李慧中, 劉洪挺, 陳健美, 王海軍, 梁霄鵬

(1.湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院機械工程學(xué)院,長沙 410205;2.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室,長沙 410083）

Zn含量對Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金組織和力學(xué)性能的影響

李慧中1,2, 劉洪挺2, 陳健美1, 王海軍2, 梁霄鵬1,2

(1.湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院機械工程學(xué)院,長沙 410205;2.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室,長沙 410083）

采用顯微硬度和力學(xué)性能測試及金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射等分析手段,研究了Zn含量對Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓以及時效處理后合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加 Zn元素,有利于細化合金晶粒,提高擠壓態(tài)的強度。未添加Zn的合金T5態(tài)晶粒尺寸約為25μ m,添加1%(質(zhì)量分數(shù),下同）Zn后,晶粒尺寸約為15μ m,Zn含量為3%時,晶粒尺寸約為10μ m。當Zn含量為1%時,合金擠壓態(tài)和時效態(tài)的抗拉強度分別為337MPa,397MPa,屈服強度分別為128MPa,148MPa,伸長率分別為10.0%,5.0%,具有較好的綜合性能。

Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金;Zn元素;擠壓-時效;顯微組織;力學(xué)性能

鎂及鎂合金是目前密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有高的比強度和比剛度,很好的抗磁性,高的電負性和導(dǎo)熱性,良好的消震性和切削加工性能。但鎂合金的強度不高,特別是高溫性能較差,大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域[1,2]。由于 Gd,Y元素在鎂合金中具有較大的固溶度(分別為23.5%(質(zhì)量分數(shù),下同）和12.6%）,在稀土鎂合金的研發(fā)中,Mg-Gd-Y系合金作為最有希望獲得熱處理強化的鎂合金已日益引起各國研究界的關(guān)注,成為鎂合金研究的熱點[3,4]。YAO,Mordike和He研究表明,經(jīng)過熱變形和時效處理后,Mg-Gd-Y-Zr系合金的室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能以及抗高溫蠕變性能,都高于 WE54,WE43和QE22鎂合金[5～8]。已有研究報道:向鎂合金中添加Zn元素可以提高合金的耐蝕性和力學(xué)性能[9]。Mg-Gd-Y-Zr系合金為時效強化型合金,時效析出相的形態(tài)對合金的力學(xué)性能有較大影響,Yang等人研究了Mg-9Gd-3Y-0.6Zn-0.5Zr合金時效過程相的變化及其對合金力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)過飽和固溶體的分解過程為:α′-Mg(S.S.S.S）→β′′→β′→β1→β,其中納米級的亞穩(wěn)定相β′′和 β′對室溫抗拉強度有很大的貢獻[10]。但是不同的 Zn含量對 Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金組織與性能的影響的研究還未見詳細報道。本工作通過在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加不同含量的Zn元素來探討Zn對Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓及時效后的組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實驗材料及方法

實驗合金的化學(xué)成分如表1所示,合金采用高純 Mg、純 Zn、Mg-31.72%Y 合金、Mg-30.47%Gd合金、Mg-31.16%Zr合金,使用不銹鋼坩堝在井式電阻爐中熔煉。在熔煉和澆注時采用SF6+CO2混合氣體進行保護,熔煉溫度為 780～800℃,合金溶液在750℃靜置10 min,后澆于鋼制模具中。鑄錠經(jīng)430℃/2h+510℃/16h均勻化處理后,在300T油壓機上進行擠壓,擠壓溫度為450℃,擠壓比為12,擠壓速率為1m/min。擠壓后棒材在200℃下進行0～108h等溫時效處理。金相試樣用5g苦味酸 +100mL酒精 +5mL乙酸 +10mL蒸餾水溶液腐蝕后在XJP-6A型金相顯微鏡上觀察;合金室溫拉伸力學(xué)性能在CSS-44100電子萬能試驗機測定,按GB6397—1986標準統(tǒng)一制成 φ 5mm的短比例試樣,拉伸速率為2mm/min;用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計測量實驗合金硬度,試驗力為4.9N,加載15s;采用Sirion200場發(fā)射掃描電鏡進行相觀察;用離子減薄制備透射樣品,在TecnaiG220透射電鏡上進行觀察;物相分析在 D/MAX2500型X射線衍射儀上進行。

