董麗君，王 瓊，唐博文，吳安如

（湖南工程學院 機械工程學院，湘潭411101）

鎂合金是目前工業(yè)上可應用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、比剛度高、尺寸穩(wěn)定的特點，也有電磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流動性等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車、航空工業(yè)中[1－2].但是一般鎂合金的高溫強度低、耐熱性差，能在200℃以上得到應用的鎂合金主要是稀土鎂合金，鎂中加入稀土元素后能顯著提高合金的強度和耐熱溫度.在所有的稀土元素中，Gd、Y被認為是提高鎂合金高溫性能很有效的元素[3－7].熱處理是改善或調(diào)整鎂合金力學性能和加工性能的重要手段.本文以 Mg－Gd－Y－Zr合金為研究對象，研究了不同熱處理條件對合金組織和力學性能的影響，以期為進一步研究該合金的組織性能與工藝的相互關系提供實驗參考.

1 試驗過程

試驗合金在坩堝電阻爐中用石墨坩堝熔煉.Mg以純鎂（99.9%）形式加入，合金元素Gd、Y、Zr分別以Mg－28%Gd、Mg－33%Y、Mg－30%Zr中間合金的形式加入.采用自制稀土鎂合金專用熔劑覆蓋和氬氣保護，熔煉溫度為750～780℃.熔煉過程為：將坩堝預熱至暗紅色，加入適量溶劑，裝入鎂錠升溫熔化，待鎂錠全部熔化后升溫至730～750℃依次加入Mg－28%Gd、Mg－33%Y中間合金，攪拌后除渣，升溫至750～780℃ 時加入Mg－Zr中間合金，攪拌均勻、除渣后靜止10min，降溫至760℃澆鑄成20 mm鑄錠，鑄型采用空冷鋼模.采用PW2403型X射線熒光光譜分析儀進行合金成分分析，合金成分為 Mg－7.92Gd－2.89Y－0.41Zr（wt%）.

為消除鑄錠成分的不均勻性，試驗合金進行480℃／8h均勻化退火.擠壓是提高鎂合金塑性的有效手段之一，均勻化退火后試驗合金在型號為YX32－315四柱液壓機上進行一次擠壓，擠壓比為25，擠壓速度為1m／min，擠壓溫度為400℃.將擠壓后的棒材分別進行T6（480℃固溶2h后在200℃時效）和T5（直接在200℃時效）熱處理，通過硬度測量選擇硬度值較好的時效狀態(tài)，然后比較這種狀態(tài)在175℃、200℃和225℃3種溫度下的力學性能，分析溫度對時效性能的影響.金相試樣的浸蝕劑為：5mL濃硝酸＋95mL乙醇＋5g苦味酸.采用GX60－DS金相分析系統(tǒng)和XD98型粉末X射線衍射儀分別進行顯微組織觀察和物相分析.采用HVS－1000型顯微硬度計測定均勻化后試樣晶粒內(nèi)部的顯微硬度值，載荷為25N，保壓時間為20s.拉伸力學性能在CMT5305型電子萬能材料試驗機上進行，拉伸速度為0.5mm／min，拉伸試樣按照GB6397－86制備.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱處理對合金顯微組織的影響

圖l為合金鑄態(tài)顯微組織.由圖可知，試驗合金鑄態(tài)組織是由分布在晶界的化合物和α－Mg基體相組成，晶界上分布著不連續(xù)的＂樹枝狀＂金屬間化合物，枝晶偏析明顯.鑄態(tài)合金的平均晶粒尺寸為30～40μm，這與Zr在鎂合金中是一種非常有效的晶粒細化劑有關[8].

圖2 為鑄態(tài)試樣均勻化處理后的顯微組織.由圖2可知，合金經(jīng)480℃／8h均勻化退火后，晶界清晰，鑄態(tài)組織中的偏析基本消除，但晶粒尺寸略有長大，合金平均晶粒尺寸約為40～55μm.圖中枝晶的完全消除說明合金的均勻化處理工藝制定合理.

圖3 為合金擠壓＋T5（200℃×10h）峰時效的顯微組織.由圖可知，經(jīng)時效后，從α（Mg）基體中彌散析出第二相，從而達到時效強化的作用[9].

