861合金熱處理前后的XRD圖譜
3.1 相變機(jī)理
α-Mg的再析出過程遵循固態(tài)相變動力學(xué)。在450°C高溫下,Mg和Zn原子在Li基體中的固溶度分別達(dá)到90.5 wt%和12.5 wt%(室溫下分別為89 wt%和4 wt%)。高溫保溫使塊狀α-Mg溶解,導(dǎo)致β-Li固溶體過飽和。I-phase的溶解降低了晶界擴(kuò)散勢壘,使Mg原子在β-Li中均勻分布。冷卻過程中,隨溫度降低固溶度下降,過飽和度升高,為α-Mg和(Li,Mg)?Zn相的析出提供了驅(qū)動力。
EBSD分析證實(shí)(圖6),α-Mg與β-Li之間存在Burgers取向關(guān)系:Li //Mg和<111>Li //<11-20>Mg。這種取向關(guān)系降低了界面能,促進(jìn)了α-Mg沿特定晶面形核和生長。冷卻速率越慢,α-Mg相的生長越充分,尺寸越大。
圖6 450°C/6h-AC合金的微觀組織和織構(gòu):(a) 光學(xué)顯微圖;(b) 相位分布圖;(c) 相對于(0001)Mg和(110)Li的HCP α-Mg 和 BCC β-Li 極圖
圖7 LZW861合金熱處理前后相變示意圖:(a) 鑄態(tài);(b) 450°C/6h-WC;(c) 450°C/6h-AC;(d) 450°C/6h-FC
4 力學(xué)性能
室溫拉伸試驗(yàn)表明(圖8),熱處理后LZW861合金的強(qiáng)度和塑性均得到提升。與鑄態(tài)相比,空冷態(tài)合金的屈服強(qiáng)度(YS)從147 MPa提升至192 MPa,抗拉強(qiáng)度(UTS)從189 MPa提升至242 MPa,延伸率(EL)從17.8%提升至22.3%。爐冷態(tài)雖延伸率有所提高,但由于α-Mg尺寸過大導(dǎo)致強(qiáng)度略有下降;水冷態(tài)因α-Mg幾乎不析出,強(qiáng)化效果有限。
圖8 LZW861合金熱處理前后的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線
值得注意的是,450°C/6h-AC熱處理后合金的強(qiáng)化效果超越了大多數(shù)已報(bào)道的Mg基和Mg-Li基合金(圖9),表明該熱處理工藝在同時提升強(qiáng)度和塑性方面具有顯著優(yōu)勢。
圖9 各種Mg基熱處理合金的屈服強(qiáng)度與延伸率對比
狀態(tài) | YS (MPa) | UTS (MPa) | EL (%) |
鑄態(tài) | 147 | 189 | 17.8 |
450°C/6h-WC | 166 | 211 | 19.2 |
450°C/6h-AC | 192 | 242 | 22.3 |
450°C/6h-FC | 151 | 199 | 21.5 |
表2 LZW861合金不同狀態(tài)下的力學(xué)性能
5 強(qiáng)化機(jī)制
熱處理后LZW861合金強(qiáng)度的顯著提升主要?dú)w因于兩個因素:
5.1 細(xì)針狀α-Mg沉淀強(qiáng)化
經(jīng)450°C/6h-AC熱處理后,塊狀α-Mg消失,轉(zhuǎn)變?yōu)樵?/span>β-Li基體中彌散均勻分布的大量細(xì)小針狀α-Mg析出相(圖1c)。這些析出相顯著增加了界面密度,是強(qiáng)度提升的主要原因之一。細(xì)小且彌散分布的α-Mg通過Orowan機(jī)制阻礙位錯運(yùn)動,有效提高了合金的屈服強(qiáng)度。相比之下,爐冷條件下α-Mg尺寸過大(圖1d),強(qiáng)化效果減弱;水冷條件下α-Mg幾乎不析出(圖1b),缺乏有效的沉淀強(qiáng)化貢獻(xiàn)。
5.2 (Li,Mg)?Zn納米顆粒切割機(jī)制
TEM分析表明,熱處理過程中β-Li基體中彌散分布的(Li,Mg)?Zn納米顆粒數(shù)量增加。二次納米顆粒相比一次顆粒尺寸更?。ㄆ骄s40nm vs. 85.7nm),具有更高的體積分?jǐn)?shù)。由于(Li,Mg)?Zn與β-Li基體具有相同的晶體結(jié)構(gòu)(BCC)和一致的取向關(guān)系,滑移位錯能夠穿透彌散分布于β-Li基體中的(Li,Mg)?Zn納米顆粒。因此,一次和二次納米顆粒均通過位錯切割機(jī)制(而非Orowan繞過機(jī)制)強(qiáng)化基體。這種機(jī)制下,納米析出相與基體之間持續(xù)的滑移協(xié)調(diào)變形,在強(qiáng)化基體的同時維持了良好的塑性。
此外,二次納米顆粒相比一次顆粒具有更低的Zn含量(降低約33%),說明在保溫過程中元素間的相互作用降低了固溶度,進(jìn)一步促進(jìn)了(Li,Mg)?Zn相的析出。
6 變形協(xié)調(diào)性
450°C/6h-AC熱處理后,LZW861合金的延伸率從17.8%提升至22.3%。塑性變形能力的顯著改善伴隨著應(yīng)變硬化階段和軟化階段的延長(圖8),這表明相間變形協(xié)調(diào)性得到增強(qiáng)。準(zhǔn)原位拉伸試驗(yàn)結(jié)合SEM觀察揭示了其變形機(jī)制。
