纯Mg的蠕变行为研究
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Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ Ｄｏｃｔｏｒａｌ Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ纫
Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２００８—０４－１４．ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｌＴｌ ２００８－０８—０６
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｐｕｒｅ Ｍｇ ｉｎ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ７５— ２００℃ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｎｇｅ ｏｆ １５—４０ ＭＰａ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｈａｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｔｈｅ ａｓ－ｃａｓｔ Ｍｇ ｗｉｔｈ ｃｏａｒｓｅ ｃｏｌｕｍｎ ｇｒａｉｎｓ ｈａｓ ｌｏｗ ｃｒｅｅｐ ｒａｔｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｓ ｔｈｅ ｇｒａｉｎｓ ｂｅｃｏｍｅ ｆｉｎｅ ｅｑｕｉａｘｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｄｙｎａｍｉｃ
第４４卷
第１１期
２００８年１１月第１３５４－－１３５９页
仓扁学竣
ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．４４ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．２００８ ＰＰ．１３５４—１３５９
纯Ｍｇ的蠕变行为研究
晏井利 孙扬善 薛烽
（东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验窒，南京２１１１８９）
陶卫建
（南京云海特种金属股份有限公司，南京２１１２２１）
纯Ｍｇ的晶体结构为密排六方（ａ＝０．３２１ ｉｌｍ，ｃ－－ ｏ．５２１ ｎｍ），室温坦性较低．纯Ｍｇ单晶的临界切应力只 有４．８—４．９ ＭＰａ，多晶体的强度和硬度也很低，因此不能 直接用作结构材料．然而，要充分揭示镁合金蠕变行为的 本质，应该从纯Ｍｇ开始．只有掌握了纯Ｍｇ的蠕变机制， 才可能理解合金元素的加入对镁合金蠕变行为的影响，为 开发新型耐热镁合金在理论上起指导作用．
图１ａ为纯Ｍｇ的铸态组织．由图中可以看出，纯
（ａ）ａｓ－ｃａｓｔ （ｂ）ａｓ＿ｅｘｔｒｕｄｅｄ
图１纯Ｍｇ的艟微组织
Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｐｕｒｅ Ｍｇ
（ｃ）ａｎｎｅａｌｅｄ ｆｏｒ １ ｈ ａｆｔｅｒ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
（ｄ）ａｎｎｅａｌｅｄ ｆｏｒ ３ ｈ ａｆｔｅｒ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
图２给出了纯Ｍｇ的铸态试样在１２５℃，２卜
４０ ＭＰａ的蠕变曲线．从图中可以看出，较低应力下，蠕变 过程缓慢，蠕变以较低的速率持续很长时间．随着应力的 增加，蠕变应变量逐渐增加，蠕变第１阶段持续的时间缩 短而应变量增大，同时蠕变第２阶段持续的时间也逐渐缩 短，很快进入蠕变的第３阶段．稳态蠕变速率南可以通过
