随着汽车工业的迅速发展和社会环保意识的日益增强，“汽车轻量化”成为当代汽车工业发展的一个重要方向^[1].镁合金作为最轻的金属结构材料，具有阻尼减震、导热导电性好等优势，在交通等领域有着广阔的应用前景^{[2, 3]}.而合金元素Zn的添加，可使Mg基合金产生时效硬化效应^{[4, 5, 6]}；在此基础上添加Y更可形成种类丰富的化合物^{[7, 8]}，使其作为有效强化相的选择性增多.所以Mg-Zn-Y基镁合金近年来一直是镁基合金的研究热点.

目前对Mg-Zn-Y系镁合金力学性能的研究多集中在高温力学性能方面^[4]，关于高应变速率下Mg-Zn-Y系镁合金力学行为的研究较少；而汽车领域十分注重材料在实际服役下尤其是100~1000/s高应变速率下的力学行为^{[9, 10, 11]}.合金成分及制备方式不同，第二相析出物的种类、含量及其分布状态也会有所不同，对其力学性能也会产生很大的影响^{[7, 8, 12]}.因此，本文研究挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的相结构和组织形态，以及高应变速率下的力学行为，以期为镁基合金高应变速率下结构件的设计提供基础数据.

本实验合金Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8 (原子分数，%)是以高纯Mg(质量分数＞99.95%)，Zn(质量分数＞99.99%)和Mg-Y(质量分数30%)为原料，采用MRL-8型镁合金熔炼炉熔炼成Φ60mm×180mm合金铸锭，然后在挤压机上挤压成直径为12mm的棒材.其挤压工艺为：挤压比16；挤压温度300℃，空冷.

合金棒经车床加工成直径为6mm，标距为30mm的棒状拉伸试样.测试前试样表面经砂纸磨光以消除表面损伤和缺陷，然后采用Zwick/RoellAmsler HTM5020电液伺服高速拉伸试验机对试样进行动态拉伸试验，变形速率分别为100，417，667/s；同时进行了变形速率为10^-3的准静态拉伸以作对比.试样的组织及断口形貌观察在光学显微镜Olympus-GX71及扫描电镜SSX-550上进行，加速电压20kV.在Philips PW3040/60 X’Pert PRO型X射线衍射仪上以块状样品进行合金相结构分析，采用Cu靶Kα谱线，加速电压40kV，电流40mA.采用JEM-2010型透射电子显微镜对试样进行分析，薄膜样品采用离子减薄制备.

2.1 挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金显微组织

挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的显微组织如图 1所示.为了清晰地显示第二相粒子在基体中的分布情况，合金未经腐蚀直接在扫描电镜上进行组织观察(图 1a和图 1b).可以看到第二相粒子沿挤压方向呈流线分布，但未形成带状结构，而且第二相粒子的尺寸较为细小，应该是在挤压过程中发生了一定程度的破碎.经腐蚀后沿挤压方向的光学组织如图 1c所示，可见挤压态基体组织由细小的等轴晶粒组成，晶粒尺寸为3~6μm；并没有观察到未经再结晶的变形晶粒，表明合金在300℃、挤压比为16的热挤压过程中发生了完全的动态再结晶.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 挤压态Mg98Zn1.2Y0.8合金的显微组织 Fig. 1 Microstructures of the as-extruded Mg98Zn1.2Y0.8 alloy(a)—垂直挤压方向的第二相分布(SEM)； (b)—沿挤压方向的第二相分布(SEM); (c)—沿挤压方向的镁基体组织(OM).

透射电镜组织观察表明(图 2a)，挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金基体上还弥散分布着短棒状的第二相，直径约100~200nm，长约300nm.电子衍射表明，该相具有六方结构，晶格常数a=0.9132nm，c=0.9468nm，为H相，其[1 4 2]带轴选区电子衍射谱如图 2a左上角插图所示.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 Mg98Zn1.2Y0.8合金的TEM图及XRD谱图 Fig. 2 TEM images and XRD pattern of the Mg98Zn1.2Y0.8 alloy(a)—挤压态合金中的第二相粒子及其选区电子衍射谱； (b)—挤压态合金的XRD谱; (c)—挤压态合金高速变形后的第二相和位错组态.

在挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金基体的晶界上则分布着尺寸约为300~500nm的较大尺寸的第二相，电子衍射表明该相是具有六方结构、晶格常数a=1.458nm，c=0.868nm的Z相，其[2 1 2]带轴选区电子衍射谱如图 2a右上角插图所示.

挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的X射线衍射谱如图 2b所示，可以用α-Mg，Z相及H相的晶体结构和晶格常数加以诠释.

可见，挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金组织为完全再结晶的α-Mg基体、其上弥散分布的H相，以及沿α-Mg晶界分布的Z相.在SEM上观察到的沿挤压方向呈流线分布的第二相应该是Z相.这些析出相在随后的高速变形过程中会与位错发生作用，提高合金强度(图 2c).

