一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法与流程

本发明涉及一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法，具体涉及的是一种通过预变形处理预置反常孪晶调控组织来改善稀土镁合金疲劳性能的方法，属有色金属材料失效与保护技术领域。

背景技术：

稀土镁合金在交通工具、航空航天等领域中具有广阔的应用前景。其正在逐步替代铝合金作为次承力件甚至主承力件应用于汽车或飞行器上。近年来，尽管众多国家和企业都相继投入巨资研究开发高强韧稀土镁合金材料，但相比于铝合金，其产业化应用进程还难以达到预期效果，其中循环受载时疲劳性能差成为限制其服役应用的主要瓶颈之一。不同于普通镁合金，稀土镁合金的疲劳损伤，尤其高周循环受载时的疲劳损伤，主要源自交滑移的大量发生。现有研究主要通过不断加大稀土元素的添加，利用固溶及时效处理等手段引入析出相抑制交滑移，常用稀土镁合金件中稀土的比重高达12～18wt.％。然而稀土元素的大量添加所引入的析出相，在疲劳过程中后期由于应力集中，反而会成为裂纹萌生的源头。另一方面，在选择高强韧稀土镁合金成分设计、工艺优化方案时，应将材料的循环利用也考虑在内，其关键在于简化合金成分和牌号、减少有害、稀有和贵重元素的添加。同时，加重稀土元素的添加不仅增大了合金密度，也使得生产成本增高。预计今后镁合金研发的趋势也将由传统的重视“成分和合金化”逐步向重视“组织优化工艺”转变。因此，需要一种简单、成本低、能有效改善稀土镁合金疲劳性能的组织调控工艺及方法来推广稀土镁合金的服役应用。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种工艺设计合理、设备要求简单、操作方便、成本低、有效改善稀土镁合金疲劳性能的方法。

为了达到上述目的，本发明一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法，包括：

在15～300℃下沿基面易滑移方向，即沿与基面法向呈15～80°的方向对稀土镁合金进行预变形处理，变形量由该合金的屈服点决定，真应变为0.0005～0.1，通过预变形向稀土镁合金中预置{10-12}反常孪晶，利用反常孪晶对位错运动的钉扎作用，抑制稀土镁合金疲劳过程中位错的交滑移，从而提高疲劳极限、延长疲劳寿命，改善疲劳性能；所述的反常孪晶是相对正常{10-12}孪晶而言的，正常孪晶指几何上认为与晶粒基面法向呈0°拉伸或与其呈90°压缩时产生的{10-12}孪晶；而沿与基面法向呈15～75°的方向对稀土镁合金进行拉伸或压缩时，出现的{10-12}孪晶则为{10-12}反常孪晶。

本发明一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法，所述预变形处理是采用预拉伸、压缩、弯曲中的一种或至少一种处理方式。

本发明一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法，所述预变形温度范围25～300℃，预变形速率范围0.001～0.3s^-1，预变形量由该合金的屈服点决定，真应变为0.002～0.05。

本发明一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法，所述预变形的加载方向应沿基面易滑移的方向，具体是指与基面法向呈15～60°的方向。

本发明一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法，所述稀土镁合金选自mg-re系、mg-re-zn系合金。

本发明提供的一种利用反常孪晶改善稀土镁合金疲劳性能的方法，有以下几大优点：

1、本发明工艺无需加重稀土的添加，重点在于对现有组织的调控，适用材料广泛，环保成本低，生产效率高；利用简单小变形方式在现有组织中预置反常孪晶，设备要求简单、操作方便；

2、几何上认为与晶粒(0001)基面法向呈0°拉伸或与其呈90°压缩时产生的{10-12}孪晶为正常{10-12}孪晶，这种正常孪晶导致镁合金加工软化，对疲劳性能不利；相反，当与基体基面法向呈15～75°加载时，无论拉伸或者压缩，基面都易滑移，正常孪晶难以出现，但是为协调滑移引起的不均匀剪切应变，在这些易基面滑移的晶粒中会出现不遵循{10-12}正常孪生条件的{10-12}反常孪晶；

3、反常孪晶能有效抑制位错的交滑移，导致加工硬化，有利于提升屈服应力，扩大循环加载范围；

4、相比析出相及正常孪晶，反常孪晶在疲劳受载过程与基体的相容性要更好，能引起应变硬化，对材料基体的损伤也相对较小。

5、经过预变形处理预置反常孪晶后，稀土镁合金的疲劳性能提升，疲劳寿命增长，疲劳极限强度提高至少50％。

综上所述，本发明工艺合理，流程简单，操作方便，成本低，效率高，对稀土镁合金疲劳性能改善效果要更加明显，具有良好的应用前景。

附图说明

图1(a)为本发明实施例1中mg-1.5gd合金热轧板预置反常孪晶后组织的取向分布图；图1(b)为本发明实施例1中mg-1.5gd合金热轧板含反常孪晶晶粒的(0001)基面极图；

图2为本发明实施例1中有无预置反常孪晶mg-1.5gd合金热轧板的应力幅-循环次数曲线对比图；

图3(a)为本发明实施例2中铸造态mg-6gd-3y-1zn-0.4zr合金预置反常孪晶后组织的取向分布图；图3(b)为本发明实施例2中mg-6gd-3y-1zn-0.4zr合金含反常孪晶晶粒的(0001)基面极图；

