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稀有金属 2016,40(06),552-558 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.06.006
Zn含量对Mg-Mn-Zn合金显微组织和力学性能的影响
赖林 张奎 李兴刚 李永军 马鸣龙 石国梁
北京有色金属研究总院有色金属制备加工国家重点实验室
摘 要:
通过添加少量的Zn元素制备了(%,质量分数)Mg-2.0Mn-x Zn(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金。对合金进行挤压变形,并利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等手段,研究了少量的Zn元素对Mg-Mn合金组织及力学性能的影响。实验结果表明,Mg-2.0Mn-x Zn合金的铸态及挤压态组织中主要含有的第二相为颗粒状的α-Mn相,Zn元素均匀固溶于Mg基体中。少量添加的Zn元素可以显著细化铸态Mg-Mn-Zn镁合金的晶粒尺寸。随着Zn含量增加,挤压态合金中动态再结晶区域增加,混晶组织呈减少趋势。少量添加Zn元素对挤压态Mg-2.0Mn合金的强度及塑性都有明显的改善作用,尤其是合金的屈服强度最高增加42%,延伸率增加57%。随着Zn添加量增加,合金强度的增加趋势减弱。SEM观察显示挤压态Mg-2.0Mn-x Zn合金拉伸试样的断口形貌以韧窝及解理台阶为主,呈现韧性断裂与准解理断裂的混合断口形貌。
关键词:
Mg-Mn-Zn合金;显微组织;力学性能;组织均匀性;
中图分类号: TG146.22
作者简介:赖林(1989-),男,湖南醴陵人,博士研究生,研究方向:镁合金及其加工技术,E-mail:lailin0125@126.com,;张奎,教授,电话:010-82241168,E-mail:zhkui@grinm.com;
收稿日期:2015-01-05
基金:国家科技部“973”项目(2013CB632202,2013CB632205);青海省科技支撑计划项目(2014-GX-106A)资助;
Microstructure and Mechanical Properties of Mg-Mn-Zn Magnesium Alloy with Different Zn Contents
Lai Lin Zhang Kui Li Xinggang Li Yongjun Ma Minglong Shi Guoliang
State Key Laboratory for Fabrication and Processing of Nonferrous Metals,Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals
Abstract:
Mg-2. 0Mn-x Zn( x = 0,0. 5,1. 0,1. 5,2. 0)( %,mass fraction) alloys were fabricated by adding a small amount of Zn into Mg-2. 0% Mn alloys under conventional solidification. After hot extrusion deformation,the effects of small amount of Zn on the microstructure and mechanical property of Mg-2. 0Mn-x Zn alloy were investigated by optical microscope( OM),scanning electron microscope( SEM) and energy dispersion spectrometer( EDS). In the as-cast state and as-extruded state,the main second phase was α-Mn particle and Zn was dissolved in the matrix. A small addition of Zn had significant refining effect on the grain size of as-cast alloy. In the as-extruded alloy,the area of dynamic recrystallization increased and the mixed grain structure had a downward tendency with the increase of Zn addition. The strength and plasticity of extruded Mg-Mn-Zn alloy significantly improved with a small addition of Zn,the yield strength increased up to 42% and the elongation increased up to 57%. The improvement of strength diminished with the increase of Zn addition. The fracture morphology of extruded Mg-2. 0Mn-x Zn alloy mainly consisted of dimples and cleavage steps presented a mixed fracture morphology of ductile fracture and quasicleavage fracture.
