封鈺明　習(xí)衛(wèi)　劉翠秀

（北京工業(yè)大學(xué)，北京　100124）

摩擦攪拌處理鎂合金的結(jié)構(gòu)表征

封鈺明習(xí)衛(wèi)劉翠秀

（北京工業(yè)大學(xué)，北京100124）

本文利用電子顯微分析技術(shù)，對鎂合金Mg-Y1.5-Nd0.6-Zn1.3摩擦攪拌前后的微觀結(jié)構(gòu)進行表征。結(jié)果表明，經(jīng)摩擦攪拌處理的鎂合金基體晶粒和第二相晶粒尺寸均有明顯的降低；經(jīng)過摩擦攪拌過程，合金出析出更多的第二相顆粒，且該顆粒經(jīng)攪拌細化，更加彌散的分布在鎂基體中，可以較好的解釋摩擦攪拌處理后的鎂合金力學(xué)性能得到提高的原因。這一研究可以為促進提高鎂合金的力學(xué)性能，促進其進一步的應(yīng)用提供實驗基礎(chǔ)。

鎂合金摩擦攪拌顯微結(jié)構(gòu)

鎂及其合金因其密度低，具有比強度和比剛度高、機械加工性能好、減震性能好和抗輻射等一系列優(yōu)點，以及大部分鎂合金可再生利用，被譽為21世紀最具發(fā)展前途的綠色工程材料［1-3］。但目前，鎂合金并沒有得到廣泛的應(yīng)用，究其原因主要是以下幾點限制了其進一步應(yīng)用：如鎂合金易腐蝕氧化、耐高溫性低、絕對強度低、塑性變形能力差、抗蠕變性差等缺點。其中絕對強度低是制約其應(yīng)用的主要因素之一，據(jù)已有的文獻報道鎂合金的實際強度僅為其理論強度的11%［4］。為了提高鎂合金的強度，科學(xué)家進行了大量的工作，目前主要采用合金強化、熱處理強化、形變強化、細晶強化以及復(fù)合強化等方法來提高鎂及其合金的強度。細晶強化是我們的關(guān)注點之一。

縱觀國內(nèi)外對鎂及其合金的晶粒細化，一般通過高壓扭轉(zhuǎn)、球磨等手段，可以將鎂及其合金的晶粒細化至納米級［5-6］。但是高壓扭轉(zhuǎn)晶粒細化的并不均勻，納米晶粒只占全部加工區(qū)域的一部分，而球磨工藝則在納米化過程中將合金化、大塑性形變引入孿晶等復(fù)雜的物理化學(xué)變化忽略了，在我們探索材料本征性質(zhì)時會引入一些假象，不利于改善晶粒細化工藝的研究。摩擦攪拌強加工是一種新興起的表面加工技術(shù)，可以簡單有效的細化合金晶粒。Q.Yang等人通過摩擦攪拌強加工處理Mg-Gd-Y-Zr合金，使得合金不僅具有較高的超塑性，晶粒也得到了很好的細化［7］。有報道則認為攪拌摩擦強加工能把鎂合金晶粒細化到30-180nm［8］。W ei.Xi等人在室溫下對Mg-Y-Nd-Zn合金進行攪拌摩擦強加工處理，合金晶粒細化至4-200nm。眾所周知，晶粒細化可以提高材料的強度，對于合金而言，為數(shù)眾多的第二相顆粒在細化晶粒的過程中是難以忽視的因素，基體和第二相的晶粒細化方式是否相同，在提高強度的過程中他們所起的作用是否一樣，這些均為我們關(guān)注的問題。

本文以Mg-Y 1.5-Nd0.6-Zn1.3（at%）合金為研究對象，利用XRD衍射和電子顯微分析技術(shù)，觀察和分析該合金在摩擦攪拌強加工前后的微觀結(jié)構(gòu)變化，探討摩擦攪拌加工的形變和強化機理，為進一步提高鎂合金的力學(xué)性能，促進其應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和參考。

1　實驗方法

Mg-Y 1.5-Nd0.6-Zn1.3（at%）合金由實驗室通過高頻感應(yīng)爐加熱熔煉而成。把熔煉好的樣品通過真空封管，經(jīng)525℃熱處理10h后水淬，進行固溶處理。利用轉(zhuǎn)速4000r/m in的機床對固溶態(tài)合金完成攪拌摩擦強加工。采用掃描電鏡和透射電鏡對摩擦攪拌前后的樣品進行微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析。背散射電子顯微觀察在Quanta200型掃描電鏡完成。用200kv的JEOL-2010透射電子顯微鏡獲得樣品的明場像和選區(qū)電子衍射譜。高分辨電子像及其相應(yīng)的衍射譜是用JEOL-2010F電鏡得到的。透射電鏡樣品采用化學(xué)減薄和離子減薄相結(jié)合的方法制備，電解液為15%硝酸+15%丙三醇+70%甲醇，電壓20V，溫度-30℃左右。離子減薄的電壓為4.5kV，角度為7°～9°。