迄今为止，对于纯Ｍｇ的蠕变行为的研究并不多．已 有的报道大都在上世纪８０年代以前，且争议很多，并未 达成被学术界普遍接受的共识．Ｓｈｉ和Ｎｏｒｔｈｗｏｏｄ［８ｌ、 Ｊｏｎｅｓ等１９Ｊ、Ｖａｇａｒａｌｉ和Ｌａｎｇｄｏｎ［１０Ｊ在研究纯Ｍｇ的蠕 变时，得出位错攀移是蠕变的控制机制；Ｒｏｂｅｒｔｓｌｎｊ在研 究中强调了品界滑移在蠕变第２阶段的作用；而Ｍｉｌｉ芒ｋａ 等１１２Ｊ则认为基面上螺位错的不可逆割阶运动、螺位错 从基面进入锥面滑移系的交滑移以及受位错缠结限制的 锥面位错滑移运动都可能是蠕变速率控制机制．同时，已 有的研究大都是借鉴了对立方金属蠕变行为的研究结果， 从热力学的角度，运用Ｐｏｗｅｒ—Ｌａｗ方程（幂指数方程）计
算蠕变的应力指数和激活能，进而进行蠕变机制的判断． 在研究方法和思路上的主要不足在于缺乏对蠕变微观过 程的分析．
本文研究纯Ｍｇ在７５～２００℃（０．３８—０．５１ ７１ｍ，％
为熔点）的蠕变过程，通过对蠕变速率与温度、应力之间 关系的宏观规律的总结，并结合对蠕变过程中微观组织变 化的分析，初步探讨了纯Ｍｇ在此温度区间的蠕变行为及 蠕变机理． １实验方法
屏蔽能力强，切削加工性好等优点，在汽车、电子、航空 等领域展现了广阔的应用前景．然而，镁合金耐热性能较 差，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能往往大幅度下 降，因而难以作为高温长时闯使用的部件，成为限制镁合 金广泛应用的瓶颈问题之一．目前，国内外学者在耐热镁 合金研究方面给予了大量的关注［１－４Ｊ．
摘要 不同状态纯Ｍｇ试样在７５．一２００℃，１５—４０ ＭＰａ条件Ｆ的蠕变实验表明：在等ｌｎｊ条件下，铸态试样的晶粒粗大，蠕
变速率较低；挤压态试样由于动态再结晶，晶粒变细，蛹变速率犬幅上升；退火后由于晶粒长大，蠕变速率又呈ｒ降趋势．根据应变 速率幂指数公式，锛态纯Ｍｇ试样在较低应力时，应力指数ｎ处于４．孓一４．９的范围，在较高应力时，佗＞７；激活能在７６．０．一 ８９．４ ｋＪ／ｍｏｌ的范围．根据应力指数和激活能并结合蠕变过程中的组织分析，纯Ｍｇ的蠕变受位错攀移、晶界滑移以及李生的共 同作用，其中位错攀移和晶界滑移占主导地位．
计算稳态蠕变阶段蠕变曲线的斜率得到．纯Ｍｇ的铸态试 样在７５～２００℃，１５—４０ ＭＰａ的稳态蠕变速率实验结 果列在表１．从表中可以更明显地看出，纯Ｍｇ的抗蠕变 性能很差，在１５０℃，２０ ＭＰａ的实验条件下，稳态蠕变 速率已达５．６７ｘ１０刊Ｓ～．随着实验温度和／或应力的增 加，稳态蠕变速率大幅度增长．
为了进一步了，解蠕变过程中微观组织的变化，本文选 取了具有３个典型蠕变阶段的曲线（图２ｂ）的实验条件 分别对经９０ ｍｉｎ（稳态蠕变初期）和２１５ ｍｉｎ（稳态蠕变后 期）蠕变后的组织进行了观察，结果如图４所示．在蠕变 的第１阶段，随着加工硬化效应的增加，蠕变速率不断下
表１铸态纯Ｍｇ试佯在７５—２００℃，１扣００ ＭＰａ的稳态
ＫＥＹ ＷｏＲＤＳ ｐｕｒｅ Ｍｇ．ｃｒｅｅｐ，ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｌｉｍｂ，ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓｌｉｄｉｎｇ
镁合金是密度最小的商用金属结构材料．它具有比强 度和比刚度高、铸造成形性好、导电导热性能优越、电磁
堆江苏省自然科学基金预研项目ＢＫ２００４２０８和东南大学优秀博士 学位沦文基金项甘资助 收到初稿日期：２００８—０４—１４，收到修改稿日期：２００８－０８－０６ 作者简介：晏井利，男，１９８１年生，博上生
实验采用的纯Ｍｇ铸锭由南京云海特种金属股份有 限公司提供，纯度＞９９．９０％，符合ＧＢ３４９９—２００３的规 定．挤压实验是在３１５ ｔ油压机上进行，坯料（铸锭）温 度定为３６０℃，挤压简温度定为３５０℃，挤压比为９： １，挤压后的试样淬水冷却．退火处理在Ｃ０２气氛中进 行，退火温度为５００℃，时间分别为１和３ ｈ，获得了具 有不同晶粒度的试样．用于蠕变实验的试样采用国家标准 （ＧＢ／Ｔ２（｝３９—１９９７）规定的形状和尺寸（标距为１００ ｍｍ， 直径１０ ｒａｍ）。蠕变实验在ＲＤ２－３型高温蠕变实验机上 进行，实验温度控制在＝Ｅｌ℃的范围．显微组织采用光学显 微镜（ＯＭ）和扫描电镜（ｓＥＭ）观察，蠕变过程的微观结 构变化观察在ＪＥＯＬ ＪＥＭ２０００ＥＸ型透射电镜（ＴＥＭ） 上进行． ２实验结果
烈Ｄ ｗｅｉｊｉａｎ
