بررسی رفتار خزش فروروندگی آلیاژهای منیزیم MX21 و ME21

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 7، دوره 9، شماره 34 - شماره پیاپی 2، بهمن 1397، صفحه 93-110   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

زهرا دشتی¹؛ عبدالرضا گرانمایه^{* 2}

¹گروه مهندسی مواد و متالورژی، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

²گروه مهندسی مکانیک، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

تاریخ دریافت: 25 دی 1396،  تاریخ بازنگری: 30 بهمن 1396،  تاریخ پذیرش: 11 بهمن 1397 

چکیده

در مقاله حاضر رفتار خزشی دو آلیاژ Mg-2Mn-1Ca (MX21) و Mg-2Mn-1RE (ME21) در شرایط اکسترود شده مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی‌های‌ ریز ساختاری این دو آلیاژ با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پراش پرتو ایکس (XRD) انجام و فازهای تشکیل شده مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج بررسی‌ها نشان دادند که افزودن عناصر خاکی نادر با تشکیل فازهای پایدار در برابر حرارت Mg17RE2و Mg12RE از یک سو، و افزودن کلسیم با تشکیل فاز پایدار در برابر حرارتMg2Ca از سوی دیگر، ضمن ریز کردن ساختار، سبب بهبود خواص مکانیکی این دو آلیاژ شدند. جهت بررسی رفتار خزشی این آلیاژها از آزمون‌ خزش فروروندگی در محدوده دمایی K 498-423 استفاده شد. در هر دو آلیاژ، در محدوده تنشهای پایین و بالا، رفتار متفاوتی از آلیاژ مشاهده شد. در ناحیه تنشهای پایین، توان تنشی بین 6-4 و انرژی فعالسازی نزدیک به انرژی فعالسازی نفوذ از طریق هسته نابجایی‌های منیزیم (Qpd = 95 kJ/mol)، مکانیزم خزش را صعود نابجایی‌ها، کنترل شده از طریق نفوذ از هسته نابجایی‌ها معرفی می‌نماید. در ناحیه تنشی بالا، توان تنشی بین 14-10 و انرژی فعالسازی نزدیک به انرژی فعالسازی نفوذ در خود منیزیم (Qld = 135 kJ/mol)، مکانیزم غالب را، خزش نابجایی‌ها پیش‌بینی‌‌ می‌کند. نتایج آزمون‌ها از بهبود رفتار خزشی آلیاژ ME21نسبت به آلیاژ MX21 حکایت دارند.

کلیدواژه‌ها

آلیاژهای Mg-Mn؛ خزش فروروندگی با استوانه مسطح؛ توان تنش؛ انرژی فعالسازی

عنوان مقاله [English]

Investigation of creep behavior of ME21 and MX21 magnesium alloys

نویسندگان [English]

Zahra Dashti¹؛ Abdolreza Geranmayeh²

¹Department of Materials and Metallurgy Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran ,Iran

²Department of Mechanical Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran ,Iran

چکیده [English]

The creep behavior of the extruded Mg-2Mn-1Ca (MX21) and Mg-2Mn-1RE (ME21) magnesium alloys was investigated by impression testing under constant punching stress in the range 175 to 450 MPa and at temperatures in the range 423 to 498 K. Microstructural inspections with OM, SEM, EDS and XRD have proved that presence of thermally stable Mg17RE2 and Mg12RE phases in ME21 alloy and Mg2Ca phase in MX21 alloy are the main cause of enhancing the mechanical properties. For both alloys the creep behavior can be divided into two stress regimes. The stress exponents of 5 to 6 and 10 to 14 were obtained at low and high stresses, respectively. When the experimental creep rates were normalized to the pipe diffusion coefficient, however, the stress exponents of about 5-6 and 9.5-12 were obtained for the low- and high-stress regimes, respectively. The low-stress regime activation energies of about 87.1 to 92.7 kJ mol-1, which are close to 92 kJ mol-1 for dislocation-pipe diffusion in the Mg, and stress exponents in the range 4 to 6 suggest that the operative creep mechanism is dislocation climb. This behavior is in contrast to the high-stress regime, in which the stress exponents of 10 to 14 and activation energies of about 122 kJ mol-1 suggest that the operative creep mechanism is dislocation creep. The creep resistance of MX21 was only slightly lower than that of the ME21 alloy, which is attributed to formation of more thermally stable intermetallics in microstructure of ME21 alloy.

کلیدواژه‌ها [English]

Mg-Mn alloy, Impression creep, Stress exponent, Activation energy

مراجع

References:

 

[1]  غ.ح. حسنی و ر. محمودی، "معادله بنیادی تغییرشکل گرم ورق منیزیمی Mg-4Sn-1Ca "، فصلنامه علمی-پژوهشی مواد نوین، جلد 5،  شماره 2، صفحات 10-1، سال 1393.
 
[2]  J. Wang, R. Lu, D. Qin, X. Huang, and F. Pan," A study of the ultrahigh damping capacities in Mg–Mn alloys", Materials Science and Engineering: A, Vol. 560, 2013, pp. 667-671.           

[3]  I.J. Polmear, Light Alloys, Metallurgy of light metals, 3rd ed., Amold, London, 1995.