圖10 LZW861合金不同狀態(tài)下的拉伸形貌:(a,c) 鑄態(tài);(b,d) 450°C/6h-AC
6.1 I-phase溶解對變形協(xié)調(diào)的貢獻(xiàn)
鑄態(tài)合金中,沿晶界連續(xù)分布的網(wǎng)狀I(lǐng)-phase作為脆性相嚴(yán)重阻礙了基體的塑性變形。準(zhǔn)原位拉伸觀察表明(圖11a-d),鑄態(tài)合金中α-Mg和β-Li相內(nèi)的滑移跡線受到I-phase的阻擋,導(dǎo)致顯著的變形局部化。I-phase/β-Li界面處位錯堆積產(chǎn)生高應(yīng)力集中,促進(jìn)I-phase的脆性開裂和集中裂紋的形成(圖9a,c)。裂紋主要沿I-phase和α/β界面擴(kuò)展。
經(jīng)450°C/6h-AC熱處理后,連續(xù)網(wǎng)狀I(lǐng)-phase溶解(圖11e-h),基體的塑性變形更加充分。I-phase消失后對滑移的阻礙顯著降低,裂紋主要出現(xiàn)在彌散分布的α/β界面處(圖12b,d),且微裂紋在萌生后不會迅速擴(kuò)展,合金表現(xiàn)出更加均勻的塑性變形。
圖11 鑄態(tài)和450°C/6h-AC合金在1.2%(a)、2.1%(b)、6.3%(c)、12.6%(d)、1.4%(e)、2.8%(f)、8.3%(g)、14.1%(h)拉伸應(yīng)變下的準(zhǔn)原位微觀組織演變觀察
圖12 LZW861合金鑄態(tài)(a,c,e)和450°C/6h-AC熱處理態(tài)(b,d,f)的表面裂紋分布、裂紋擴(kuò)展及斷裂形貌
6.2 α-Mg細(xì)化對變形協(xié)調(diào)的貢獻(xiàn)
熱處理后,α-Mg相變得細(xì)小被連續(xù)的β-Li基體包圍。這種組織形態(tài)增加了相界影響區(qū)和應(yīng)力集中點(diǎn)的數(shù)量,可作為位錯源。SEM觀察表明(圖13),在熱處理態(tài)合金的細(xì)小α-Mg相內(nèi)形成了大量致密的滑移線,表明α-Mg相參與了顯著的塑性變形。相比之下,鑄態(tài)合金中粗大的α-Mg相內(nèi)部滑移線稀疏,變形不充分。
圖13 鑄態(tài)(a)和450°C/6h-AC熱處理態(tài)(b) LZW861合金的滑移跡線SEM形貌
6.3 幾何必要位錯(GND)與背應(yīng)力強(qiáng)化
在軟硬兩相之間的應(yīng)變不協(xié)調(diào)會在相界處產(chǎn)生幾何必要位錯(GNDs)。GNDs在界面處積累產(chǎn)生方向相反的內(nèi)應(yīng)力:作用于軟相的背應(yīng)力(σb)強(qiáng)化軟相,作用于硬相的前向應(yīng)力(σf)促進(jìn)硬相的變形(圖14)。這種機(jī)制有效調(diào)控了α-Mg和β-Li兩相的微觀變形行為。熱處理后,細(xì)小彌散的α-Mg相增加了相界面積和GNDs密度,提高了背應(yīng)力水平,從而有效促進(jìn)了α-Mg相的變形,使兩相間的變形更加協(xié)調(diào)。
圖14 LZW861合金鑄態(tài)和450°C/6h-AC熱處理態(tài)中α-Mg和β-Li相界影響區(qū)示意圖
7 結(jié)論
本研究通過熱處理調(diào)控LZW861合金的微觀組織,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的協(xié)同提升,主要結(jié)論如下:
(1)450°C保溫6小時后,連續(xù)網(wǎng)狀I(lǐng)-phase和塊狀α-Mg相溶解。隨后的冷卻過程中α-Mg可重新析出,冷卻速率直接影響α-Mg相的平均尺寸:冷卻越慢,α-Mg相越大。空冷條件下獲得細(xì)小彌散的針狀α-Mg析出組織。
(2)空冷態(tài)(450°C/6h-AC)合金的強(qiáng)度和塑性同時達(dá)到最佳:YS從147 MPa提升至192 MPa,UTS從189 MPa提升至242 MPa,EL從17.8%提升至22.3%。強(qiáng)度提升歸因于β-Li基體中均勻彌散的細(xì)小針狀α-Mg析出相的沉淀強(qiáng)化,以及(Li,Mg)?Zn納米顆粒含量的增加對基體的強(qiáng)化貢獻(xiàn)。
(3)塑性提升歸因于網(wǎng)狀I(lǐng)-phase的溶解和α-Mg相的細(xì)化。I-phase溶解消除了連續(xù)脆性相對滑移的阻礙,α-Mg細(xì)化增加了相界面積和GNDs密度,通過背應(yīng)力機(jī)制促進(jìn)了α-Mg相的塑性變形,顯著改善了相間變形協(xié)調(diào)性,同時減弱了彌散分布的α/β界面處微裂紋的形成和擴(kuò)展。
原文閱讀:Effect of heat-treatment on microstructure and deformation behavior of Mg-8.5Li-6.6Zn-1.5Y alloy - ScienceDirect
版權(quán)所有 © 2026 凱爾測控試驗(yàn)系統(tǒng)(天津)有限公司 備案號:津ICP備18003419號-2 技術(shù)支持:化工儀器網(wǎng) 管理登陸 GoogleSitemap