Ｎａｎｊｉｎｇ Ｗｅｌｂｏｗ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１２２１ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＳＵＮ ＹａｎｇｓｈａｎＩ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｔｅｌ：（０２５）５２０９０６８９—２０．Ｅ－ｍａｉｈ ｙｓｓｕｎ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏ｛ｄｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．ＢＫ２００４２０８）ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｒ
抗蠕变性能是耐热镁合金的高温性能的核心指标之 一．国内外材料学界围绕提高抗蠕变性能、开发新型低成
万方数据
第１１期
晏井利等：纯Ｍｇ的蠕变行为研究
１３５５
本抗蠕变耐热镁合金开展了大量的工作，并已取得了一些 积圾的成果，有些正步入产业化１５一。丌．然而，从总体上说， 研究尚未获得实质性的突破，原因之一是对镁合金在高温 下的蠕变过程以及控制蠕变过程的微观机制还没有充分 地理解，在理沦上还不能对不同温度区间和应力条件下的 蠕变行为进行合理的解释．
Ｆｉｇ．２
Ｃｒｅｅｐ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ａｓ－ｃａＢｔ ｐｕｒｅ Ｍｇ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ａｔ １２５℃ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｎｇｅ ｏｆ ２０—＿４０ ＭＰａ（ａ）ａｎｄ
４０ ＭＰａ（ｂ）
图３不同状态Ｆ纯Ｍｇ在１５０℃，２０ ＭＰａ的蠕变曲线及 速率曲线
不同状态下的纯Ｍｇ在１５０℃，２０ ＭＰａ的蠕变曲线 如图３ａ所示，图３ｂ为相应的微分（速率）曲线．可以看 到，蠕变第１阶段应变速率急剧下降，并逐渐趋于恒定，进 而进入稳态蠕变阶段．稳态蠕变速率的计算结果一并标示
在图３ａ中：铸态的纯Ｍｇ试样具有最低的稳态蠕变速率 （５．６７ｘ １０—８ Ｓ－－Ｉ）；经３ ｈ退火处理的试样有相似的稳态 蠕变速率（５．７２ｘ１０—８ Ｓ－１）；而经ｌ ｈ退火处理的试样的 稳态蠕变速率上升到７．８３ｘ１０—８ Ｓ＿。，提高了近４０％；挤 压态试样的稳态蠕变速率则达到１．５８ｘ １０—７ ｓ＿。，接近于 铸态试样的３倍．
蠕变速率
Ｔａｂｌｅ １
Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｃｒｅｅｐ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｓ－ｃａｓｔ ｐｕｒｅ Ｍｇ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ７５—２００℃ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｎｇｅ ｏｆ １５—＿４０ ＭＰａ
（１０—８ ｓ一１）
圉２铸态纯Ｍｇ在１２５℃，２０—４０ ＭＰａ的蠕变曲线
ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇｒａｉｎｓ ｃｏａｒｓｅｎ ａｆｔｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ
ｅｘｐｏｎｅｎｔｓ ｎ ｌｉｅ ｉｎ ａ ｒａｎｇｅ ｏｆ ４．３＿４．９ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓｅｓ．ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｌｉｍｂ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ ｎ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｏｖｅｒ ７ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓｅｓ．Ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ７６．ｏ ｔｏ ８９．４ ｋＪ／ｍ０１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｕｒｉｎｇ ｃｒｅｅｐ，ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ａｒｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｌｉｍｂ，ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓｌｉｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｗｉｎｎｉｎｇ，ａｍｏｎｇ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｔｗｏ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｐｌａｙ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｒｏｌｅ．
万方数据
１３５６
金属学报
第４４卷
Ｍｇ的铸态组织由粗大的柱状晶组成，柱状晶的长度超过 １ ｍｍ，宽度不均匀，在５０一２００ ｐｍ之间．经热挤压后， 试样完成了动态再结晶，显微组织呈细小的等轴晶，品粒 尺寸在３０一４０ ｐｍ，如图ｌｂ所示．图１ｃ和ｄ为挤压后 的纯Ｍｇ分别经１和３ ｈ退火处理后的组织．可以看出， 经退火处理后，细小的等轴晶有不同程度的长大，平均晶 粒尺寸分别为ｉ００和２００弘ｍ左右．
关键词 纯Ｍｇ，蠕变，位错攀移，晶界滑移 中图法分类号ＴＧｌｌｌ，８，ＴＧｌ４６．２ 文献标识码Ａ
文章编号０４１２－１９６１（２００８）１１—１３５４—０６
Baidu Nhomakorabea
ＡＮ ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩｏＮ ｏＮ ＴＨＥ ＣＲＥＥＰ ＢＥＨＡＶＩｏＲ ｏＦ
ＰＵＲＥ Ｍｇ
ＹＡＮ ｄ／ｎｇｌｉ。ＳＵＮ Ｙａｎｇｓｈａｎ。ＸＵＥ Ｆｅｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１ １８９
Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２００８—０４－１４．ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｌＴｌ ２００８－０８—０６
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｐｕｒｅ Ｍｇ ｉｎ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ７５— ２００℃ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｎｇｅ ｏｆ １５—４０ ＭＰａ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｈａｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｔｈｅ ａｓ－ｃａｓｔ Ｍｇ ｗｉｔｈ ｃｏａｒｓｅ ｃｏｌｕｍｎ ｇｒａｉｎｓ ｈａｓ ｌｏｗ ｃｒｅｅｐ ｒａｔｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｓ ｔｈｅ ｇｒａｉｎｓ ｂｅｃｏｍｅ ｆｉｎｅ ｅｑｕｉａｘｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｄｙｎａｍｉｃ
第４４卷
第１１期
２００８年１１月第１３５４－－１３５９页
仓扁学竣
ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．４４ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．２００８ ＰＰ．１３５４—１３５９
纯Ｍｇ的蠕变行为研究
晏井利 孙扬善 薛烽
