終鍛溫度對時效態(tài)Mg-Gd-Y-Zr-Er-Ag合金微觀組織與力學(xué)性能的影響

摘 要：采用熱模鍛工藝制備了Mg-Gd-Y-Zr-Er-Ag 合金圓盤狀模鍛件，終鍛溫度分別為320 ℃、360 ℃和400 ℃，隨后進行峰時效處理，研究終鍛溫度對時效態(tài)合金微觀組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著終鍛溫度的升高，合金平均晶粒尺寸增大，并逐漸析出Mg5(GdY)相；不同終鍛溫度合金均析出大量納米級時效β′相，當(dāng)終鍛溫度較高時，還析出連接β′相的βT橋梁相。終鍛溫度為360 ℃的合金表現(xiàn)出最佳綜合力學(xué)性能，其高屈服強度歸因于顯著的析出強化和織構(gòu)強化效應(yīng)。終鍛溫度與合金塑性呈正相關(guān)關(guān)系，隨著終鍛溫度的升高，合金拉伸斷裂方式由單一脆性斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔雅c韌性斷裂混合模式。不同終鍛溫度下，合金拉伸時均啟動較多柱面滑移，終鍛溫度為400 ℃的合金啟動較多非基面滑移，是其伸長率較好的原因。

微觀組織演變規(guī)律

1. 晶粒結(jié)構(gòu)：

總體趨勢： 隨著終鍛溫度升高，平均晶粒尺寸增大。這是因為高溫下再結(jié)晶過程更為充分，晶粒長大驅(qū)動力增強。

雙峰組織： 所有樣品均呈現(xiàn)由變形粗晶和再結(jié)晶細(xì)晶組成的雙峰組織。360°C時細(xì)晶體積分?jǐn)?shù)，推測因塑性好導(dǎo)致細(xì)晶合并；400°C時動態(tài)再結(jié)晶劇烈，細(xì)晶體積分?jǐn)?shù)顯著回升至65.94%。

2. 第二相析出行為：

β' 相（關(guān)鍵強化相）： 在所有終鍛溫度下，時效后均大量析出納米尺度的β' 相。該相沿鎂基體的柱面析出，能有效阻礙位錯運動，是最主要的強化貢獻者。

β_r 相（“橋梁相"）： 在較高的終鍛溫度（360°C 和 400°C）下，觀察到一種連接β'相的β_r 相。該相是一種亞穩(wěn)態(tài)相，其出現(xiàn)是因為高溫鍛造消耗了基體中的溶質(zhì)原子，在后續(xù)時效中難以形成穩(wěn)定β'相所致。β_r相有助于提升合金的塑性。

Mg?(GdY) 相： 隨溫度升高，晶界處塊狀的Mg?(GdY)相析出逐漸增多。

3. 織構(gòu)演變：

織構(gòu)強度并非隨溫度單調(diào)變化。360°C樣品表現(xiàn)出的織構(gòu)，其基面滑移的平均施密特因子最小（0.22），這意味著在該取向下啟動塑性變形所需的外力更大，貢獻了顯著的織構(gòu)強化效應(yīng)。

力學(xué)性能與斷裂行為

1. 性能峰值：

360°C 樣品展現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能：屈服強度(YS)達 354 MPa，抗拉強度(UTS)達 425 MPa，伸長率(EL)適中。

強度變化趨勢： 屈服強度和抗拉強度均呈先升后降趨勢（360°C為峰值）。

塑性變化趨勢： 伸長率與終鍛溫度呈正相關(guān)，400°C樣品伸長率最高，達 10.5%。

2. 斷裂模式轉(zhuǎn)變：

320°C： 以解理面為主，表現(xiàn)為典型的脆性斷裂。

360°C： 出現(xiàn)大量撕裂棱，為準(zhǔn)解理斷裂。

400°C： 出現(xiàn)大量韌窩，同時伴有解理面，為韌-脆混合型斷裂。斷口附近觀察到大量動態(tài)再結(jié)晶晶粒和沿拉伸方向分布的析出相條帶，這是其高塑性的微觀證據(jù)。

強化機制定量分析

研究通過建模量化了四種主要強化機制對屈服強度的貢獻：

結(jié)論： 析出強化(σ_p)是主導(dǎo)機制，而360°C樣品因其的織構(gòu)強化(σ_tex) 和的析出強化(σ_p) 而獲得最高強度。400°C樣品因織構(gòu)弱化和析出強化效果減弱導(dǎo)致強度下降。

變形機制深入解析

1. 孿生受限： 初始和斷裂后織構(gòu)顯示，大多數(shù)晶粒的c軸垂直于拉伸方向，這種取向非常不利于拉伸孿生的啟動，因此孿生對塑性的貢獻很小。

2. 滑移主導(dǎo)：

柱面滑移為主： 在所有溫度下，拉伸變形均啟動了大量的柱面滑移。這得益于合金中添加的Gd、Y等稀土元素，顯著降低了柱面滑移的臨界分切應(yīng)力(CRSS)。

塑性差異根源： 400°C樣品的高塑性源于其啟動了更多樣的滑移系，特別是基面滑移與柱面滑移的協(xié)同啟動（即多重滑移），極大地提升了位錯運動的協(xié)調(diào)性和塑性變形能力。

? 核心結(jié)論

1. 組織調(diào)控： 終鍛溫度通過影響動態(tài)再結(jié)晶程度和動態(tài)析出行為，顯著調(diào)控時效態(tài)合金的晶粒尺寸、織構(gòu)強度以及β'和β_r相的析出狀態(tài)。

2. 性能優(yōu)化： 對于該合金，360°C是獲得高強度與良好塑性平衡的最佳終鍛溫度。若追求塑性，可選擇400°C，但需承受強度損失。

3. 機制關(guān)聯(lián)： 高強度主要源于β'相提供的析出強化和特定織構(gòu)帶來的織構(gòu)強化；高塑性則與β_r相的出現(xiàn)、動態(tài)再結(jié)晶晶粒的吸收位錯能力以及非基面滑移的激活密切相關(guān)。