2　實驗結(jié)果分析與討論

2.1攪拌前固溶態(tài)合金微觀結(jié)構(gòu)分析

為了更好的分析摩擦攪拌對鎂合金結(jié)構(gòu)的影響，首先采用XRD衍射技術(shù)對固溶態(tài)合金樣品進行分析，結(jié)果見衍射圖譜1。圖1分析表明固溶態(tài)合金中除六方密排結(jié)構(gòu)的Mg基體外，還存在其他第二相，如MgNd1.5Zn1.5，MgY 1.5Zn1.5，MgNd2.2Zn0.8，MgNd3等第二相，且這些第二相的結(jié)構(gòu)均為面心立方相。透射電鏡觀察到的結(jié)果與XRD的結(jié)果分析相一致，見圖2，即其中含有的第二相為立方結(jié)構(gòu)相?；w與第二相的結(jié)構(gòu)不同，為我們后續(xù)結(jié)構(gòu)分析提供了便利。

2.2摩擦攪拌強加工后合金材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

之前的研究中發(fā)現(xiàn)，摩擦攪拌后合金的強度得到顯著提升［9］，材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能，摩擦攪拌后，強度得到大幅提升，結(jié)構(gòu)發(fā)生了怎樣的變化，是我們需要解決的問題，因此我們對摩擦攪拌后的樣品微觀結(jié)構(gòu)進行了如下電子顯微學(xué)分析。

圖3是攪拌摩擦強加工Mg-Y 1.5-Nd0.6-Zn1.3合金的背散射電子像。根據(jù)攪拌后顆粒大小的分布以及受攪拌加工影響的不同，可以簡單的分為3個區(qū)域，如圖3所示：分別為未加工區(qū)域，攪拌摩擦區(qū)域以及過渡區(qū)域。從圖3可以看出：未加工區(qū)域的的顆粒粗大，一般晶粒大小約為幾十微米甚至上百微米，且分布著網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的第二相，該相較粗大，尺寸在微米量級；攪拌摩擦區(qū)域中的基體顆粒變得細小，第二相的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，且第二相彌散分布在基體中，表明攪拌摩擦強加工使基體和第二相顆粒高度破碎且第二相彌散分布在基體中；兩者之間的區(qū)域定義為過渡區(qū)域，過渡區(qū)域的第二相和基體在破碎程度和分布彌散襯度上都比攪拌摩擦區(qū)域低。

圖4（a）和（b）是攪拌摩擦強加工Mg-Y 1.5-Nd0.6-Zn1.3合金中基體的微觀結(jié)構(gòu)的暗場像和相應(yīng)的衍射譜。從圖4分析得知，基體的晶粒尺寸約為25nm，且這些晶粒取向隨機分布。攪拌摩擦強加工使得MgYNdZn合金中基體的晶粒從幾十微米細化到了納米晶，起到細晶強化的作用，因此其強度有所提高。除了基體的晶粒細化外，第二相的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一定的變化，這可以從上面的掃描實驗結(jié)果得知，下面分析第二相在摩擦攪拌后的結(jié)構(gòu)變化。

2.3M gYNdZn合金攪拌后其中第二相的結(jié)構(gòu)變化

為了分析過渡區(qū)域與攪拌加工區(qū)域的結(jié)構(gòu)，分別對Mg-Y 1. 5-Nd0.6-Zn1.3合金攪拌摩擦強加工區(qū)域和過渡區(qū)域進行背散射電子相的觀察，見圖5所示。過渡區(qū)域存在一些邊界清晰，棱角分明的第二相顆粒，除此之外還可以觀察到灰色條狀襯度帶，該襯度的存在表明在（圖5a）強加工過程中鎂合金形成了過飽和基體。從前面的描述知道，摩擦攪拌強加工過程是一個加熱的過程，在高速受力與加熱的雙重作用下，含鋅的鎂合金相當于經(jīng)過一個時效過程，因此形成了過飽和基體，更多的第二相在攪拌過程中析出。觀察發(fā)現(xiàn)第二相顆粒大多具有一定的棱角，說明在摩擦攪拌過程中第二相的破碎以脆性斷裂為主。與過渡區(qū)域不同的是：在攪拌摩擦區(qū)域（圖5b）第二相顆粒的分布狀態(tài)有明顯改變，第二相彌散的分布在基體中。這對提高鎂合金的強度起到了彌散強化的作用。第二相的顆粒大小不均勻，除了類似過渡區(qū)域的大顆粒外，其中還含有一些非常細小的第二相顆粒，圖5b中白色箭頭所指。利用透射電子顯微鏡對第二相顆粒做進一步的觀察和研究。