Keyword:
Mg-Mn-Zn alloy; microstructure; mechanical properties; structure uniformity;
Received: 2015-01-05
近年来,随着人们对于环境和能源问题的重视,镁合金作为轻质结构材料在节能减排方面的重要地位逐步得到认可。其高的比强度、比刚度和易于回收等特点,使得它被广泛应用于汽车、航空航天以及电子3C等领域[1]。但是由于镁属于密排六方结构,室温下只有3个基面滑移系可以开动,需要依靠孪生来协调变形,因此镁合金在较低温度下变形一般都具有较差的塑性[2,3,4,5]。与铸态合金相比变形镁合金具有更加优异的力学性能,通常认为这主要是由于变形态合金的晶粒尺寸更加细小,同时在大塑性变形条件下合金内部存在一定强度的织构所导致的[6,7,8,9]。
目前变形镁合金的系列还较少,探索新的变形镁合金种类,可以为镁合金的应用提供更多的选择。Mg-Mn系镁合金是牌号较少的一类变形镁合金,其主要牌号有MB1和MB8,与其他合金系相比Mg-Mn系合金具有中等强度、较好的耐腐蚀性及塑性成形能力[10,11,12]。合金元素添加对Mg-Mn系合金性能的影响已有部分报道。张丁非等[13]报道了Zn添加量为4%~9%之间时Mg-Mn合金组织和力学性能的变化规律,发现随着Zn含量的增加挤压态Mg-x Zn-Mn合金的拉伸性能并波动并不大,抗拉强度在310 MPa附近,屈服强度220 MPa,延伸率12%。Zn元素的添加,使得合金中存在大量的GP区,改善了合金的强度。尹冬松等[14]报道了Zn可以显著细化铸态Mg-Mn合金的晶粒尺寸并改善合金的力学性能,且1%~2%的Zn含量可以显著提高Mg-Mn合金钝化膜的稳定性,使合金的腐蚀速度显著降低。Yang等[15]认为430℃挤压变形Mg-Mn-Ce合金存在强烈的(0002)基织构,其对于材料的力学性能及加工硬化具有促进作用,Mn元素的添加影响铸态合金晶粒尺寸,进而改变挤压板材的织构。
以Mn作为主要合金化元素的Mg-Mn系变形镁合金的研究报道目前还很少,为了增进对MgMn系变形镁合金组织和力学性能受少量Zn元素添加影响的认识,在本研究中,通过铸造和挤压变形制备了Mg-2.0Mn-0~2.0Zn合金(%,质量分数,下同),对合金的显微组织及力学性能进行了研究。
1实验
本实验所用的合金原料为纯Mg锭(99.9%)、Mg-3.6%Mn中间合金和纯锌。熔炼设备为交频电磁感应炉,将原材料置于低碳钢坩埚中加热至750℃熔炼,整个熔炼过程采用SF6和CO2混合气体进行保护。将坩埚取出水冷,对熔炼得到的铸锭进行车削加工,得到尺寸为Φ90 mm×120 mm的铸锭。然后将铸锭加热至350℃挤压成直径20 mm的棒材,挤压工艺参数见表2。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)对合金进行成分测试,合金成分如表1所示。根据成分不同,将合金分别编号为1,2,3,4,5号合金。
对Mg-2.0Mn-x Zn合金进行拉伸力学性能测试、光学显微组织观察(OM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射分析(XRD)、电子背散射衍射分析(EBSD)和透射电镜分析(TEM)。室温拉伸力学性能测试采用MTS-810电子万能试验机,拉伸速率为2 mm·min-1;金相组织观察采用CarlZ eiss Axiovet 200MAT金相显微镜,腐蚀剂为草酸水溶液;合金的EDS分析及EBSD采用JEOL JSM-7001F扫描电子显微镜进行;X射线衍射物相分析采用X'Pert PRO MPD多晶X射线衍射仪。
2结果与讨论
2.1 Zn含量对铸态合金显微组织的影响
图1为实验合金XRD分析图谱。从图1中可以看到,除了α-Mg相及α-Mn相两种相以外,没有检测到Mg-Zn相的衍射峰。Zn元素在镁合金中具有较高的固溶度,由于合金中添加的Zn元素含量较少,因此铸态合金中Mg-Zn相的含量可能极少,Zn元素主要以固溶体的形式存在于α-Mg基体中。Mn元素在Mg中的固溶度较低,α-Mn相为一种热稳定相。
表1 Mg-Mn-Zn变形镁合金的化学成分Table 1Chemical compositions of Mg-Mn-Zn wrought magnesium alloy 下载原图
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表1 Mg-Mn-Zn变形镁合金的化学成分Table 1Chemical compositions of Mg-Mn-Zn wrought magnesium alloy
表2 Mg-Mn-Zn合金挤压工艺参数Table 2 Extrusion parameters of Mg-Mn-Zn alloy 下载原图
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表2 Mg-Mn-Zn合金挤压工艺参数Table 2 Extrusion parameters of Mg-Mn-Zn alloy
