柱状多晶Mg-Gd-Y合金形变组织演变及形变硬化机制_柴涛.pdf
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1、材料导报 Materials Reports ISSN 1005-023X,CN 50-1078/TB 材料导报网络首发论文材料导报网络首发论文 题目:柱状多晶 Mg-Gd-Y 合金形变组织演变及形变硬化机制 作者:柴涛,耿传刚,房大然,赵圣诗,林小娉,董允 网络首发日期:2023-01-19 引用格式:柴涛,耿传刚,房大然,赵圣诗,林小娉,董允柱状多晶 Mg-Gd-Y 合金形变组织演变及形变硬化机制J/OL材料导报.https:/ 网络首发网络首发:在编辑部工作流程中,稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定,且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件
2、。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式(包括网络呈现版式)排版后的稿件,可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定;学术研究成果具有创新性、科学性和先进性,符合编辑部对刊文的录用要求,不存在学术不端行为及其他侵权行为;稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准,正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性,录用定稿一经发布,不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容,只可基于编辑规范进行少量文
3、字的修改。出版确认出版确认:纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有限公司签约,在中国学术期刊(网络版)出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版,以单篇或整期出版形式,在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊(网络版)是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物(ISSN 2096-4188,CN 11-6037/Z),所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。材料导报,2023,37(10):21110055 DOI:10.11896/cldb.21110055 http:/www.mater- 基金项目:国家自然科学基金(51775
4、099);河北省自然科学基金(E2018501033;E2021501019)This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China(51775099);The Natural Science Foundation of Hebei Province(E2018501033,E2021501019).柱状多晶柱状多晶 Mg-Gd-Y 合金形变组织演变及形变硬化机制合金形变组织演变及形变硬化机制 柴涛1,耿传刚1,房大然1,2,赵圣诗1,2,林小娉1,2,3,董允1,2 1 东
5、北大学材料科学与工程学院,沈阳 110819 2 东北大学秦皇岛分校资源与材料学院,秦皇岛 066004 3 秦皇岛先进金属与成型技术实验室,秦皇岛 066004 利用定向凝固技术制备了生长取向集中于224 3、基面滑移取向因子(Schmid Factor,SF)0.4 的柱状多晶 Mg-6.38Gd-0.45Y 合金,并研究了实验合金室温拉伸形变行为。结果表明,形变初期,软取向柱状晶内首先启动1012拉伸孪生协调应变。形变过程中,1012拉伸孪晶界快速、大范围扩展吞噬基体并使基体取向逐渐转为1210(SF0.15),于是启动101 1压缩孪生和101 1-101 2双孪生协调应变。压缩孪晶和
6、双孪晶易形成压缩孪晶带群、并贯穿整个晶粒,滑移或扩展的位错及拉伸孪晶界与压缩孪晶带群交织在一起产生形变硬化,提高合金强度的同时也形成应力高度集中分布区域,成为微裂纹形成之地。关键词关键词 晶体生长取向 Mg-Gd-Y 合金 拉伸孪生 压缩孪晶带群 通信作者:通信作者:林小娉, 中图分类号:中图分类号:TG166.4 文献标识码:文献标识码:A 引用格式:引用格式:柴涛,耿传刚,房大然,赵圣诗,林小娉,董允.柱状多晶 Mg-Gd-Y 合金形变组织演变及形变硬化机制 J.材料导报,2023,37(10):21110055.Microstructure evolution and strain ha
7、rdening mechanism of Mg-Gd-Y alloy with columnar polycrystalline structure CHAI Tao1,GENG Chuangang1,FANG Daran1,2,ZHAO Shengshi1,2,LIN Xiaoping1,2,3,DONG Yun1,2 1 School of Materials Science and Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China 2 School of Resources and Materials,Northeaste
8、rn University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004,China 3 Qinhuangdao Key Laboratory of Advanced Metal Materials and Forming Technology,Qinhuangdao 066004,China The Mg-6.38Gd-0.45Y alloy with columnar polycrystalline structure was prepared by directional solidification.The growth orientation of the co
