張 舉，胡小東，趙紅陽，王振敏，張萬順

（遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

鎂合金是實際工程應用中密度最低的金屬，具有比強度高、切削加工性能好、阻尼能力強、電磁屏蔽性強等優(yōu)良性能，在汽車、電子和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域得到廣泛應用［1-2］。但鎂合金在室溫變形時只有單一滑移系，塑性差，通常需要加熱一定溫度后對其塑性加工［3-4］。提高鎂合金塑性、強度和耐蝕性是目前鎂合金研究的主要方向。

深冷處理是以液氮作為制冷劑，在溫度低至-130℃以下對材料進行處理的工藝。深冷處理可以改變金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高材料的整體性能，充分發(fā)揮金屬材料應用潛力。對于有色金屬，其影響機制主要有三個方面［5-7］：（1）晶粒細化。深冷處理期間的急速冷卻導致材料產(chǎn)生極大的內(nèi)應力和應力集中，基體組織產(chǎn)生大量位錯和亞結(jié)構(gòu)并相互作用，極大地增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善了材料的強度和硬度等機械性能。（2）第二相粒子析出。在深冷處理之后，合金元素在基體中的固溶度降低，第二相顆粒從基體里大量析出，通常成為合金的強化相，改善合金的機械性能。（3）晶粒取向改變。深冷處理期間，金屬材料在低溫下體積收縮引起材料的晶體結(jié)構(gòu)改變。在溫度恢復過程中，材料中發(fā)生回復再結(jié)晶，導致晶粒轉(zhuǎn)動。

AZ系鎂合金是目前最常用的鎂合金，為密排六方結(jié)構(gòu)，具有很強的各向異性，沿不同方向的熱膨脹系數(shù)不同。AZ系鎂合金中的第二相主要為Mg17Al12，其晶體結(jié)構(gòu)為BCC結(jié)構(gòu)，第二相形貌及數(shù)量對其力學性能有重要的影響。Zeng［8］等對鎂合金中的第二相顆粒強化做了系統(tǒng)論述，Mg17Al12相主要在晶內(nèi)和晶界處析出，在晶界處析出的第二相熔點較低，導致其在溫度較高時很難釘扎晶界，抗蠕變性能較差。晶內(nèi)第二類和第三類的析出相垂直于鎂合金基面，能很好地阻礙鎂合金的基面滑移，起到較好的強化效果。鎂合金在室溫下可固溶的鋁含量為2%左右，最大固溶度可達12.7%左右，具有很強的固溶強化效果，也為第二相的析出提供了可能。隨著溫度的降低，其固溶度進一步減小，深冷處理溫度為-150℃時，固溶度的變化和體積收縮會促進第二相的析出。Li等［9］研究了不同退火溫度對鑄態(tài)AZ31B鎂板組織和性能的影響，結(jié)果表明，退火后鎂合金熱軋板晶粒內(nèi)的第二相充分彌散并溶解到α-Mg基體中形成固溶體，偏聚的Al和Zn等元素得以彌散分布，從而使整個基體內(nèi)的元素分布均勻化，再結(jié)晶晶粒趨向均勻，呈現(xiàn)非常清晰的細小等軸晶，晶粒平均直徑為8～13 μm，退火后鑄軋鎂板的塑性變形能力明顯改善。Liu等［10］研究了軋后熱處理工藝對AZ31鎂合金鑄軋板組織性能的影響，結(jié)果表明，AZ31鎂合金軋制變形后的微觀組織中，部分原始晶粒中有大量互相平行的孿晶，在原始晶界處出現(xiàn)了細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒；鎂合金軋制板材在400℃退火1 h后，平均晶粒尺寸細化至6.3 μm，板材的屈服強度與抗拉強度略微下降，伸長率明顯提高，達到27.3%，表明合理的退火工藝可以有效地提高鎂合金板材的室溫塑性。雖然對鎂合金板材的熱處理工藝已經(jīng)有大量報道，但關(guān)于鎂合金板材的復合熱處理方法研究較少。

本文以AZ31、AZ61、AZ91D三種鎂合金作為研究對象，對其進行退火+深冷處理+時效處理，研究不同熱處理工藝對鎂合金微觀組織和力學性能的影響，對拓寬鎂合金的應用有重要意義。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為軋制態(tài)AZ31、AZ61，AZ91D鎂合金板材，軋制溫度280℃，化學成分如表1所示。使用熱處理爐對3種材料進行300℃，5 h的退火，并將退火后的板材立即浸入液氮容器中，進行6 h的深冷處理，深冷處理后的板材再進行160℃，18 h時效處理。對不同深冷時間和時效處理后的試件觀察金相組織，并對其室溫拉伸性能檢測。

表1 鎂合金化學成分及試樣厚度Tab.1 Chemical compositions and specimen thickness of magnesium alloys