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图1 铸态Mg-2.0Mn-x Zn合金的XRD物相分析Fig.1 XRD patterns of as-cast Mg-2.0Mn-x Zn alloys
图2为Mg-2.0Mn-x Zn(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)(%,质量分数)合金的铸态金相显微照片和扫描电镜照片。从金相照片中可以看到,Mg-2.0Mn合金的凝固组织主要为胞状组织,随着Zn元素的添加,合金凝固的枝晶组织趋于明显。对于Mg-Mn二元合金,由于Mn在Mg中的固溶度很小,所以在凝固时,其成分过冷区较小,晶体生长主要受固液界面前沿的温度所控制,晶体主要以胞状方式生长。当Zn元素添加到合金中后,合金在凝固时溶质原子再分配的过程增加,成分过冷趋于明显,故随着Zn元素添加,合金的枝晶组织趋于明显。合金的晶粒尺寸随着Zn含量的增加,其晶粒尺寸变小。采用截线法对合金晶粒尺寸进行统计得到结果如图3所示。少量添加Zn元素可以显著的影响铸态Mg-Mn合金的晶粒尺寸,合金晶粒细化,继续添加Zn元素对铸态合金的晶粒细化的作用趋于减弱。
2.2 Zn含量对挤压态合金显微组织的影响
图4为Mg-2.0Mn-x Zn合金挤压棒材横向和纵向的金相显微组织。经过挤压变形后,Mg-2.0Mnx Zn合金的晶粒尺寸得到极大的细化。合金中都存在着大量的未再结晶区域和混晶组织。铸态合金的晶粒尺寸粗大,在挤压变形过程中部分粗大的晶粒被挤压成条带状。变形态Mg-2.0Mn-x Zn合金中混晶组织产生的原因与挤压条件及合金中添加合金化元素的含量密切相关。合金的动态再结晶是一个形核和核心长大的过程。由于形核速率一般比合金长大速率小,因此形核过程是动态再结晶的主要控制过程,也即,动态再结晶是一个速率控制的过程。对Mg-2.0Mn-x Zn合金进行挤压时,由于挤压速度较快,在挤压变形结束时材料内部部分变形晶粒的再结晶形核并没有来得及完成,导致合金中存在部分未再结晶区域。同时,合金元素固溶到α-Mg基体中后,会引起了合金层错能的降低,因此高合金元素含量的固溶体在变形过程中更容易出现层错,层错对于其附件的位错运动有抑制作用,位错塞积为该位置的动态再结晶提供变形储能。Mg-2.0Mn-x Zn合金中添加的合金化元素含量都较少,且Mn元素还不能够完全固溶到基体中,因此挤压态合金中,合金元素稍高的地方更容易出现再结晶形成细小再结晶晶粒,而合金含量低的位置则易产生未再结晶变形条带,形成混晶组织。随着Zn含量的增加,固溶到Mg基体中的合金元素含量越高,合金的动态再结晶程度也越来越高,图4(i,j)所示的Mg-2.0Mn-2Zn合金未再结晶区域最少。从金相照片中也可以看到,挤压态合金的第二相α-Mn质点周围并无明显的再结晶倾向,α-Mn质点对于基体的颗粒诱导再结晶作用并不明显。
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图2 Mg-2.0Mn-x Zn合金的铸态金相显微照片和扫描电镜照片Fig.2 OM(a,c,e,g,i)and SEM images(b,d,f,h,j)of microstructure of as-cast Mg-2.0Mn-x Zn alloy
(a,b)Mg-2.0Mn;(c,d)Mg-2.0Mn-0.5Zn;(e,f)Mg-2.0Mn-1.0Zn;(g,h)Mg-2.0Mn-1.5Zn;(i,j)Mg-2.0Mn-2.0Zn
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图3 铸态Mg-2.0Mn-x Zn合金晶粒尺寸Fig.3 Grain size of as-cast Mg-2.0Mn-x Zn alloy
图5为给出了挤压态Mg-2.0Mn-x Zn镁合金的{0001}极图。由图5可知,热挤压变形Mg-2.0Mnx Zn镁合金棒材表现为较强烈的{0001}基面织构({0001}基面平行于挤压方向)。对比不同Zn添加量的Mg-2.0Mn-x Zn镁合金的织构特征,合金织构随Zn含量变化明显。没有添加Zn元素的Mg-2.0Mn 1号合金的织构强度高达36.2,添加1.0Zn含量的3号合金织构较弱,强度为14.7,添加2.0%Zn元素的5号合金的织构强度只有7.5,可见{0001}基面织构弱化随Zn元素的添加呈弱化趋势。同时{0001}基面织构在TD方向发生漫散,随Zn元素含量的增加,织构漫散程度增加。
![](/web/fileInfo/upload/magazine/13683/346228/1606op01693_7_02200.jpg)
图4 挤压态Mg-2.0Mn-x Zn合金沿挤压方向和横向金相组织Fig.4 OM images of microstructure of as-extruded Mg-2.0Mn-x Zn alloy along extrusion(a,c,e,g,i)and transverse(b,d,f,h,j)directions
(a,b)Mg-2.0Mn;(c,d)Mg-2.0Mn-0.5Zn;(e,f)Mg-2.0Mn-1.0Zn;(g,h)Mg-2.0Mn-1.5Zn;(i,j)Mg-2.0Mn-2.0Zn