9、lumnar crystals is concentrated in 2243,and the Schmid factor(SF)of basal slip system of columnar crystals is greater than 0.4.Afterwards,the tensile deformation of the alloy at room temperature was studied.At the initial stage of deformation,101 2 tensile twinning in columnar crystals in soft orien
10、tation are activated to 网络首发时间:2023-01-19 09:42:16网络首发地址:https:/ DOI:10.11896/cldb.21110055 http:/www.mater- coordinate strain.Thereafter,1012 tensile twin boundaries can expand rapidly and widely,and swallow the matrix,which will gradually change the orientation of the matrix to 1210 (SF 0.15).As a
11、 result,101 1 compression twinning and 101 1-101 2 double twinning are started to coordinate deformation.Compression twins and double twins are easy to form compression twin bands,and running through the whole grain.Subsequently,the extended dislocations and tensile twin boundaries are intertwined w
12、ith compression twin bands,thus strain hardening occurs.However,the strengthening results in severe stress concentration in some regions,where microcracks will arise.Keywords:Growth orientation,Mg-Gd-Y alloy,Tensile twinning,Compression twin bands Correspondence:Xiaoping Lin, 0 引言引言 HCP 结构镁合金室温下仅有两个
13、独立基面滑移系,无法满足 Von Misiess 准则,导致其室温塑性变形能力较差,因此提高镁合金室温塑性变形能力成为当前亟待解决的问题1-4。Livingston5 及 Chalmers6-7 等研究表明,双晶体均匀塑性变形仅需 23 个独立滑移系。由此,具有柱状晶组织的镁合金更易获得良好的室温塑性。而定向凝固技术是制备柱状晶组织最成熟、经济的方法8。目前,有关定向凝固镁合金室温力学性能方面已展开一些研究。Liu 等9研究定向凝固Mg-3.0Nd-1.5Gd 合金力学性能时发现,其抗拉强度 b和延伸率 分别由非定向凝固的 78 MPa 和 8%提高到 103 MPa 和 28%。Wang 等
14、10研究定向凝固 Mg-2.35Gd 合金力学性能时发现,其抗拉强度 b和延伸率 分别由非定向凝固合金的 69 MPa 和 14%增加到 94 MPa 和18%。近期,大阪大学 Hagihara 等11研究单晶 Mg99.2Zn0.2Y0.6合金晶体取向对力学性能影响时发现,当应力轴1122、应力轴1120或应力轴0001方向时,其压缩屈服强度分别为 9 MPa、130 MPa 和 350 MPa,显示出强烈的各向异性。Lin 等12 研究(SF1.0)取向生长柱状多晶 Mg-Zn-Y-Zr 合金时发现,其屈服强度为 180 MPa、延伸率为 20%。可见,HCP 结构镁合金室温力学性能具有明
15、显的各向异性13。但目前,有关柱状晶晶体生长取向与力学性能相关性研究报道较少。因此,本文以 Mg-Gd-Y 合金作为研究对象,拟利用定向凝固工艺与合金成分调控柱状晶生长取向,制备出各柱状晶基面滑移 SF0.40(软取向)的柱状多晶镁合金14。对软取向柱状多晶镁合金进行室温拉伸实验,并利用 EBSD 研究软取向柱状多晶镁合金拉伸形变组织演变及晶界应变协调机制。阐明软取向柱状多晶镁合金形变机制,这对研发高强塑积镁合金有着重要的意义。1 实验材料及实验方法实验材料及实验方法 利用真空(真空度为 2.410-6 Pa)感应加热(熔化)、浇注和提拉一体的定向凝固装置,材料导报,2023,37(10):2
16、1110055 DOI:10.11896/cldb.21110055 http:/www.mater- 制备定向凝固 Mg-6.0Gd-0.5Y 合金15-16。所用原材料为镁锭(Mg99.98%(质量分数)、Mg-30%(质量分数)Gd 和 Mg-30%(质量分数)Y 中间合金。熔炼温度:780,保温 20 min。定向凝固工艺参量:温度梯度 70 K/cm,抽拉速率:5 mm/min。将熔化好的金属液浇注到石墨型(5 循环水冷)腔中,最终获得尺寸为 25 mm120 mm 棒料。经 ICAP6300 等离子体光谱测定实验合金的化学成分(质量分数):6.38%Gd,0.45%Y,Mg 余量。