（东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验窒，南京２１１１８９）
陶卫建
（南京云海特种金属股份有限公司，南京２１１２２１）
纯Ｍｇ的晶体结构为密排六方（ａ＝０．３２１ ｉｌｍ，ｃ－－ ｏ．５２１ ｎｍ），室温坦性较低．纯Ｍｇ单晶的临界切应力只 有４．８—４．９ ＭＰａ，多晶体的强度和硬度也很低，因此不能 直接用作结构材料．然而，要充分揭示镁合金蠕变行为的 本质，应该从纯Ｍｇ开始．只有掌握了纯Ｍｇ的蠕变机制， 才可能理解合金元素的加入对镁合金蠕变行为的影响，为 开发新型耐热镁合金在理论上起指导作用．
图１ａ为纯Ｍｇ的铸态组织．由图中可以看出，纯
（ａ）ａｓ－ｃａｓｔ （ｂ）ａｓ＿ｅｘｔｒｕｄｅｄ
图１纯Ｍｇ的艟微组织
Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｐｕｒｅ Ｍｇ
（ｃ）ａｎｎｅａｌｅｄ ｆｏｒ １ ｈ ａｆｔｅｒ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
（ｄ）ａｎｎｅａｌｅｄ ｆｏｒ ３ ｈ ａｆｔｅｒ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
图２给出了纯Ｍｇ的铸态试样在１２５℃，２卜
４０ ＭＰａ的蠕变曲线．从图中可以看出，较低应力下，蠕变 过程缓慢，蠕变以较低的速率持续很长时间．随着应力的 增加，蠕变应变量逐渐增加，蠕变第１阶段持续的时间缩 短而应变量增大，同时蠕变第２阶段持续的时间也逐渐缩 短，很快进入蠕变的第３阶段．稳态蠕变速率南可以通过
迄今为止，对于纯Ｍｇ的蠕变行为的研究并不多．已 有的报道大都在上世纪８０年代以前，且争议很多，并未 达成被学术界普遍接受的共识．Ｓｈｉ和Ｎｏｒｔｈｗｏｏｄ［８ｌ、 Ｊｏｎｅｓ等１９Ｊ、Ｖａｇａｒａｌｉ和Ｌａｎｇｄｏｎ［１０Ｊ在研究纯Ｍｇ的蠕 变时，得出位错攀移是蠕变的控制机制；Ｒｏｂｅｒｔｓｌｎｊ在研 究中强调了品界滑移在蠕变第２阶段的作用；而Ｍｉｌｉ芒ｋａ 等１１２Ｊ则认为基面上螺位错的不可逆割阶运动、螺位错 从基面进入锥面滑移系的交滑移以及受位错缠结限制的 锥面位错滑移运动都可能是蠕变速率控制机制．同时，已 有的研究大都是借鉴了对立方金属蠕变行为的研究结果， 从热力学的角度，运用Ｐｏｗｅｒ—Ｌａｗ方程（幂指数方程）计
算蠕变的应力指数和激活能，进而进行蠕变机制的判断． 在研究方法和思路上的主要不足在于缺乏对蠕变微观过 程的分析．
本文研究纯Ｍｇ在７５～２００℃（０．３８—０．５１ ７１ｍ，％
为熔点）的蠕变过程，通过对蠕变速率与温度、应力之间 关系的宏观规律的总结，并结合对蠕变过程中微观组织变 化的分析，初步探讨了纯Ｍｇ在此温度区间的蠕变行为及 蠕变机理． １实验方法
屏蔽能力强，切削加工性好等优点，在汽车、电子、航空 等领域展现了广阔的应用前景．然而，镁合金耐热性能较 差，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能往往大幅度下 降，因而难以作为高温长时闯使用的部件，成为限制镁合 金广泛应用的瓶颈问题之一．目前，国内外学者在耐热镁 合金研究方面给予了大量的关注［１－４Ｊ．
摘要 不同状态纯Ｍｇ试样在７５．一２００℃，１５—４０ ＭＰａ条件Ｆ的蠕变实验表明：在等ｌｎｊ条件下，铸态试样的晶粒粗大，蠕
变速率较低；挤压态试样由于动态再结晶，晶粒变细，蛹变速率犬幅上升；退火后由于晶粒长大，蠕变速率又呈ｒ降趋势．根据应变 速率幂指数公式，锛态纯Ｍｇ试样在较低应力时，应力指数ｎ处于４．孓一４．９的范围，在较高应力时，佗＞７；激活能在７６．０．一 ８９．４ ｋＪ／ｍｏｌ的范围．根据应力指数和激活能并结合蠕变过程中的组织分析，纯Ｍｇ的蠕变受位错攀移、晶界滑移以及李生的共 同作用，其中位错攀移和晶界滑移占主导地位．
计算稳态蠕变阶段蠕变曲线的斜率得到．纯Ｍｇ的铸态试 样在７５～２００℃，１５—４０ ＭＰａ的稳态蠕变速率实验结 果列在表１．从表中可以更明显地看出，纯Ｍｇ的抗蠕变 性能很差，在１５０℃，２０ ＭＰａ的实验条件下，稳态蠕变 速率已达５．６７ｘ１０刊Ｓ～．随着实验温度和／或应力的增 加，稳态蠕变速率大幅度增长．