表1 試驗合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 chemical composition of test alloys(mass fraction/%）

2 實驗結(jié)果

2.1 合金時效特性

由于Mg-RE合金為可顯著時效強化的合金,用擠壓方式生產(chǎn)的鎂合金熱處理既可采用T5(人工時效）處理,也可以采用T6(固溶淬火 +人工時效）處理[6,11],而含 Zr的 Mg-RE合金擠壓后,若進行固溶處理,由于固溶處理溫度較高,其再結(jié)晶晶粒將會迅速長大,降低合金力學(xué)性能。在T5熱處理時,擠壓變形過程中產(chǎn)生的位錯,亞結(jié)構(gòu)有利于析出相彌散析出,往往用T5處理就可以滿足合金強度和塑性的要求[12]。本實驗合金經(jīng)450℃擠壓后直接進行T5熱處理。

圖1為三種合金擠壓變形后在200℃的時效硬化曲線。由圖可見,在時效初期,隨著時間的推移,各合金硬度呈上升趨勢,其中合金1和2,硬度值迅速上升,合金3則緩慢上升;在時效24h時,合金1硬度達到峰值,合金2在32h時達到硬度峰值,合金3到72h才出現(xiàn)硬度峰值,三種合金的峰值硬度分別為123HV,131HV和104HV;合金硬度達峰值后,隨著時間的延長其硬度值開始呈下降趨勢,進入過時效階段。所以,各合金時效過程均經(jīng)歷了欠時效、峰值時效和過時效過程,并且隨著Zn含量的增加,合金達到峰值的時間延長,當Zn含量為1%時,合金的峰值硬度最高,較未添加Zn的合金增加8HV;當Zn含量為3%時,合金的峰值硬度較未添加 Zn的合金低19HV。

圖1 擠壓態(tài)合金200℃時效硬度曲線Fig.1 Aging curves of the extruded samples at 200℃

2.2 合金力學(xué)性能

表2為合金擠壓態(tài)和T5峰值時效態(tài)的室溫拉伸力學(xué)性能?？梢?添加1%Zn的合金擠壓態(tài)的抗拉強度和屈服強度較未添加Zn的合金分別提高29MPa和11MPa;添加3%Zn的合金的抗拉強度和屈服強度較未添加Zn的合金分別提高12MPa和4MPa。各合金擠壓態(tài)的伸長率均大于10%,表現(xiàn)出良好的塑性。經(jīng)T5處理后合金的抗拉強度和屈服強度較擠壓態(tài)均有較大程度的提高,但伸長率均降低較明顯。其中合金1的抗拉強度,屈服強度和伸長率分別達370MPa,131MPa和6.4%,抗拉強度和屈服強度較擠壓態(tài)提高62MPa和14MPa,伸長率降低5.0%。添加1%Zn的合金T5態(tài)的抗拉強度和屈服強度較未添加Zn的合金分別提高27MPa和17MPa;添加3%Zn的合金的抗拉強度和屈服強度較未添加Zn的合金分別提高5MPa和7MPa。可見,Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加1%時,其擠壓態(tài)和T5態(tài)具有較好的力學(xué)性能。

表2 實驗合金室溫拉伸性能Table 2 Tensile properties of the alloys tested at room temperature

2.3 金相分析

各合金峰值時效時的金相顯微組織如圖2所示。由圖可以看出,各合金晶粒都呈等軸狀,并且隨著Zn含量的增加晶粒逐漸細化。未添加Zn的合金平均晶粒大小約為25 μ m(圖2a）,添加1%Zn的合金平均晶粒大小約為15 μ m(圖2b）,添加3%Zn的合金平均晶粒約為 10 μ m(圖 2c）。