17、使用线切割机从圆柱棒料柱状晶稳定生长区切取拉伸试样,如图1所示。采用WDW3100型万能试验机,以 0.2 mm/min(0.0001 s-1)应变速率进行室温单轴拉伸实验。图图 1 拉伸试样示意图(单位:毫米)Fig.1 The shape and dimensions of tensile samples(unit:mm)采用 DMI5000M 型光学金相显微镜(Optical Microscope,OM)观察定向凝固镁合金柱状晶形貌。采用 SUPRA-55 场发射扫描电镜附带的 Oxford HKL Channel 5 系统采集 EBSD数据。EBSD 试样制备:砂纸打磨至 5000#后
18、进行机械抛光和电解抛光(电解液为 30%(体积分数)硝酸酒精+5%(体积分数)丙三醇),最后利用 Gatan691.HA200 精密离子减薄仪进行离子轰击去除应力。采用 HKL Channel 5 商业软件包对 EBSD 数据进行处理。定义取向差角介于 215的晶界为小角度晶界,大于 15的晶界为大角度晶界。对孪生模式采用孪晶与基体之间的取向差进行标定,如表 1 所示。表表 1 镁合金中常见的孪晶类型、取向差以及界面颜色 Table 1 The common twinning types,misorientation and interface colors in magnesium allo
19、ys 孪晶类型 取向差 界面颜色 1012 86 红色 1013 64 蓝色 1011 56 黄色 1121 34 青色 1011-1012 38 绿色 2 实验结果及分析实验结果及分析 2.1 柱状多晶柱状多晶 Mg-Gd-Y 合金室温拉伸应力合金室温拉伸应力-应变曲线应变曲线 如图 2a 所示,从定向凝固镁合金试棒(直径 25 mm)的柱状晶稳定生长区域由距表层5 mm(1 号位)、9 mm(2 号位)及 13 mm(3 号位)分别取拉伸试样进行室温拉伸实验(拉伸轴/柱状晶生长方向)。图 2b 为不同位置截取试样的室温拉伸应力-应变曲线。由图 2b 可材料导报,2023,37(10):21
20、110055 DOI:10.11896/cldb.21110055 http:/www.mater- 知,1 号位拉伸试样的屈服强度(45 MPa)、抗拉强度(71 MPa)和塑性(16.8%)最低,3 号部位屈服强度(74 MPa)、抗拉强度(104 MPa)和塑性(32.8%)最佳。图图 2 定向凝固 Mg-6.0Gd-0.5Y 合金拉伸试样的取样位置示意图(a),和拉伸工程应力-应变曲线(b)Fig.2 Sampling location of the tensile specimens of the directionally solidified Mg-6.0Gd-0.5Y allo
21、y(a),and tensile stress-strain curves(b)图 3 分别为 1 号和 3 号部位柱状晶组织形貌。由图 3a 可知,距表层较近部位(1 号)的柱状晶组织中断晶(图 3a 中箭头所示)现象较为明显,一次臂间距(220 m)较大,且纵向晶界不平直;而如图 3b 所示,中心部位柱状晶组织中断晶现象很少,柱状晶晶界相对平直,并且柱状晶一次臂间距(180 m)明显减小。中心部位生长的柱状晶偏离热流方向生长的晶粒相对较少,使其具有优异的室温塑性 32.8%、同时还具有一定的抗拉强度(104 MPa),这对于室温塑性较差的铸造镁合金有着重要意义17。图图 3 定向凝固 Mg
22、-6.0Gd-0.5Y 合金柱状晶组织形貌:(a)1 号部位、(b)3 号部位 Fig.3 Columnar crystal structure of the directionally solidified Mg-6.0Gd-0.5Y alloy:(a)position 1,(b)position 3 所以,如图 4 所示,从力学性能较佳的 3 号拉伸试样靠近试样圆弧部位、均匀塑性变形部位和靠近断口部位分别切取 EBSD 样品进行形变组织分析。图图 4 EBSD 样品截取位置示意图 Fig.4 The location of EBSD samples in the tensile speci
23、men 3#2#热流方向 1#3#半径方向 051015202530350204060801003#3#2#2#Stress/MPaStrain/%1#1#(a)(b)(a)(b)材料导报,2023,37(10):21110055 DOI:10.11896/cldb.21110055 http:/www.mater- the area near the arc,the uniform plastic deformation area,the area near the fracture 2.2 柱状多晶柱状多晶 Mg-Gd-Y 合金室温拉伸过程中形变组织演变合金室温拉伸过程中形变组织演变 图
24、5 为图 4 中部位(靠近试样圆弧位置)形变组织的 Euler 图以及相应的孪晶类型、基面滑移 SF、取向差分布、X0 反极图、KAM 图。由图 5a 可知,晶粒 A、B 和 C 的欧拉角(1,2)分别为(73.8,133.0,35.1),(138.3,94.6,25.0)和(52.6,118.3,13.3),晶粒 A 和 B 的生长取向均为2243(图 5e 中箭头 A、B 所示处),晶粒 C 取向为2133(图5e 中箭头 C 所示处);晶粒 A、B 和 C 的 Mg 胞 c 轴与拉伸轴方向夹角分别为 45.4、48.7和 45.7,经计算晶粒 A、B 和 C 的基面滑移 SF 分别为 0
25、.50、0.50 和 0.49,皆处于“软取向”,如图 5c 所示。图图 5 定向凝固 Mg-6.0Gd-0.5Y 合金拉伸试样圆弧附近位置的 EBSD 取向成像图(a)Euler 图、(b)孪晶类型图、(c)基面滑移系 SF 因子、(d)取向差分布图、(e)X0 反极图、(f)应变分布图 Fig.5 The EBSD diagrams of the sample cut from the area near the arc of the tensile specimen:(a)Euler diagram,(b)twin type diagram,(c)SF of basal slip sys
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