2.2 擠壓態(tài)合金時效強化

圖4 為擠壓態(tài)合金兩種不同的熱處理工藝的時效硬化曲線.由圖可知，T5處理和T6處理均能使合金的硬度升高，但T5處理后的合金硬度高于T6處理的硬度，而且在T5處理過程中，合金達到峰值時效所需時間更短（10h），峰值硬度值達到93HV，即時效硬化反應更快.

由于熱加工溫度較高，熱擠壓過程相當于固溶和變形同時在進行，而且棒的直徑不大，擠壓完畢相當于冷淬，所以擠壓態(tài)的合金是過飽和固溶體.對擠壓態(tài)合金進行固溶處理，固溶處理的溶解作用不大；固溶處理不但會消除熱加工過程中產(chǎn)生的位錯，而且會使合金的晶粒長大（熱加工過程中已經(jīng)完成了再結(jié)晶），這會降低合金的強度，導致擠壓態(tài)合金T6處理的硬度比T5處理的硬度低，達到峰值的時間也較長，但熱穩(wěn)定性比Ext－T5態(tài)的要好.

圖5 為Ext－T5態(tài)合金在不同溫度的時效硬化曲線.實驗結(jié)果表明，隨時效溫度增加，峰值硬度有所降低.在175℃時效的峰值硬度值最高（94 HV），達到峰值時間最長（16h），在225℃時效的峰值硬度值最低（88HV），達到峰值時間最短（6h），200℃ 的時效峰值硬度和達到峰值的時間介于175和225℃之間.這是由于時效溫度越高，析出強化相脫溶的驅(qū)動能越大，析出所需的時間就越短，即在較短時間內(nèi)完成了α－Mg密排六方結(jié)構(gòu)到β′非密排六方結(jié)構(gòu)相的部分轉(zhuǎn)變[10]，但析出相的數(shù)量相應要少，時效強化的效果要降低.出現(xiàn)時效峰值后，隨時效時間的延長，時效硬度下降，合金在225℃時效表現(xiàn)更為明顯.

2.3 熱處理對合金拉伸力學性能的影響

表1 是合金在不同處理狀態(tài)下的室溫拉伸力學性能.表1數(shù)據(jù)表明，鑄態(tài)合金經(jīng)過均勻化處理后，由于晶界處偏析相的消除，均勻化處理在一定程度上能提高合金的拉伸力學性能，合金的伸長率由3.1%提高到4.1%，塑性提高了30%，塑性的提高有利于改善合金熱加工成形性能；但由于均勻化處理導致晶粒長大，其抗拉強度和屈服強度增加不明顯.

表1 合金在不同處理狀態(tài)下的拉伸力學性能

表1 數(shù)據(jù)表明，擠壓有效地改善了合金的強度和塑性，因熱擠壓后發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸變小，合金的屈服強度升高，同時，晶粒細小有利于多晶體的協(xié)調(diào)變形，合金的伸長率也進一步提高.相比鑄態(tài)，σb提高48% ，σs提高36%，δ達到6.3%

擠壓態(tài)合金經(jīng)時效后，由于析出相對位錯的釘扎和阻礙作用，合金的強度明顯提高，但伸長率有所下降.相比擠壓態(tài)，σb提高28%，σs提高36%.

3 結(jié) 論

（1）試驗合金鑄態(tài)顯微組織主要由α－Mg基體和“樹枝狀”的富稀土相構(gòu)成.

（2）試驗合金經(jīng)480℃／8h均勻化處理，鑄態(tài)組織中的偏析基本消除，合金的塑性提高了30%，利于改善合金熱加工成形性能.

（3）擠壓使合金的強度和塑性均得到明顯提高，相比鑄態(tài)，σb提高48%，σs提高36%，δ達到6.3%.對擠壓態(tài)合金進行200℃×12h的時效，合金的強度得到進一步提高，σb、σs分別達到385.6MPa、310.8MPa，但塑性有所降低，δ降低至4.8%.

（4）T5處理和T6處理均能使合金的硬度升高，但T5處理后的合金的硬度高于T6處理的硬度.試驗合金在175℃、200℃和225℃ 直接時效時，在175℃時效的峰值硬度值最高（94HV），達到峰值時間最長（16h），在225℃時效的峰值硬度值最低（88HV），達到峰值時間最短（6h），200℃ 的時效峰值硬度和達到峰值的時間介于175℃和225℃之間.

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