2.4 XRD分析

對各合金峰值時效試樣進行XRD分析,結(jié)果如圖3所示。峰值時效時,各合金中除了 α-Mg基體外,均含有富稀土的 Mg24Y5和 Mg5(Gd,Y）相,在添加Zn的合金中還出現(xiàn)少量Mg4Zn7相的衍射峰,所以在添加Zn的Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr的合金中主要生成Mg24Y5相、Mg5(Gd,Y）相和Mg4Zn7相,Zn主要以Mg4Zn7相的形式在合金中存在。

圖2 擠壓后合金峰值時效時縱截面金相顯微組織 (a）合金1;(b）合金2;(c）合金3Fig.2 OM images of the peak-aged sample(longitudinal direction）(a）alloy 1;(b）alloy 2;(c）alloy 3

圖3 合金峰值時效時XRD圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of peak-ageing specimens

2.5 掃描電鏡分析

不同Zn含量的合金峰值時效態(tài)掃描電鏡分析如圖4所示。由圖可見,各合金中的第二相沿加工方向呈流線形分布,并且隨著Zn含量的增加,該第二相的數(shù)量逐漸增加,結(jié)合X射線分析可知,這些第二相為 Mg24Y5相、Mg5(Gd,Y）相和 Mg4Zn7相。同時各合金中隨機分布有細小的方塊狀粒子(如圖4a所示）。根據(jù)文獻[13]可知,這些方塊相為含有Mg,Gd和Y元素的相。

2.6 透射電鏡分析

圖5為各合金峰值時效態(tài)的TEM明場像及其對應(yīng)的衍射斑點。由圖可見,合金峰值時效時,組織中均析出了大量彌散分布的凸透鏡狀的 β′相。添加1%Zn的合金中的 β′相較未添加Zn的合金更加細小彌散,并且體積分數(shù)增大(如圖5a,b）。而添加3%Zn的合金中,時效析出的 β′相數(shù)量減少且體積增大(圖5c）。在添加Zn的合金2和合金3中存在一種呈層疊狀分布的粗大物質(zhì)(如圖5g和 h）,根據(jù)相關(guān)文獻可知,這種物質(zhì)為長周期堆垛結(jié)構(gòu)(LPS）[14],由圖5g可見,添加1%Zn的合金中的LPS 結(jié)構(gòu) ,長約為 0.8 μ m,寬約為 0.4 μ m;而在添加了3%Zn的合金中的LPS結(jié)構(gòu)(圖5h）,長約為 4.5 μ m,寬約為 3 μ m?？梢?,Zn 含量過高時,合金中形成的LPS結(jié)構(gòu)尺寸增大。

3 討論

在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加適量的Zn元素,能顯著細化合金變形后的再結(jié)晶晶粒(如圖2所示）。一方面由于Zn與Mg及稀土元素(Gd,Y）形成穩(wěn)定的金屬間化合物Mg4Zn7,該化合物為合金再結(jié)晶晶粒的形成提供了有利的位置,可形成的再結(jié)晶晶粒數(shù)量增多,有利于晶粒細化;另一方面添加Zn元素以后合金中形成的LPS結(jié)構(gòu)[14],可抑制再結(jié)晶晶粒的長大,由于晶粒細化的作用使得合金強度提高。然而,當Zn元素含量過高時(3%）,合金中形成的粗大的含Zn化合物數(shù)量增多(如圖4c所示）,擠壓變形后,這些化合物沿加工方向分布,材料繼續(xù)變形時易成為裂紋萌生之處,同時粗大的含Zn化合物消耗了強化相Zn的含量,使得合金的強度降低。

