简介概要

Mg-Al-Sm系变形镁合金的组织与力学性能

来源期刊：稀有金属2017年第11期

论文作者：黄正华戚文军徐静周楠

文章页码：1173 - 1179

关键词：变形镁合金;Mg-Al-Sm系;组织;力学性能;

摘要：镁合金在汽车、通讯电子和航空航天领域正得到日益广泛的应用,其中变形镁合金呈现出比铸造镁合金更优异的性能,但其强韧性仍有待于提高。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）分析了铸态和挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的组织和相组成,并测试了其室温和高温拉伸力学性能。结果表明,上述合金的铸态组织均由α-Mg基体、不连续网状β-Mg17Al12相和小块状化合物Al2Sm组成,后者合金中添加的Zn固溶于α-Mg基体和β-Mg17Al12相中;铸态合金呈现较优异的拉伸力学性能,如室温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和伸长率δ分别处于220²35 MPa,118¹23 MPa和12.5%¹6.0%。经热挤压后,合金组织显著细化,再结晶晶粒的平均尺寸仅为12¹4μm,Al2Sm相亦有所破碎;挤压态合金的拉伸力学性能显著提高:室温σb和σ0.2分别提高至300³20MPa和215²30 MPa,423 K时的高温σb,σ0.2和δ分别提高至205²15 MPa,161¹66 MPa和42.0%⁴4.0%。

网络首发时间: 2016-06-29 13:42

稀有金属 2017,41(11),1173-1179 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15110203

Mg-Al-Sm系变形镁合金的组织与力学性能

黄正华戚文军徐静周楠

广东省科学院广东省材料与加工研究所

摘要：

镁合金在汽车、通讯电子和航空航天领域正得到日益广泛的应用, 其中变形镁合金呈现出比铸造镁合金更优异的性能, 但其强韧性仍有待于提高。利用光学显微镜 (OM) 、扫描电子显微镜 (SEM) 和X射线衍射仪 (XRD) 分析了铸态和挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的组织和相组成, 并测试了其室温和高温拉伸力学性能。结果表明, 上述合金的铸态组织均由α-Mg基体、不连续网状β-Mg17Al12相和小块状化合物Al2Sm组成, 后者合金中添加的Zn固溶于α-Mg基体和β-Mg17Al12相中;铸态合金呈现较优异的拉伸力学性能, 如室温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和伸长率δ分别处于220²35 MPa, 118¹23 MPa和12.5%¹6.0%。经热挤压后, 合金组织显著细化, 再结晶晶粒的平均尺寸仅为12¹4μm, Al2Sm相亦有所破碎;挤压态合金的拉伸力学性能显著提高:室温σb和σ0.2分别提高至300³20MPa和215²30 MPa, 423 K时的高温σb, σ0.2和δ分别提高至205²15 MPa, 161¹66 MPa和42.0%⁴4.0%。

关键词：

变形镁合金;Mg-Al-Sm系;组织;力学性能;

中图分类号： TG146.22

作者简介：黄正华 (1978-) , 男, 江苏昆山人, 博士, 高级工程师, 研究方向:高性能镁合金的开发及应用;电话:020-61086182;E-mail:zhhuang@live.cn;

收稿日期：2015-11-02

基金：广东省金属强韧化技术与应用重点实验室 (2014B030301012);广州市先进金属结构材料重点实验室 (201509010003);广东省自然科学基金 (2016A030313802);广东省高新技术产业化项目 (2013B010102021);广东省产学研合作项目 (2014B090903016);粤港共性技术招标项目 (2013B010138001);广东省科技型中小企业技术创新项目 (2016A010120024) 资助;

Microstructures and Mechanical Properties of Mg-Al-Sm Series Wrought Magnesium Alloys