为了进一步了，解蠕变过程中微观组织的变化，本文选 取了具有３个典型蠕变阶段的曲线（图２ｂ）的实验条件 分别对经９０ ｍｉｎ（稳态蠕变初期）和２１５ ｍｉｎ（稳态蠕变后 期）蠕变后的组织进行了观察，结果如图４所示．在蠕变 的第１阶段，随着加工硬化效应的增加，蠕变速率不断下
表１铸态纯Ｍｇ试佯在７５—２００℃，１扣００ ＭＰａ的稳态
ＫＥＹ ＷｏＲＤＳ ｐｕｒｅ Ｍｇ．ｃｒｅｅｐ，ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｌｉｍｂ，ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓｌｉｄｉｎｇ
镁合金是密度最小的商用金属结构材料．它具有比强 度和比刚度高、铸造成形性好、导电导热性能优越、电磁
堆江苏省自然科学基金预研项目ＢＫ２００４２０８和东南大学优秀博士 学位沦文基金项甘资助 收到初稿日期：２００８—０４—１４，收到修改稿日期：２００８－０８－０６ 作者简介：晏井利，男，１９８１年生，博上生
实验采用的纯Ｍｇ铸锭由南京云海特种金属股份有 限公司提供，纯度＞９９．９０％，符合ＧＢ３４９９—２００３的规 定．挤压实验是在３１５ ｔ油压机上进行，坯料（铸锭）温 度定为３６０℃，挤压简温度定为３５０℃，挤压比为９： １，挤压后的试样淬水冷却．退火处理在Ｃ０２气氛中进 行，退火温度为５００℃，时间分别为１和３ ｈ，获得了具 有不同晶粒度的试样．用于蠕变实验的试样采用国家标准 （ＧＢ／Ｔ２（｝３９—１９９７）规定的形状和尺寸（标距为１００ ｍｍ， 直径１０ ｒａｍ）。蠕变实验在ＲＤ２－３型高温蠕变实验机上 进行，实验温度控制在＝Ｅｌ℃的范围．显微组织采用光学显 微镜（ＯＭ）和扫描电镜（ｓＥＭ）观察，蠕变过程的微观结 构变化观察在ＪＥＯＬ ＪＥＭ２０００ＥＸ型透射电镜（ＴＥＭ） 上进行． ２实验结果
烈Ｄ ｗｅｉｊｉａｎ
Ｎａｎｊｉｎｇ Ｗｅｌｂｏｗ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１２２１ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＳＵＮ ＹａｎｇｓｈａｎＩ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｔｅｌ：（０２５）５２０９０６８９—２０．Ｅ－ｍａｉｈ ｙｓｓｕｎ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏ｛ｄｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．ＢＫ２００４２０８）ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｒ
抗蠕变性能是耐热镁合金的高温性能的核心指标之 一．国内外材料学界围绕提高抗蠕变性能、开发新型低成
万方数据
第１１期
晏井利等：纯Ｍｇ的蠕变行为研究
１３５５
本抗蠕变耐热镁合金开展了大量的工作，并已取得了一些 积圾的成果，有些正步入产业化１５一。丌．然而，从总体上说， 研究尚未获得实质性的突破，原因之一是对镁合金在高温 下的蠕变过程以及控制蠕变过程的微观机制还没有充分 地理解，在理沦上还不能对不同温度区间和应力条件下的 蠕变行为进行合理的解释．
Ｆｉｇ．２
Ｃｒｅｅｐ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ａｓ－ｃａＢｔ ｐｕｒｅ Ｍｇ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ａｔ １２５℃ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｎｇｅ ｏｆ ２０—＿４０ ＭＰａ（ａ）ａｎｄ
４０ ＭＰａ（ｂ）
图３不同状态Ｆ纯Ｍｇ在１５０℃，２０ ＭＰａ的蠕变曲线及 速率曲线
不同状态下的纯Ｍｇ在１５０℃，２０ ＭＰａ的蠕变曲线 如图３ａ所示，图３ｂ为相应的微分（速率）曲线．可以看 到，蠕变第１阶段应变速率急剧下降，并逐渐趋于恒定，进 而进入稳态蠕变阶段．稳态蠕变速率的计算结果一并标示
在图３ａ中：铸态的纯Ｍｇ试样具有最低的稳态蠕变速率 （５．６７ｘ １０—８ Ｓ－－Ｉ）；经３ ｈ退火处理的试样有相似的稳态 蠕变速率（５．７２ｘ１０—８ Ｓ－１）；而经ｌ ｈ退火处理的试样的 稳态蠕变速率上升到７．８３ｘ１０—８ Ｓ＿。，提高了近４０％；挤 压态试样的稳态蠕变速率则达到１．５８ｘ １０—７ ｓ＿。，接近于 铸态试样的３倍．