相比摩擦攪拌過渡區(qū)域，在攪拌摩擦強加工區(qū)域存在一些細小的第二相顆粒，圖5b中白色箭頭所指。通過觀察發(fā)現(xiàn)基體中存在大量尺寸在幾十納米甚至更小的第二相顆粒，摩擦攪拌區(qū)域中的第二相顆粒甚至?xí)黄扑榈綆讉€納米。攪拌摩擦強加工過程中會發(fā)生摩擦生熱現(xiàn)象，導(dǎo)致加工區(qū)域的溫度到達400℃左右。在這一個熱加工過程中，納米鎂合金晶粒會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶而使尺寸有所增加。但是這些基體晶界上彌散分布的納米第二相粒子會阻礙基體晶粒尺寸的增加。第二相粒子影響晶界遷移的現(xiàn)象稱為齊納拖拽。它是齊納在1948年提出的［10］。攪拌摩擦強加工可以把第二相尺寸從幾十個微米破碎為納米級。而納米尺度的第二相粒子會極大削弱熱變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致穩(wěn)定的基體晶粒尺寸大大降低。

經(jīng)過上面的分析不難發(fā)現(xiàn)，無論是在過渡區(qū)還是在攪拌強加工區(qū)，第二相的顆粒均有一定程度的破碎，而且在基體中分散的更加均勻，實際上相當于在軟質(zhì)的基體材料中彌散分布一些硬質(zhì)顆粒，這樣可以有效的提高材料的硬度和強度；而且摩擦攪拌過程是一個加熱過程，在該過程中更多的第二相顆粒析出，具有沉淀析出強化效果；而且跟未加工的區(qū)域相比，基體和第二相顆粒的尺寸均有了明顯的減小，因此雖然第二相材料是脆性的，但是不會對材料的整體塑形變形能力造成不利的影響，具有細化晶粒強化的作用。強加工區(qū)域的第二相顆粒分散的更為均勻，尺寸也更小，因此摩擦攪拌強加工可以提高該合金材料的力學(xué)性能。

3　結(jié)語

本文利用電子顯微分析技術(shù)對摩擦攪拌強加工前后鎂合金的結(jié)構(gòu)進行了比較和分析，得出如下結(jié)論：合金經(jīng)摩擦攪拌加工后，基體和第二相的晶粒均有明顯的降低，基體的晶粒大小約為幾十納米，且呈現(xiàn)多晶狀態(tài)，晶粒取向隨機分布。細化后的第二相顆粒在基體中分布的更加均勻。摩擦攪拌加工時一個變形和加熱共存的過程，因此處理后的合金除了晶粒變小外，還有第二相顆粒的沉淀析出作用，且第二相分布的更加均勻，有彌散強化的作用，因此鎂合金在細晶強化，沉淀析出強化和彌散強化共同作用下，其力學(xué)性能得到很好的提高。優(yōu)化摩擦攪拌強加工過程中各個實驗參數(shù)，提高摩擦攪拌的效果，促進鎂合金的應(yīng)用是我們下一步的研究目標。

［1］潘復(fù)生，韓恩厚.高性能變形鎂合金及加工技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］張津，章宗和.鎂合金及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］丁文江.鎂合金科學(xué)與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］KOJ IMAN Y.Project of platform science and technology for advanced magnesium alloys［J］.Materials transaction，2001，42（7）：1154-1159.

［5］Y.Iwahashi，Z.Horita，M.Nemoto，T.G.Langdon.Acta Mater，1998，46：3317-3331.

［6］B.L.Zheng，Li.Ying et al.Materials Science and Engineering A，2011，528：2180-2191.

············

［7］Q.Yang，B.L.Xiao，Z.Y.Ma.Enhanced superplasticity in friction stir processed Mg-Gd-Y-Zr alloy.Journal of Alloys and Compounds，Vol.551，25February2013，Page61-66.

［8］Yoshihito Kawamura，Takayuki Kasahara，Shogo Izumi and Michiaki Yamasaki.Elevatedtemperature MgYCualloy with long periodordered structure.Scripta Materialia55（2006）453-456.

［9］W.Xi，W.Sun，et al.Promotion ef fect of secondary phase particles on grain refinement of deformed Mg-Y-Nd-Zn alloy. Materials science&Engineering A，628（2015）247-251.

［10］Marco Herwegh，Alfons Berger.Deformation mechanisms in second-phase af fected microstructures and their energy balance. Journal of Structural Geology26（2004）1483-1498.