Huang Zhenghua Qi Wenjun Xu Jing Zhou Nan

Guangdong Institute of Materials and Processing, Guangdong Academy of Sciences

Abstract：

Magnesium alloy was used widely in automotive, communication, electronic and aerial industries. Wrought magnesium alloy exhibited more excellent properties than as-cast magnesium alloy, but its strength and toughness should be enhanced further. Microstructures and phase compositions of as-cast and extruded Mg-6. 02 Al-1. 03 Sm and Mg-5. 95 Al-1. 01 Sm-0. 57 Zn alloys were analyzed by optical microscope ( OM) , scanning electron microscope ( SEM) and X-ray diffraction ( XRD) . Meanwhile, the tensile mechanical property at ambient and elevated temperatures was tested. The results showed that the as-cast microstructures of the abovementioned alloys consisted of α-Mg matrix, discontinuous network β-Mg17 Al12 phase and small block compound Al2 Sm. Metal Zn added into the latter alloy dissolved into α-Mg matrix and β-Mg17 Al12 phase. The as-cast alloys exhibited relatively excellent tensile mechanical property.The tensile strength σb, yield strength σ0. 2 and elongation δ at ambient temperature reached the range of 220 ~ 235 MPa, 118 ~ 123 MPa and 12. 5% ~ 16. 0%, respectively. After hot extrusion, the microstructures were refined significantly where the average size of recrystallization grains only reached the range from 12 to 14 μm. Meanwhile, the Al2 Sm phase broke slightly. The tensile mechanical property of the extruded alloys was enhanced obviously, where σband δ0. 2 at ambient temperature could increase to the range of 300 ³20 MPa and 215 ~ 230 MPa, respectively. Meanwhile, σb, σ0. 2 and δ at elevated temperature of 423 K could increase to the range of205 ~ 215 MPa, 161 ~ 166 MPa and 42. 0% ~ 44. 0%, respectively.

Keyword：

wrought magnesium alloy; Mg-Al-Sm series; microstructure; mechanical property;

Received： 2015-11-02

镁合金具有低密度、高比强度、良好阻尼性能等, 正广泛应用于汽车、通讯电子和航空航天等领域^[1]。变形镁合金呈现出更高强度和更好延展性等综合性能, 但是大多数变形镁合金的塑性受制于晶体结构而普遍较差^[2], 因此有必要通过加强对镁合金变形机制的研究来开发新型低成本高性能变形镁合金。AZ31B和ZK60合金是目前常用的两种变形镁合金。国内外研究人员在上述两种合金中分别添加稀土 (RE) , 通过分别析出高热稳定性相Al-RE和Mg-Zn-RE, 经后续热挤压后在充分发生动态再结晶的同时又有效抑制再结晶晶粒的长大, 从而有效改善组织和提高性能^{[3,4,5,6,7,8,9,10,11]}。Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金呈现铸态高塑性, 同时呈现优异的压铸力学性能和铸造工艺性能 (即流动性) , 在作为压铸镁合金和变形镁合金领域均具有广阔的应用前景^[12]。为此, 本文将详细考察铸态和挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的组织与力学性能, 探讨强化机制, 为开发低成本高性能变形镁合金提供技术支撑, 从而扩大Mg-Al-Sm系合金的使用范围。

1 实验

各合金锭由工业纯Mg、纯Al、纯Zn和Mg-30%Sm (质量分数) 中间合金在有CO₂和SF₆的混合气体保护的镁合金熔炼炉中熔炼而成。待纯Mg熔化后升温至993 K, 依次添加纯Al、纯Zn和中间合金, 接着熔体在1 h内搅拌两次, 然后精炼搅拌后升温至1033 K, 静置30 min, 最后待熔体温度冷却至988 K, 分别浇入预热温度为523 K的楔形和圆型金属型模具中, 得到铸态试样和挤压铸坯。用JY Ultima2型等离子体原子发射光谱仪 (ICP) 测得合金锭中各元素的实际含量。铸坯置于热处理炉中经673 K均匀化处理12 h, 除皮后在638 T挤压机上进行挤压实验, 挤压比λ、挤压温度T和挤压速度V分别为40, 593 K和1 m·min^-1, 得到表面质量良好的挤压棒。

铸态和挤压态试样分别用4%硝酸酒精溶液 (体积分数) 和苦味酸腐蚀剂 (1.5 g苦味酸+25 ml乙醇+5 ml乙酸+10 ml水) 腐蚀后制成金相试样, 接着分别在Leica DM IRM型光学显微镜 (OM) 和配有OXFORD 7412型能谱仪 (EDS) 的JEOL JXA-8100型扫描电子显微镜 (SEM) 上进行组织观察。在采用Cu靶的D/MAX-RC型X射线衍射仪 (XRD) 上进行相组成分析。小型板状拉伸试样在DNS200型万能材料试验机上进行室温和高温 (423K) 拉伸试验, 拉伸速度为2 mm·min^-1。用SEM观察拉伸断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 铸态组织与力学性能

图1和2分别为铸态合金的OM和SEM照片。可见, 这两种合金的铸态组织均由α-Mg基体、不连续网状β-Mg₁₇Al₁₂相和小块状化合物 (图2中箭头) 组成。

图3为铸态合金的EDS谱, 其结果列于表1中。可见, Mg-6.02Al-1.03Sm合金的铸态组织中除存在α-Mg基体和较暗的化合物Mg-Al (即β-Mg₁₇Al₁₂) (见图3 (a) 中谱图2) 外, 还存在较亮的小块状化合物Al-Sm (见图3 (a) 中谱图1) 。上述合金中添加0.57%Zn后, 铸态组织中仍只存在上述3种相, 未生成明显的含Zn新相, 添加的Zn固溶于α-Mg基体和β-Mg₁₇Al₁₂相中 (见图3 (b) 中谱图2和3) 。

