孫世能，王利卿，任玉平，楊波，秦高梧

(東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110819)

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熱處理工藝對低溫?cái)D壓Zn－15Al鋅合金組織及性能的影響

孫世能，王利卿，任玉平，楊波，秦高梧

(東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110819)

摘要:采用拉伸試驗(yàn)和掃描電鏡分析技術(shù)手段，研究了不同冷卻速度對200℃擠壓Zn－15Al鋅合金的微觀組織和室溫力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明:經(jīng)320℃處理1 h后，變形態(tài)細(xì)小的α( Al)相發(fā)生了粗化.經(jīng)水淬后α( Al)相發(fā)生了連續(xù)析出，形成了α( Al) +η( Zn)細(xì)小的粒狀組織，使其強(qiáng)度稍有提高，塑性明顯降低.而經(jīng)空冷后α( Al)相發(fā)生了共析分解，形成了細(xì)片層狀組織，導(dǎo)致其強(qiáng)度提高約1倍，塑性下降約80%.這意味著能夠通過熱處理工藝來調(diào)整變形態(tài)Zn－15Al鋅合金的力學(xué)性能，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求.

關(guān)鍵詞:Zn－15Al鋅合金;熱處理;微觀組織;力學(xué)性能

鋅鋁合金由于具有良好耐腐蝕性能和超塑性而得到廣泛研究［1～4］.由于在鋅鋁合金中具有連續(xù)析出、不連續(xù)析出、不連續(xù)粗化等組織特征，從而使其力學(xué)性能在一定范圍內(nèi)可以調(diào)控［5～7］.Zn －22Al鋅合金作為典型的超塑性合金，唐巍，王經(jīng)濤等人［8］研究了擠壓溫度對其組織性能的影響，結(jié)果表明在200℃擠壓時(shí)具有粒狀組織，其抗拉強(qiáng)度為125 MPa，延伸率為200%，而在350℃擠壓時(shí)獲得層片狀組織，其抗拉強(qiáng)度為300 MPa，延伸率為25%.另一方面，Zn－15Al鋅合金作為熱噴涂防護(hù)材料，張陽明等人［9］研究了280℃擠壓Zn－15Al鋅合金經(jīng)300℃固溶10 h后爐冷到室溫，獲得了片層狀組織，其抗拉強(qiáng)度為260 MPa，延伸率為25%.而本文作者［10］對低溫?cái)D壓Zn－15Al鋅合金組織性能進(jìn)行了研究，獲得細(xì)小的粒狀組織，其抗拉強(qiáng)度為110 MPa，延伸率為170%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)前熱噴涂絲材的力學(xué)性能.為了進(jìn)一步改善其組織性能，以滿足不同領(lǐng)域的要求，本文研究了200℃擠壓Zn－15Al鋅合金后不同冷卻方式對其強(qiáng)度和塑性的影響，為更好地理解Zn－15Al鋅合金組織和性能的關(guān)系提供參考.

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)合金原料為純鋅( 99.99 %)和純鋁( 99.99 %).采用石墨坩堝，在720℃完全熔化純Al后加入純Zn，待全部熔化后降至500℃保溫10 min，然后澆注到直徑為60 mm的圓柱形水冷鐵模中.鑄錠經(jīng)350℃均勻化處理5 h后水淬.最終在200℃反向擠壓成12 mm棒材，擠壓比為16.試樣在320℃保溫1 h水淬或空冷至室溫.

不同狀態(tài)的Zn－15Al鋅合金微觀組織觀察樣品經(jīng)200～2000#水磨砂紙機(jī)械研磨和拋光，最終在JSM－6510型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行組織觀察.將不同狀態(tài)的Zn－15Al鋅合金按照GB/T 228.1－2010標(biāo)準(zhǔn)的要求加工成標(biāo)距為25 mm，標(biāo)距處直徑為5 mm的拉伸試樣，在AG－X型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變速率為10－3·s－1，并對其斷口形貌進(jìn)行觀察.

2　結(jié)果與討論

2.1力學(xué)性能

圖1表明不同狀態(tài)Zn－15Al鋅合金的工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線.200℃擠壓的Zn－15Al鋅合金抗拉強(qiáng)度相當(dāng)于冷變形純Zn的抗拉強(qiáng)度，但室溫延伸率達(dá)到160%以上，具有明顯的室溫超塑性.經(jīng)320℃保溫1 h水淬和空冷后Zn－15Al鋅合金的抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低，但其抗拉強(qiáng)度隨著冷卻速率的降低而顯著提高.相比于擠壓態(tài)，水淬后的抗拉強(qiáng)度稍有提高即從110 MPa提高到132 MPa，而塑性由170%降低至78%.空冷后其抗拉強(qiáng)度顯著提高，塑性明顯下降，抗拉強(qiáng)度增加至220 MPa，塑性降低到38%.