[4]  Y.C. Lee, A.K. Dahle, and D.H. St John, "The role of solute in grain refinement of magnesium", Metallurgical and Materials Transactions A, 2000, Vol. 31, pp. 2895–2906.

[5]  Y. Lü, Q. Wang, X. Zeng, W. Ding, C. Zhai, and Y. Zhu, "Effects of rare earths on the microstructure, properties and fracture behavior of Mg–Al alloys", Materials Science and Engineering A, Vol. 278, 1999, pp. 66-76.     

[6]  W. Qudong, L. Yizhen, Z. Xiaoqin, D. Wenjiang, Z. Yanping, L. Qinghua, and L. Jie, "Study on the fluidity of AZ91+xRE magnesium alloy", Materials Science and Engineering A, Vol. 271, 1999, pp. 109-115.

[7]  B. Kondori, and R. Mahmudi, "Impression creep characteristics of a cast Mg alloy", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 40A, 2009, pp. 2007–2015.

[8]  R. Mahmudi, Sh. Ansary,  and M. J. Esfandyarpour, “ Indentation creep of the wrought AZ31 magnesium alloy”, Journal of Materials Science, Vol. 47,  2012 pp. 7181–7188.

[9]      A. R. Geranmayeh, and R. Mahmudi, "Indentation creep of a cast Mg–6Al–1Zn–0.7Si alloy", Materials Science and Engineering A, Vol. 614, 2014, pp. 311-318.

[10]      A. R. Geranmayeh, and R. Mahmudi, "Compressive and impression creep behavior of a cast       Mg-Al-Zn-Si alloy", Materials Chemistry and Physics, Vol. 139, 2013, pp. 79-86.           

[11]      N. Kashefi, and R. Mahmudi, "The microstructure and impression creep behavior of cast AZ80 magnesium alloy with yttrium additions", Materials and Design, Vol. 39, 2010, pp. 200–210.  

[12]      S.N.G. Chu and J.C.M. Li, "Impression creep; a new creep test", Journal of Materials Science, Vol. 12, 1977, pp. 2200-2208.           

[13]                  J.C.M. Li, "Impression creep and other localized tests", Materials Science and Engineering A, , Vol. 322, 2002, pp. 23-42.

[14]    B.P. Zhang, L. Geng, L.J. Huang, X.X. Zhang and C.C. Dong, "Enhanced mechanical properties in fine-grained Mg-1.0Zn-0.5Ca alloys prepared by extrusion at different temperatures", Scripta Materialia, Vol. 63, 2010, pp. 1024-1027.           

[15]      I. Maxwell, and A. Hellawell, A Simple Model for Grain Refinement during Solidification, Acta Metallurgica, Vol. 23, 1975, pp. 229-237.     

[16]      F. Naghdi, and R. Mahmudi, "The microstructure and creep characteristics of cast Mg–4Zn–0.5Ca and Mg–4Zn–0.5Ca–2RE alloys", Materials Science and Engineering A, Vol. 610, 2014, 315–325.

[17]      Y. chino, M. Kobata, H. Iwasaki, and M. Mabuchi, "Tensile properties From Room Tempurture to 673 K of Mg-0.9% mass Ca Alloy containing  Lamella Mg2Ca", Materials Science,Vol. 43, 2002, pp 2643-2646.   

[18]      P. Zhang, B. Watzinger, and W. Blum, "Changes in microstructure and deformation resistance during creep of the die-cast Mg-Al-Base alloy AZ91hp at intermediate temperatures up to 150", Physica Status Solidi A, Vol. 175, 1999, pp. 481-487.

[19]      T.G. Langdon, "Identifiying creep mechanisms at low stresses", Materials Science and Engineering A, Vol. 283, 2000, pp. 266–273.        

[20]      S. Takeochi, and A.S. Argon, "Review, steady-state creep of single-phase crystalline matter at high temperature", Journal of Materials Science, Vol. 11, 1976, pp. 1542-1566. 

[21]      O.D. Sherby, and E.M. Taleff, "Influence of grain size, solute atoms and second-phase particles on creep behavior of polycrystalline solids", Materials Science and Engineering A, Vol. 322, 2002, pp. 89–99.

[22]      O.D. Sherby, and P.M. Burke, "Mechanical behavior of crystalline solids at elevated temperature", Progress in Materials Science, 1968, Vol. 13, pp. 323-390.

[23]      F.A. Mohamed, and T.G. Langdon, "The transition from dislocation climb to viscous glide in creep of solid solution alloys",  Vol. 22, 1974, pp. 779-788.           

[24]      P. Yavari, and T.G. Langdon, "An examination of the breakdown in the creep by viscous glide in solid solution alloys at high stress levels",  Vol. 30, 1982, pp. 2181-2196.

[25]      S.V. Raj, "Power-law and exponential creep in class M materials: discrepancies in experimental observations and implications for creep modeling", Materials Science and Engineering A, Vol.  322, 2002, pp. 132-147.            

[26]      T. Reinikainem, and J. Kivilahti, "Deformation behavior of dilute SnBi(0.5 to 6 at. Pct) solid", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 30, 1999, pp. 123-132.