图1 铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的OM照片Fig.1 OM images of as-cast Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys

图2 铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的SEM照片 (箭头为小块状化合物) Fig.2 SEM images of as-cast Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys (Arrows denoting small block compounds)

图3 铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的EDS分析位置Fig.3 Positions for EDS analysis of as-cast Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys

表1 铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的EDS结果Table 1EDS results of as-cast Mg-6.02Al-1.03Sm and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn alloys (%, atom fraction) 下载原图

表1 铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的EDS结果Table 1EDS results of as-cast Mg-6.02Al-1.03Sm and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn alloys (%, atom fraction)

为了确定上述两合金的相组成, 分析了铸态合金的XRD谱 (图4) 。可见, 上述两合金的铸态XRD谱均只存在α-Mg, β-Mg₁₇Al₁₂和Al₂Sm 3种相的峰。结合EDS结果, 可认为铸态组织中较亮的小块状化合物应为Al₂Sm相。

图4 铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的XRD谱Fig.4XRD spectra of as-cast Mg-6.02Al-1.03Sm and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn alloys

元素间形成化合物的难易程度可由其电负性差值Δχ来判断。Δχ值越大, 元素间结合力越大, 越易形成金属间化合物^[13]。本文中元素Mg, Al和Sm的电负性χ分别为1.31, 1.61和1.17^[14]。在Mg-Al系合金中添加RE, 有可能形成Al-RE, MgRE或Mg-Al-RE化合物。Sm与Al间的Δχ_Sm-Al为0.44, 大于Sm与Mg间的Δχ_Sm-Mg (0.14) , 表明Sm与Al间具有更大的结合力, 因此仅从热力学角度来看, 在Mg-Al合金中添加Sm后将优先生成小块状化合物Al₂Sm, 而非生成Mg-Sm或Mg-Al-Sm化合物。

铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金呈现较优异的室温和高温拉伸力学性能 (表2) 。Mg-6.02Al-1.03Sm合金的室温抗拉强度σ_b, 屈服强度σ_0.2和伸长率δ分别为220, 118MPa和12.5%, 高温σ_b, σ_0.2和δ分别为162, 83MPa和14.5%。上述合金中添加0.57%Zn后, 室温和高温拉伸力学性能均有所提高, 室温σ_b和δ分别稍提高至235 MPa和16.0%, 高温σ_b和δ亦分别稍提高至171 MPa和20.0%。上述两合金的铸态室温拉伸断口均呈现出韧性断裂和脆性断裂的复合方式 (图5) 。Mg-6.02Al-1.03Sm合金铸态室温拉伸断口中存在着韧窝和解理台阶;添加0.57%Zn后, 韧窝有所增加, 这与伸长率有所提高相一致。

众所周知, 细晶强化和弥散强化是镁合金主要的强化机制^[15,16]。本文中Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn两合金铸态组织中的第二相粒子 (包括β-Mg₁₇Al₁₂和Al₂Sm) 均较弥散分布, 且高热稳定性相Al₂Sm在高温下可起到强烈钉扎晶界的作用, 有效阻碍高温晶界滑移, 因此上述两合金呈现较优异的铸态室温和高温拉伸力学性能。同时Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金中添加的Zn固溶于α-Mg基体和β-Mg₁₇Al₁₂相中, 固溶强化导致其铸态拉伸力学性能较前者合金有所提高。

表2 铸态和挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的室温和高温拉伸力学性能Table 2 Tensile mechanical property at ambient and elevated temperatures of as-cast and extruded Mg-6.02Al-1.03Sm and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn alloys 下载原图

*Tensile mechanical properties of alloys extruded by same process

图5 铸态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的室温拉伸断口SEM形貌 (插图为高倍照片) Fig.5SEM morphology of tensile fractures at ambient temperature of as-cast Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys (illustrations being images with high magnification)

2.2 挤压态组织与力学性能

图6和7分别为Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn两合金在挤压方向上的OM和SEM照片。可见, 上述两合金在热挤压过程中均发生明显的动态再结晶现象, 因此挤压态组织明显细化。Mg-6.02Al-1.03Sm合金的平均晶粒尺寸约 (14±3) μm, 而Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的平均晶粒尺寸稍降至约 (12±2) μm。经EDS分析 (见图8和表3) , 铸态组织中低热稳定性相β-Mg₁₇Al₁₂ (熔点仅710 K) 经挤压前均匀化处理已完全固溶于α-Mg基体中, 在后续热挤压过程中未重新析出, 而高热稳定性相Al₂Sm仍存在于挤压态组织中, 只是有所破碎。

