高达1104%的超塑性!低温搅拌摩擦制备超细晶镁锂合金

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镁合金由于低密度和高比强度而被认为是理想的轻量化汽车结构材料。然而室温下常规镁合金延展性较差。锂的添加使合金显微结构中引入bcc相,合金延展性显着提高。Mg-Li合金在室温下表现出良好的延展性和拉伸成形性,并且由于其在高温下表现良好塑性,该合金在空航天领域同样引起极大关注,并且对针对其塑性提高进行进一步研究。由于多晶材料超塑性的主要机理是晶界滑动,因此晶粒细化被认为是最理想的方法。通过等径角挤压equal channelangular extrusion,ECAE),高变速比的差速轧制(high-speed-ratio differential speed rolling,HRDSR)和累积辊压接合(accumulative roll-bonding,ARB)可将Mg-Li合金的晶粒尺寸细化到亚微米水平,从而实现超塑性。但是,这些技术对加工样品尺寸要求较为严苛,限制了其实际应用。因此,需要一种可以实现晶粒细化,α/β相混合并不限制样品尺寸的新方法。


自1991年TWI发明以来,摩擦搅拌焊接/加工(friction stir welding/processing,FSW/P)可通过施加较大的载荷和较低的工具转速,将加工区的晶粒尺寸细化到亚微米水平。FSP具有细化微结构的能力,并且没有尺寸限制。来自日本大阪大学和中国台湾省国立东华大学的研究人员通过低温FSP加工合金,并对其微观组织以及473K下的塑性进行检测分析。相关论文相关论文以题为“Pronounced low-temperature superplasticity of friction stir processed Mg–9Li–1Zn alloy”发表在Materials Science & Engineering A上。



本文结果表明低温FSP可生产超细晶粒的Mg-Li合金,该合金在很宽的应变速率范围内都具有超塑性。在473K时,应变率为10-1/s和3.33*10-4/s时的最大超塑性分别可以达到369%和1104%。


图1a和图1b分别显示了搅拌区的SEM图和TEM图。在图1c中分别总结了α和β相的晶粒尺寸分布。α相和β相均表现出细化和等轴形态,平均晶粒尺寸分别为〜0.61μm和〜0.96μm。由于刀具低转速,输入热量极低,因此在加工过程中晶粒生长受到限制。FSP可细化晶粒尺寸,并将两相均匀混合,此外对样品尺寸也没有严苛要求。


图1搅拌区的显微组织(a)SEM图;(b)TEM图;(c)搅拌区α和β相的晶粒尺寸分布


图2为低温超塑性试验结果。在相对较高的应变速率(如10-1/s和10-2/s)下材料出现颈缩,展现出优异的超塑性,10-1/s时为369%,在10-2/s下为445%。当应变率降低到10-3/s时,材料表现出均匀的断裂伸长率。低应变速率下的应变硬化通常与高温变形期间的晶粒长大有关。在降低的应变速率下延长变形时间为晶粒生长提供了更多时间,这导致在10-3/s到10-4/s的应变速率之间超塑性降低。


图2(a)超塑性试样在不同应变速率下以473K拉伸至断裂;(b)真实应变-应力曲线;(c)流动应力和伸长率-初始应变率曲线


图3显示了在不同应变率下试样断裂失效后的微观组织。超塑性变形后试样晶粒尺寸小,α/β分布均匀,降低了晶粒的生长速率。但当应变速率降低到3.3×10-4/s或更低时,晶粒生长是明显的,会破坏超塑性。


图3(a)10-1/s;(b)10-2/ s;(c)10-3/s;(d)3.33*10-4/s和(e)10-4/s


总的来说,低温摩擦搅拌处理的双相Mg-Li合金在很宽的应变速率范围内具有明显的超塑性,其作用机理主要有两点,一方面刀具低旋转速度输入的热量很低,α相和β相晶粒均被细化至亚微米水平,减小的晶粒尺寸可增加了超塑性变形应变率;另一方面α相和β相混合均匀,α/β边界长度的增加可优化超塑性。故低温FSP是提高Mg-Li合金超塑性性能的重要方法(文:衣兮)

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本文作者2020-6-10 09:42
镁途
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