一种新型变形镁合金ZE20(Mg-2Zn-0.2Ce)的本构行为和热加工图

研究背景

在汽车工业中，轻量化是提高汽车燃料效率和减少温室气体排放的一种非常有效的方法。镁由于具有密度低、比强度及比刚度高等优点，镁合金板材在汽车工业领域受到越来越多的关注。然而，镁的晶体结构和变形机制导致其在室温下的成形性较差，容易形成强烈的基面织构，限制了变形镁合金的进一步应用。ZE20镁合金是一种高塑性、低成本的合金，其中锌元素能产生固溶强化，而稀土元素Ce则具有减弱织构和促进再结晶的作用，因此，该合金具有优异的成形性能。然而，在目前的文献中还没有对这种合金的力学行为进行充分的研究，其流变应力行为模拟数据仍不完整。因此，对于该合金的流变应力模型的完善十分必要。

近日，美国俄亥俄州立大学的Alan A. Luo教授团队，通过Gleeble热模拟试验系统研究了变形镁合金ZE20在250℃~450℃、10-³s-¹~1.0s-¹范围内的热变形行为，提供了更简单的本构方程，获得了ZE20合金的热加工图。该论文修正了扩展的Ludwik方程，得出了简化的通用应变硬化函数，发现修正后的Ludwik方程比双曲正弦Arrhenius方程具有更高的预测精度。同时，本文建立了ZE20合金的热加工图，挤压安全加工区为温度在375℃到450℃之间，应变速率从10-¹ s-¹到10-⁵/²s-¹之间，在这个区间ZE20合金具有非基面织构和高动态再结晶活性。此外，ZE20镁合金存在一个潜在的可轧制或锻造区域，当温度低至300℃，应变速率高于10-¹s-¹时可以充分利用非基面剪切带的形核进行退火处理并实现板材的加工。

图1 ZE20合金的热加工图

文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2020年第八卷第1期：

[1] S.C. Sutton, A.A. Luo, Constitutive behavior and processing maps of a new wrought magnesium alloy ZE20 (Mg-2Zn-0.2Ce), Journal of Magnesium and Alloys 8(1) (2020) 111-126.

中文摘要

ZE20（Mg-2Zn-0.2Ce）是一种新型变形镁合金，具有良好的挤压性能和力学性能。本文进行了Gleeble热机械试验，研究了该合金在250 ℃~450 ℃、10-³s-¹~1.0s-¹的等温压缩条件下的流变应力行为，并给出了相应流变应力的本构描述。同时，提出了一种新的扩展Ludwik方程的通用方法，在模型常数数目相近的情况下，该方法比双曲正弦Arrhenius模型更为精确。本文根据实验结果绘制了相应的加工图，并通过显微组织研究进行了验证。发现在温度为375°C到450°C之间，速率从10-¹s-¹到10-⁵/²s-¹时，存在一个具有非基面织构和高动态再结晶活性（DRX）的安全加工区域。当温度低至300°C，速率高于10-¹s-¹时，存在一个潜在安全区域，该区域与非基面晶粒的剪切带形核有关。

Abstract

ZE20(Mg-2Zn-0.2Ce) is a new wrought magnesium alloy with improved extrudability and mechanical properties. To understand the constitutive behavior and workability of this new alloy, Gleeble thermomechanical testing has been carried out in this study. The flow stress behavior of ZE20 was investigated between 250°C~450°C and 10-³s-¹~1.0s-¹ in isothermal compression. Constitutive descriptions of the flow stress are provided. A new general approach at application of the extended Ludwik equation is demonstrated and was found to be more accurate than the hyperbolic sine Arrhenius model while having a similar number of model constants. Processing maps were developed based on the experimental results and are verified with microstructural investigation. A region of safe processing with non-basal texture and high activity of dynamic recrystallization (DRX) was found between 375°C and 450°C, from 10-¹ s-¹ to 10-⁵/²s-¹. A region of potentially safe processing with annealing that is associated with shear band nucleation of non-basal grains was identified for temperatures as low as 300°C and rates as high as 10-¹s-¹ .

来源：  JMACCMg