经热挤压后, Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的室温和高温拉伸力学性能均明显提高 (表2) 。Mg-6.02Al-1.03Sm合金的室温σ_b和σ_0.2分别提高至300和215 MPa, 但δ为11.5%, 略低于铸态值;高温σ_b, σ_0.2和δ分别显著提高至205, 161 MPa和42.0%。上述合金中添加0.57%Zn后, 室温和高温拉伸力学性能均有所提高, 如室温σ_b, σ_0.2和δ分别提高至320, 230MPa和13.0%。同时发现, 本文开发的这两种MgAl-Sm系变形镁合金的室温综合拉伸力学性能略优于AZ31B合金, 略低于ZK60合金, 但高温综合拉伸力学性能均明显优于上述两种常用的变形镁合金。上述两合金的挤压态室温拉伸断口形貌均发生明显改变, 呈现典型的韧性断裂特征, 存在尺寸均匀且较深的韧窝, 同时在韧窝底部可观察到极少量的细小第二相粒子 (图9) 。结合EDS结果可认为, 这些位于韧窝底部的第二相粒子应为Al₂Sm。但挤压态室温伸长率较铸态值有所降低, 这方面值得深入研究。

图6 挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的OM照片Fig.6 OM images of extruded Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys

图7 挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的SEM照片Fig.7 SEM images of extruded Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys

图8 挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的EDS分析位置Fig.8 Positions for EDS analysis of extruded Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys

表3 挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的EDS结果Table 3 EDS results of extruded Mg-6.02Al-1.03Sm and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn alloys (%, atom fraction) 下载原图

表3 挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的EDS结果Table 3 EDS results of extruded Mg-6.02Al-1.03Sm and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn alloys (%, atom fraction)

作为软化和晶粒细化机制的动态再结晶对控制镁合金变形组织、改善塑性成形能力和提高力学性能具有重要意义, 其影响因素主要有变形温度、变形速度和变形程度等^[2]。本文采用的高挤压比 (λ=40) 能产生大的变形程度, 保证合金组织得到充分细化和动态再结晶的发生;中等的挤压温度 (T=593 K) 既能保证动态再结晶的发生, 又能确保再结晶晶粒不易长大;较低的挤压速度 (V=1m·min^-1) 能保证获得细小组织。上述各因素的综合作用导致挤压态组织显著细化, 平均晶粒尺寸仅为12~14μm, 在此细晶强化作用表现得尤为突出;同时破碎、细小、弥散的Al₂Sm相能起到一定的弥散强化作用, 在高温下可起到强烈钉扎晶界的作用, 有效阻碍高温晶界滑移。上述两强化因素的共同促进作用导致挤压态室温和高温强度明显提高。同时, 与Mg-6.02Al-1.03Sm合金相比, Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金组织中除了β-Mg₁₇Al₁₂相在挤压前均匀化处理中已完全固溶于α-Mg基体中外, 另外添加的少量Zn亦固溶于α-Mg基体中, Zn和Al元素所起的共同固溶强化作用导致该合金的挤压态拉伸力学性能更优异。

3 结论

1.Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的铸态组织均由α-Mg基体、不连续网状β-Mg₁₇Al₁₂相和小块状化合物Al₂Sm组成, 后者合金中添加的Zn固溶于α-Mg基体和β-Mg₁₇Al₁₂相中;合金拉伸力学性能较优异, 如室温σ_b, σ_0.2和δ分别处于220~235 MPa, 118~123 MPa和12.5%~16.0%。

图9 挤压态Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金的室温拉伸断口SEM形貌, 插图为高倍照片Fig.9 SEM morphology of tensile fractures at ambient temperature of extruded Mg-6.02Al-1.03Sm (a) and Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn (b) alloys (illustrations being graphs with high magnification)

2.经热挤压后, Mg-6.02Al-1.03Sm和Mg-5.95Al-1.01Sm-0.57Zn合金组织显著细化, 发生明显的动态再结晶现象, 平均晶粒尺寸仅为12~14μm, Al₂Sm相有所破碎;合金拉伸力学性能显著提高:室温σ_b和σ_0.2分别提高至300~320 MPa和215~230 MPa, 高温σ_b, σ_0.2和δ分别提高至205~215, 161~166 MPa和42.0%~44.0%。这两种合金的室温综合拉伸力学性能略优于AZ31B合金, 略低于ZK60合金, 但高温综合拉伸力学性能均明显优于上述两种常用的变形镁合金。

3.细晶强化和固溶强化是镁合金的主要强化机制。平均晶粒尺寸仅为12~14μm以及低热稳定相β-Mg₁₇Al₁₂和少量Zn均已完全固溶于α-Mg基体中, 导致这两种合金呈现优异的挤压态拉伸力学性能。