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图5 挤压态Mg-2.0Mn-x Zn镁合金的{0001}极图Fig.5 Pole figures of as-extruded Mg-2.0Mn-x Zn magnesium alloy
(a)Mg-2.0Mn;(b)Mg-2.0Mn-1.0Zn;(c)Mg-2.0Mn-2.0Zn
2.3 Zn含量对室温拉伸性能的影响
图6是挤压态Mg-2.0Mn-x Zn合金室温拉伸实验的应力应变曲线及力性柱状图。与一般的镁合金一样,5种合金的拉伸曲线都没有明显的屈服平台。1号合金经挤压变形后其抗拉强度为253 MPa,屈服强度为180 MPa,延伸率为5.3%。通过对合金中添加少量的Zn元素后,挤压态合金的性能发生了显著的改善。2号合金只比1号合金多添加了0.5%的Zn元素,但是挤压态2号合金较1号合金的抗拉强度提高了17%,屈服强度提高了27%,延伸率也有提高50%。可见,挤压态Mg-2.0Mn合金室温力学性能对于少量Zn元素的添加极为敏感。继续添加Zn元素,对于挤压态Mg-2.0Mn-x Zn合金的抗拉强度和屈服强度还有一定的改善效果,合金的延伸率提高明显,增加57%。但是超过1%的添加量以后,Zn元素对挤压态Mg-2.0Mn-x Zn合金强度和延伸率的改善效果都较小。
挤压态合金的断口进行分析,其形貌的SEM照片及金相照片如图7所示。从断口SEM照片可以看出,5种合金的断口主要为穿晶断裂,断口由解理台阶、撕裂棱、韧窝所组成,表现出韧性和脆性的混合型断裂特征。通过图7(a)与图7(c,e,g,i)的比较,发现随着Zn元素的添加,Mg-2.0Mn-x Zn合金断口的解理台阶和撕裂棱数量减少,合金断口的韧窝数量增加。从断口金相照片可以看到断口裂纹主要萌生于孪晶界与第二相颗粒附近。
挤压态合金的晶粒尺寸不均匀,各合金中均存在未再结晶的粗大晶粒,由于镁合金的密排六方结构,其在室温下滑移系少,材料在拉伸过程中,大尺寸晶粒需要借助孪生来调整晶体的取向并释放应力集中,以便激发进一步的滑移,使滑移和孪生交替进行,因此在拉伸断口附近粗大晶粒中可以观察到孪晶。变形过程中位错集塞积于孪晶界附件,易使裂纹沿孪晶界面优先萌生与扩展。同时材料经过挤压变形后,其内部呈硬脆的α-Mn相经过破碎,尺寸都较小,且形状趋于规则,塑性变形过程中α-Mn相周围应力集中程度较小,小尺寸的α-Mn相不易破碎,位错在其周围塞积形成微孔,微孔不断扩大、串联,进而形成断裂裂纹。
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图6 挤压态Mg-2.0Mn-x Zn合金室温拉伸应力应变曲线及力学性能Fig.6 Room temperature tensile properties of as-extruded Mg-2.0Mn-xZ n alloy(TS:tensile strength;YS:yield strength;EL:elongation)
(a)Stress-strain curves;(b)Mechanical properties
![](/web/fileInfo/upload/magazine/13683/346228/1606op01693_7_03900.jpg)
图7 挤压态Mg-2.0Mn-x Zn合金断口Fig.7 SEM images(a,c,e,g,i)and OM images(b,d,f,h,j)of fracture morphology of as-extruded Mg-2.0Mn-x Zn alloy
(a,b)Mg-2.0Mn;(c,d)Mg-2.0Mn-0.5Zn;(e,f)Mg-2.0Mn-1.0Zn;(g,h)Mg-2.0Mn-1.5Zn;(i,j)Mg-2.0Mn-2.0Zn
3结论
1.在2.0%以内添加合金元素Zn对于MgMn-Zn合金的物相组成影响很小。铸态Mg-Mn-Zn合金主要是由α-Mg基体和α-Mn两种相组成。Zn元素加入合金中后由于其含量低且在镁中固溶度大,在制备的铸态合金中,Zn元素在Mg-Mn-Zn合金中主要以固溶体的形式存在于α-Mg基体中。
2.Mg-2.0Mn-x Zn合金的挤压态组织中挤压流线较少,动态再结晶晶粒尺寸细小,但是都存在着一定量的未再结晶原始组织,表现为混晶组织。随着Zn元素的添加,合金中未再结晶区域呈减小的趋势,在Zn添加2.0%的Mg-2.0Mn-2.0Zn合金中动态再结晶比例最高。
3.挤压态合金中存在着{0001}基面织构,基面织构随Zn元素的添加呈弱化趋势。同时{0001}基面织构在TD方向发生漫散,随Zn元素含量的增加,织构漫散程度增加。
4.少量Zn元素的添加对挤压态Mg-2.0Mnx Zn合金的力学性能具有显著的影响。添加0.5%的Zn,可以极大的提高Mg-2.0Mn合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率。Zn元素添加1%以后,仍然可以提高挤压态合金的各项性能,但是其影响减弱。
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