由于Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金為時效強化型合金,合金時效過程中析出的納米級的 β′′及 β′相能提高室溫抗拉強度[11]。其中 α-Mg基體中析出的細小彌散的 β′相對合金強度的提高起主要作用[16],該相能有效地阻礙位錯的滑移。根據(jù)奧羅萬(E Orwan）機制,位錯繞過析出相時所需增加的切應(yīng)力(即強化值）與該相的體積分數(shù)及相的大小有關(guān)。體積分數(shù)愈大,強化值愈大;當體積分數(shù)一定時,強化值與析出相的大小成反比,相愈細小則強化值愈大。峰值時效時,合金1中析出的細小 β′相使得其抗拉強度較擠壓態(tài)提高了62MPa。添加了1%Zn的合金2中,由于峰值時效時析出了更為細小彌散的β′相(如圖5b所示）,有效阻礙了位錯的滑移從而得到較高的力學(xué)性能,其抗拉強度及屈服強度較合金1分別提高了27MPa和17MPa。

細小的LPS結(jié)構(gòu)也是含Zn元素的Mg-Gd-Y-Zr合金中強化相[15]。合金2中,細小的LPS結(jié)構(gòu)(圖5g）有利于合金強度的提高,但隨Zn含量的增加,LPS結(jié)構(gòu)粗化 (圖5h）,該結(jié)構(gòu)搶奪Mg基體中的稀土元素(Gd,Y）,導(dǎo)致Gd,Y在Mg基體中固溶量減少,從而引起 β′相析出量減少并粗化(圖5c）,使得合金強度下降;同時,大量粗大的LPS結(jié)構(gòu)的形成降低了Mg基體中溶質(zhì)原子(Gd,Y）的濃度,進而降低了 β′相析出的梯度能,使其析出驅(qū)動力降低,從而延緩了含Zn合金達到峰值時效的時間。

4 結(jié)論

(1）Zn元素能細化Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓后的晶粒,隨著Zn含量的增加晶粒逐漸細化。未添加Zn元素的合金T5態(tài)的晶粒大小約為25 μ m,添加1%Zn 的約為 15 μ m,添加 3%Zn 的約為10 μ m 。

(2）Zn元素有利于提高Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓態(tài)力學(xué)性能。添加1%Zn的合金擠壓態(tài)抗拉強度和屈服強度較未加Zn的合金分別提高29MPa和11MPa。

(3）Zn元素推遲了Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金T5處理時達到峰值時效的時間。合金1硬度在時效24h時達到峰值,合金2在32h時達到硬度峰值,合金3到72h才出現(xiàn)硬度峰值,三種合金的峰值硬度分別為123HV,131HV和104HV。添加1%Zn能顯著提高合金T5態(tài)的力學(xué)性能,其抗拉強度和屈服強度分別為397MPa和148MPa。當 Zn含量過高時,合金強度明顯降低。

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Effects of Zn Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr Alloy

LI Hui-zhong1,2, LIU Hong-ting2, CHEN Jian-mei1, WANG Hai-jun2, LIANG Xiao-peng1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Hunan International Economics University,Changsha 410205,China;2.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering,Ministry of Education,Central South University,Changsha 410083,China.）

Effects of Zn addition on the microstructure and mechanical properties of Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr(mass fraction/%,the same below）alloy during extrusion and following isothermal aging at 200℃were investigated using digital micro-hardness testing,mechanical testing,optical microscopy(OM）,scanning electron microscopy(SEM）,transimission electron microscopy(TEM）,X-ray diffraction(XRD）.The results showed that Zn obviously refined grains of the alloy,and improved mechanical properties of the as-extruded alloys.In T5 condition the average grains of the alloy without Zn addition were about 25 μ m;the average grains of the alloys with 1%Zn addition and 3%Zn addition were about 15 μ m and 10 μ m,respectively.For the alloy with1%Zn addition in the-extruded and aged states,the values of tensile strength reached 337 MPa and 397 MPa,yield strength reached 128 MPa and 148 MPa,and the ductility rate reached 10.0%and 5.0%respectively,the better comprehensive properties were exhibited.

Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr alloy;element Zn;extruded-aging;microstructure;mechanical properties

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.5.002

TG146.1TG146.2

A

1005-5053(2011）05-0006-06

2010-02-01;

2011-06-21

中國博士后基金資助項目(20070420828）;中南大學(xué)博士后基金資助項目(2007-8）

李慧中(1968—）,男,博士,副教授,(E-mail）lhz606@mail.csu.edu.cn。