蠕变速率
Ｔａｂｌｅ １
Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｃｒｅｅｐ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｓ－ｃａｓｔ ｐｕｒｅ Ｍｇ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ７５—２００℃ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｎｇｅ ｏｆ １５—＿４０ ＭＰａ
（１０—８ ｓ一１）
圉２铸态纯Ｍｇ在１２５℃，２０—４０ ＭＰａ的蠕变曲线
ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇｒａｉｎｓ ｃｏａｒｓｅｎ ａｆｔｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ
ｅｘｐｏｎｅｎｔｓ ｎ ｌｉｅ ｉｎ ａ ｒａｎｇｅ ｏｆ ４．３＿４．９ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓｅｓ．ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｌｉｍｂ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ ｎ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｏｖｅｒ ７ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓｅｓ．Ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ７６．ｏ ｔｏ ８９．４ ｋＪ／ｍ０１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｕｒｉｎｇ ｃｒｅｅｐ，ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ａｒｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｌｉｍｂ，ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓｌｉｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｗｉｎｎｉｎｇ，ａｍｏｎｇ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｔｗｏ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｐｌａｙ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｒｏｌｅ．
万方数据
１３５６
金属学报
第４４卷
Ｍｇ的铸态组织由粗大的柱状晶组成，柱状晶的长度超过 １ ｍｍ，宽度不均匀，在５０一２００ ｐｍ之间．经热挤压后， 试样完成了动态再结晶，显微组织呈细小的等轴晶，品粒 尺寸在３０一４０ ｐｍ，如图ｌｂ所示．图１ｃ和ｄ为挤压后 的纯Ｍｇ分别经１和３ ｈ退火处理后的组织．可以看出， 经退火处理后，细小的等轴晶有不同程度的长大，平均晶 粒尺寸分别为ｉ００和２００弘ｍ左右．
关键词 纯Ｍｇ，蠕变，位错攀移，晶界滑移 中图法分类号ＴＧｌｌｌ，８，ＴＧｌ４６．２ 文献标识码Ａ
文章编号０４１２－１９６１（２００８）１１—１３５４—０６
Baidu Nhomakorabea
ＡＮ ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩｏＮ ｏＮ ＴＨＥ ＣＲＥＥＰ ＢＥＨＡＶＩｏＲ ｏＦ
ＰＵＲＥ Ｍｇ
ＹＡＮ ｄ／ｎｇｌｉ。ＳＵＮ Ｙａｎｇｓｈａｎ。ＸＵＥ Ｆｅｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１ １８９