微量SiCp对Mg-5Zn合金高温变形及热加工行为的影响

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镁合金因其特有的密排六方(HCP)结构,室温塑性成形能力差,其变形一般是在一定温度下进行的,在此过程中势必伴随着动态再结晶(DRX)的发生。微米SiCp的加入能够通过颗粒变形区(PDZ)促进镁合金DRX的形核而细化晶粒,但体积分数过高时反而会使镁合金的塑性急剧降低。为此,本文基于微米SiCp促进镁合金DRX形核的思想,采用微量微米SiCp对Mg-5Zn合金的DRX行为进行调控,以期达到细化晶粒提高其塑性成形能力的目的。对微量微米SiCp/Mg-5Zn进行Gleeble热模拟,基于应力-应变曲线,构建本构方程及热加工图,重点探讨微量微米SiCp对Mg-5Zn合金动态再结晶,高温变形行为及热加工行为的影响规律。研究结果表明,微量SiCp的加入有效细化了 Mg-5Zn合金的铸态晶粒尺寸,而随着PDZ尺寸的增大,SiCp/Mg-5Zn材料的铸态晶粒尺寸增大。对Mg-5Zn及SiCp/Mg-5Zn进行高温压缩试验,结果表明,Mg-5Zn合金的流动应力随温度的升高以及应变速率的降低而减小。当应变速率较大时,微量SiCp的加入细化了 Mg-5Zn合金的晶粒尺寸,使其峰值应力减小。而随PDZ尺寸的增加,原始晶粒尺寸增加,峰值应力增加。通过研究微量SiCp对Mg-5Zn合金DRX热力学及动力学的影响,结果表明,微量SiCp的加入减小了 Mg-5Zn合金的DRX临界应变,而随着PDZ尺寸的增大,Mg-5Zn合金的DRX临界应变增大。此外,微量SiCp的加入加快了 Mg-5Zn合金的DRX动力学,而随PDZ尺寸增大,Mg-5Zn合金的DRX动力学减小。Mg-5Zn合金高温压缩后的变形组织表明,在低温高速(543 K和1 s-1)下变形时,Mg-5Zn合金由于变形困难而产生孪晶来协调变形。而微量SiCp的加入在PDZ区域产生较高的位错密度,为孪晶的形核提供了条件。随着应变的增加,SiCp周围的PDZ区具有高的位错密度,对{10(?)1}压缩孪晶及{10(?)1}-{10(?)2}双孪晶处的TDRX具有促进作用。此外,当变形温度较低时,由于微量SiCp的引入,SiCp/Mg-5Zn材料的DRX机制为颗粒刺激形核机制(PSN),连续动态再结晶(CDRX)和孪晶动态再结晶(TDRX)。而当温度升高至693 K时,不连续动态再结晶(DDRX)及PSN机制为其DRX主导机制。采用本构分析对Mg-5Zn合金及SiCp/Mg-5Zn材料的n值及Q值进行计算,Mg-5Zn合金的n值为6,Q值为160.3 kJ/mol。其Q值大于纯镁的晶格自扩散激活能(135 kJ/mol),这是由于Zn元素的加入降低了镁合金的层错能,使其高温塑性变形时由位错交滑移变为高温攀移交滑移。因此Mg-5Zn合金的变形机制为晶格扩散控制的位错攀移交滑移机制。微量SiCp的加入使Mg-5Zn合金的Q值减小,而n值不变。这是由于SiCp的引入在变形过程中PDZ具有高的位错密度,激活了管道扩散(92kJ/mol)。此外,Q值随PDZ尺寸的增加而减小。这是由于PDZ尺寸增加,位错密度增加,促进了管道扩散。因此微量SiCp的引入使Mg-5Zn合金的变形机制变为由晶格扩散与管道扩散共同控制的位错攀移机制。采用动态材料模型绘制了 Mg-5Zn合金及SiCp/Mg-5Zn材料在不同应变下的热加工图。研究发现,微量SiCp的加入缩小了 Mg-5Zn合金的高温失稳区,提高了 Mg-5Zn合金的表面质量,改善了镁合金的塑性成形性能。此外,将微量SiCp/Mg-5Zn材料的失稳区与已报道的镁合金及其复合材料的失稳区相比,微量SiCp/Mg-5Zn材料的失稳区最小。微量SiCp的引入可以避免颗粒体积分数过高而引起的PDZ重叠区应力集中导致材料断裂的失稳。此外,与纳米颗粒相比,微量SiCp可以通过PSN机制促进DRX的发生来进行动态软化,从而避免高应变速率下由于变形抗力过大而发生失稳。
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