2.2微觀組織

圖2是Zn－15Al鋅合金擠壓前后的背散射電子形貌.擠壓前Zn－15Al鋅合金組織存在兩種形貌，粗大的初晶富鋁α相在凝固過程中通過共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的片層狀組織以及由粗大富鋅η相基體上分布α相組成的離異共晶體(圖2a).經(jīng)200℃擠壓后粗大的初晶富鋁α相尺寸從20 μm下降到1 μm，而富鋅η相也發(fā)生細(xì)化(圖2b).這種組織的形成可能是其獲得低強(qiáng)高塑的主要原因.

圖1　不同狀態(tài)的Zn－15Al鋅合金工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Engineering stress－strain curves of Zn－15Al alloy with different state

在320℃保溫1 h，經(jīng)不同冷卻方式獲得的Zn－15Al鋅合金，其微觀組織如圖3所示.經(jīng)320℃保溫1 h后，變形態(tài)細(xì)小的粒狀α相發(fā)生了聚集長大，從1 μm增加至10 μm，但其相尺寸小于擠壓前組織中的初晶α相，其粗大的富鋅η相發(fā)生了細(xì)化且其內(nèi)部的彌散分布α相消失.這是其強(qiáng)度相對擠壓態(tài)合金提高的一個(gè)因素.同時(shí)由于熱處理后得到的熱力學(xué)不穩(wěn)定的或亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，在水淬后中并沒有抑制α相分解，而發(fā)生了連續(xù)析出形成了以富Zn相為基體的彌散分布低Zn含量的粒狀α相.在空冷后α相發(fā)生共析分解形成片層的低Zn含量α相和富鋅η相組成的雙相組織.這種片層組織形貌的形成可能是Zn－15Al鋅合金產(chǎn)生高強(qiáng)低塑的主要原因.

圖3　熱處理后不同冷卻速率的Zn－15Al鋅合金微觀組織Fig.3 Scanning electron microstructure of heattreated with different cooling rate Zn－15Al alloys( a)—水淬; ( b)—空冷

圖4為Zn－15Al鋅合金的斷口形貌;斷口具有明顯的韌窩，表現(xiàn)出韌性斷裂特征.而擠壓后經(jīng)過320℃保溫1 h后合金韌窩較200℃擠壓態(tài)粗大得多并且隨著冷卻速度的降低，合金韌窩的直徑逐漸變大.因此，擠壓態(tài)合金塑性最好，320℃保溫1 h后經(jīng)較慢速度冷卻的合金塑性最差.這可能是在320℃保溫1 h的過程中造成大量的微裂紋迅速傳播所致.

3　結(jié)論

( 1)變形態(tài)Zn－15Al鋅合金經(jīng)320℃保溫1 h后，其α( Al)相尺寸由1 μm增加到10 μm.

( 2)長大的α( Al)相經(jīng)水淬后發(fā)生了連續(xù)析出，形成了細(xì)小的粒狀雙相組織，使得其強(qiáng)度從110 MPa提高到132 MPa，塑性從170%降低到78%.

( 3)α( Al)相經(jīng)空冷后發(fā)生了共析分解，形成了α( Al) +η( Zn)細(xì)片層狀組織，導(dǎo)致其強(qiáng)度從110 MPa提高到220 MPa，塑性從170%下降到38%.

圖4　不同狀態(tài)Zn－15Al鋅合金的拉伸斷口Fig.4 Fracture morphology of Zn－15Al alloy( a)—擠壓態(tài); ( b)—水淬; ( c)—空冷

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Effects of heat treatment on microstructure and mechanical property of extruded Zn－15Al Zn alloy at lower extrusion temperature

Sun Shineng，Wang Liqing，Ren Yuping，Yang Bo，Qin Gaowu
( Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials ( Ministry of Education)，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:The influences of cooling rates during heat treatment on the microstructure and mechanical properties of the extruded Zn－15Al Zn－alloy at 200℃have been investigated by tensile test and scanning electron microscopy.The results show that the fine α( Al) phase of extruded Zn－15Al Zn－alloy at 200℃occurred coarsening by heated treatment at 320℃for 1 h.The tensile strength of extruded Zn－15Al Zn－alloy increased slightly，while the elongation of extruded Zn－15Al Zn－alloy decreased significantly after water quenching，because the α( Al) phase is transformed into α( Al) +η( Zn) fine granular structure though continuous precipitation.After air cooling，the tensile strengthen were increased by about 1 times and the elongation decreased by about 80%，Owing to the α( Al) phase formed a fine lamellar structure decomposition by eutectoid transformation.It is implied that the different mechanical properties can be obtained in the extrusion Zn－15Al Zn alloy manufactured by heat treatment，and the mechanical properties can be satisfied the requirements of different applications.

Key words:Zn－15Al Zn alloy; heat treatment; microstructure; mechanical property

通訊作者:秦高梧( 1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E－mail: qingw@ smm.neu.edu.cn.

作者簡介:孫世能( 1987—)，男，博士研究生，E－mail: 83290252@163.com.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51171043，51371046)，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才( NECT－12－0109)，東北大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目( N130610002).東北大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育項(xiàng)目A類.

收稿日期:2015-11-23.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.011

中圖分類號:TG 146.13

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1671-6620( 2016) 01-0058-03