室温下以100，417，667/s的应变速率对挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金进行拉伸力学性能测试，并将该合金以10^-3/s的应变速率进行准静态拉伸力学性能测试，结果作为参考态.挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金在4种应变速率下的拉伸力学性能如表 1所示.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 挤压态Mg98Zn1.2Y0.8合金的力学性能 Table 1 Mechanical properties of the as-extruded Mg98Zn1.2Y0.8 alloy 应变速率 屈服强度 抗拉强度 延伸率 s-1 MPa MPa % 10-3 202 272 16 100 261 324 9.2 417 274 339 10.9 667 289 361 13

表 1 挤压态Mg98Zn1.2Y0.8合金的力学性能 Table 1 Mechanical properties of the as-extruded Mg98Zn1.2Y0.8 alloy

由表 1可以看出，随着应变速率的提高，挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的屈服强度及抗拉强度显著升高.与准静态拉伸相比，高速拉伸状态下的材料具有较高的屈强比，更高的屈服强度及抗拉强度，显示出应变率强化效应.

相对于准静态拉伸，快速拉伸时的挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的塑性都有所降低.但应变速率为100~667/s时，随着应变速率的升高，挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的延伸率呈升高的趋势：应变速率为100/s时，材料的延伸率为9.2%；应变速率为417/s时，材料的延伸率为10.9%，相比增加了18.5%；应变速率为667/s时，材料的延伸率为13%，相比增加了41.3%.

在热挤压变形过程中被破碎的第二相有可能作为形核质点，促进动态再结晶形核并抑制随后的再结晶晶粒长大^[13].由此Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金在300℃、挤压比为16的热挤压过程中发生了完全的动态再结晶，Mg基体形成了晶粒细小的再结晶组织.尺寸细小的H相弥散分布，而Z相则主要分布在Mg基体晶界.相对体心立方和面心立方晶体而言，晶粒尺寸对密排六方金属强度影响更大^[14].细小的基体组织可产生细晶强化，有利于强韧性的提高^[15]，而第二相在变形过程中会与位错发生作用，起到第二相强化作用(参见图 2c)；因此，挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金在上述应变速率下拉伸时表现出良好的强度和塑性.

随着变形速率的增加，挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金塑性较准静态时有所下降.与此同时，随着应变速率的大幅提高，塑性变形从等温过程逐渐转变为准绝热或绝热过程，塑变流动将引起塑性区温度升高，从而使位错易于滑移，材料的塑性提高.挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金在应变速率从100/s上升到417/s和667/s时，延伸率分别提高了18.5%和41.3%，可见高速变形时合金的力学性能是应变硬化、应变率强化和绝热温升软化效应的综合结果.

挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金在室温下不同拉伸速率的断口形貌如图 3所示.其中准静态拉伸断口上(图 3a)有大量大小不一且较深的圆形或椭圆形韧窝，并且在每个大韧窝周围都均匀分布着许多小型韧窝，因此，室温下挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金准静态拉伸应属于韧性断裂.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 挤压态Mg98Zn1.2Y0.8合金室温下不同应变速率的拉伸断口形貌(SEM) Fig. 3 SEM images of tensile fracture surface of the as-extruded Mg98Zn1.2Y0.8 alloy at room temperature and different strain rates(a)—10-3/s； (b)—100/s; (c)—417/s； (d)—667/s.

与准静态时相比，应变速率为100~667/s时的断口上(图 3b~图 3d)，韧窝数量明显减少，韧窝变浅，说明韧性断裂所占的比例有所减少，并且断口上出现了部分细小的解理面和解理台阶，其中尤以应变速率为100/s的断口上解理面和解理台阶所占的比例最大(图 3b)，这与延伸率的实验结果也是相吻合的.在拉伸断口处还可观察到较多能谱分析为Z相成分的第二相粒子，这可能是第二相与基体间变形不协调产生应力集中，从而在界面处形成微孔洞并不断聚集长大，最终在两相界面处分离，产生断裂^[16].

综上，应变速率为100~667/s时合金呈现出以韧性断裂为主并伴有脆性断裂的混合断裂机制.

1) Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金在300℃、挤压比为16的热挤压过程中发生了完全的动态再结晶.挤压态组织为晶粒细小的镁基固溶体、其上弥散分布的化合物H相，以及沿Mg基体晶界分布的Z相.

2) 室温下应变速率为100~667/s时，随着应变速率的提高，挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的屈服强度及抗拉强度明显升高.应变速率ε=100/s时，Rp0.2=261MPa，Rm=324MPa；ε=667/s时，Rp0.2 =289MPa，Rm=361MPa.挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金的塑性也随着应变速率的增大而提高，延伸率从ε=100/s时的9.2%提高到ε=667/s时的13%.

3) 挤压态Mg₉₈Zn_1.2Y_0.8合金在室温下应变速率为10^-3/s的准静态拉伸的断裂方式为韧性断裂.当应变速率为100~667/s时，拉伸断裂方式是以韧性断裂为主并伴有脆性断裂的混合断裂.