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

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合金微觀組織與力學性能的影響規律。結果表明：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 ℃的合金表現出最佳綜合力學性能，其高屈服強度歸因于顯著的析出強化和織構強化效應。終鍛溫度與合金塑性呈正相關關系，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變為脆性斷裂與韌性斷裂混合模式。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。

微觀組織演變規律

1. 晶粒結構：

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晶過程更為充分，晶粒長大驅動力增強。

雙峰組織： 所有樣品均呈現由變形粗晶和再結晶細晶組成的雙峰組織。360°C時細晶體積分數，推測因塑性好導致細晶合并；400°C時動態再結晶劇烈，細晶體積分數顯著回升至65.94%。

2. 第二相析出行為：

β' 相（關鍵強化相）： 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。該相是一種亞穩態相，其出現是因為高溫鍛造消耗了基體中的溶質原子，在后續時效中難以形成穩定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. 織構演變：

織構強度并非隨溫度單調變化。360°C樣品表現出的織構，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，貢獻了顯著的織構強化效應。

力學性能與斷裂行為

1. 性能峰值：

360°C 樣品展現出最佳的綜合力學性能：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，400°C樣品伸長率最高，達 10.5%。

2. 斷裂模式轉變：

320°C： 以解理面為主，表現為典型的脆性斷裂。

360°C： 出現大量撕裂棱，為準解理斷裂。

400°C： 出現大量韌窩，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再結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。

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：

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

變形機制深入解析

1. 孿生受限： 初始和斷裂后織構顯示，大多數晶粒的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：

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同啟動（即多重滑移），極大地提升了位錯運動的協調性和塑性變形能力。

? 核心結論

1. 組織調控： 終鍛溫度通過影響動態再結晶程度和動態析出行為，顯著調控時效態合金的晶粒尺寸、織構強度以及β'和β_r相的析出狀態。

2. 性能優化： 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. 機制關聯： 高強度主要源于β'相提供的析出強化和特定織構帶來的織構強化；高塑性則與β_r相的出現、動態再結晶晶粒的吸收位錯能力以及非基面滑移的激活密切相關。