图4为本发明实施例2中有无预置反常孪晶铸造态mg-6gd-3y-1zn-0.4zr合金的应力幅-循环次数曲线对比图；

图5(a)为本发明实施例3中mg-2y合金热轧板预置反常孪晶后组织的取向分布图；图5(b)为本发明实施例3中mg-2y合金热轧板含反常孪晶晶粒的(0001)基面极图；

图6(a)为本发明实施例3中有无预置反常孪晶mg-2y合金热轧板的应力幅-循环次数曲线对比图；图6(b)为本发明实施例3中有无预置反常孪晶mg-2y合金热轧板在半寿命时应力-应变磁滞曲线对比图。

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1

本实施例利用原材料为mg-1.5gd合金热轧板。经过430℃均匀化退火5h后，平均晶粒尺寸约为120μm。基于电子背散射衍技术对晶粒取向进行分析，根据取向分布结果选取加载方向。在300℃下，沿与基面法向夹角15～60°方向对该试件进行预拉伸处理，压缩速率为0.003s^-1，应变量约为0.005～0.05。

拉后试件组织取向分布图如图1(a)所示，根据反常孪晶的判据，含有孪晶晶粒基体的(0001)基面极图作出并对其区域进行划分，其中ld(loadingdirection)为预变形的加载应力方向(垂直纸面方向)，td(transversedirection)为与加载方向呈90°的横向，沿着ld拉伸时，1为正常孪晶区，2为反常孪晶区，如图1(b)所示。从图3(b)可知，加载方向与这些晶粒的(0001)基面法向夹角主要集中在15～60°，符合15～75°反常孪晶判据，沿此方向拉伸时出现的孪晶为反常孪晶。可以判断这些晶粒内出现的孪晶为{10-12}反常孪晶。

在室温下对其疲劳性能进行测试，所得应力幅-循环次数曲线对比图如图2所示，对比二者的应力幅-循环次数曲线可知，预置反常孪晶的mg-1.5gd合金试件，在同一应力幅下的循环次数要大于未预置反常孪晶试件。例如在应力幅为70mpa的循环载荷下，预置反常孪晶使得试件的疲劳寿命从140000次提高到450000次，提升约3倍左右。同时，预置反常孪晶后，试件的疲劳极限也从30mpa提高到了60mpa，提升100％。预置反常孪晶能有效改善其疲劳性能。

实施例2

本实施例利用原材料为铸造态mg-6gd-3y-1zn-0.4zr合金。平均晶粒尺寸约为60μm。在25℃，0.03s^-1下沿着与基面法向夹角15～60°方向对该试件进行预压缩处理，应变量约为0.01～0.03。

基于电子背散射衍技术对拉伸后试件的晶粒取向进行分析，得到取向分布图3(a)，将含有孪晶晶粒基体的(0001)基面极图作出并对其区域进行划分，沿着ld方向压缩(垂直纸面方向)预变形处理后，3为正常孪晶区，4为反常孪晶区，如图3(b)所示。从图3(b)可知，加载方向与这些晶粒的(0001)基面法向夹角主要集中在在15～60°，符合15～75°反常孪晶判据，沿此方向压缩时出现的孪晶为反常孪晶。

在室温下对其疲劳性能进行测试，所得应力幅-循环次数曲线对比图如图4所示，对比二者的应力幅-循环次数曲线可知，预置反常孪晶的mg-6gd-3y-1zn-0.4zr合金试件，在同一应力幅下的循环次数要大于未预置反常孪晶试件。同时，预置反常孪晶后，试件的疲劳极限从100mpa提高到了150mpa，提升50％。预置反常孪晶能有效改善其疲劳性能。

实施例3

本实施例利用原材料为mg-2y镁合金热轧板，经过450℃均匀化退火2h后，平均晶粒尺寸约为120μm。在150℃对其进行预反复弯曲处理。由于反复弯曲变形方式的特殊性，中性层两侧的组织在反复弯曲过程中会先后受到两个相反方向的载荷。应选取合适的弯曲方式，保证其晶粒基面与加载方向呈15～60°，累计应变量约为0.002～0.04。

对预变形处理后的组织取向分布图5(a)进行分析并将含有孪晶晶粒的(0001)基面极图图5(b)作出并划分区域，图5(b)中5为反复弯曲过程中，沿ld方向拉伸或压缩时(垂直纸面方向)，所对应的正常孪晶区，6则是反常孪晶区。由图5(b)可以看出，这些晶粒的(0001)基面法向与加载方向的夹角主要集中在在15～60°，符合15～75°反常孪晶判据，无论是拉伸还是压缩，在这些晶粒中产生的孪晶都为反常孪晶。

在室温下对其疲劳性能进行测试，所得应力幅-循环次数曲线对比图和其在疲劳极限强度下半寿命时的应力-应变磁滞曲线对比图如图6所示。对比二者的应力幅-循环次数曲线(图6(a))可知，预置反常孪晶的mg-2y合金试件，在同一应力幅下的循环次数要大于未预置反常孪晶试件，试件的疲劳极限也从30mpa提高到了50mpa，提升67％。同时，预置反常孪晶后的半寿命时应力-应变磁滞曲线相对较窄，所围成的面积相对较小(图6(b))。这意味着循环过程中所消耗应变能小，疲劳损伤较小。预置反常孪晶能有效改善其疲劳性能。