2 實驗結(jié)果

2.1 光學金相分析

對熱處理后的試件使用牙托粉鑲嵌，砂紙打磨，機械拋光，并用苦味酸侵蝕，最后金相觀察。對未深冷和不同時間深冷處理以及時效處理的試件金相顯微組織觀察。

AZ31鎂合金顯微組織如圖1所示。經(jīng)300℃，5 h退火后，晶粒大小均勻；經(jīng)深冷處理后晶粒尺寸變化不明顯，第二相析出很少；經(jīng)退火+深冷處理+時效處理相結(jié)合的處理工藝后，晶粒尺寸明顯變小，且有少量第二相在晶內(nèi)及晶界處析出，長時間的時效處理后晶粒完全再結(jié)晶，并在材料內(nèi)部產(chǎn)生極大的內(nèi)應力和應力集中，導致晶粒轉(zhuǎn)動，大晶粒容易破碎，對小晶粒影響不大。

圖1 AZ31鎂合金金相組織Fig.1 Microstructures of AZ31 magnesium alloy

AZ61鎂合金顯微組織如圖2所示。經(jīng)300℃，5 h退火處理，晶粒較為規(guī)則，深冷處理6 h后大尺寸晶粒破碎成小尺寸晶粒，組織明顯細化，晶粒由未深冷處理前36 μm變?yōu)?3 μm。退火+深冷處理+時效處理時有大量第二相析出。

圖2 AZ61鎂合金金相組織Fig.2 Microstructures of AZ61 magnesium alloy

Al元素在AZ61鎂合金中含量較多，在深冷處理后，Al元素在基體中的過飽和固溶體的溶解度降低，但低溫也使Al元素活動能力減弱，因此深冷處理并沒有使第二相粒子更多析出；但時效處理后，第二相顆粒從晶內(nèi)及晶界處大量析出，從中可以看出，深冷處理為時效處理的第二相析出提供了條件。

AZ91D鎂合金顯微組織如圖3所示。經(jīng)300℃，5 h退火+深冷處理，晶粒尺寸變化較小，由未深冷前24 μm變?yōu)?9 μm。由于AZ91D鎂合金含Al較多，因此有少量第二相從過飽和固溶體中析出。

圖3 AZ91D鎂合金金相組織Fig.3 Microstructures of AZ91 magnesium alloy

熱處理+深冷處理+時效處理之后，第二相在晶內(nèi)和晶界大量析出。這是由于深冷處理為第二相析出的孕育階段，對鎂合金第二相的析出有促進作用，時效處理后會有大量第二相析出。

2.2 SEM微觀形貌

圖4為AZ91經(jīng)退火+深冷處理+時效處理后的掃描電鏡圖。掃描電鏡觀察前需對試件進行噴金處理，在基體中β相呈現(xiàn)層狀、片狀、球形分布，厚度約為250 nm。Mg-Al系鎂合金第二相主要為β-Mg17Al12，由于Al含量不同，造成熱處理后析出相數(shù)量不同，其中AZ91鎂合金經(jīng)過復合熱處理方法后析出相明顯增多。

圖4 AZ91D鎂合金第二相微觀結(jié)構(gòu)及EDSFig.4 Second phase microstructures and EDS results of AZ91D magnesium alloy

2.3 力學性能分析

對進行不同處理的鎂合金板材進行室溫拉伸試驗，檢測其力學性能。實驗結(jié)果如圖5所示。

（1）AZ31鎂合金。AZ31鎂合金未處理前的抗拉強度為287 MPa，經(jīng)300℃，5 h退火和不同時間深冷處理后，延伸率變化并不大，在6.4%到8%之間，但與未處理前的4.9%的延伸率相比，都有明顯提升，并且不同深冷時間與延伸率變化并無規(guī)律，其中4 h深冷后延伸率最差為6.4%，經(jīng)8 h深冷后的試件延伸率較好能達到8%。

AZ31鎂合金經(jīng)300℃，5 h退火，6 h深冷處理和160℃，18 h時效處理三種方式相結(jié)合的試件延伸率為13.4%，可明顯看出采取退火+深冷+時效處理后的AZ31鎂合金試件延伸率大幅度提高，并且抗拉強度變化并不明顯。這是由于材料受到激冷作用發(fā)生體積收縮，材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，導致晶粒向利于變形的方向轉(zhuǎn)動，改善了變形性能。另外，經(jīng)過深冷處理，晶粒明顯細化均勻，也是改善其性能的重要因素。

（2）AZ61鎂合金。經(jīng)退火和不同時間深冷處理后，鎂合金板材抗拉強度較未處理前355 MPa降至265 MPa左右，延伸率由未處理前的3.3%提高至8 h深冷處理后的6.7%，但塑性隨深冷時間變化無規(guī)律。經(jīng)過退火和深冷處理的鎂合金屈服強度都有所下降，屈強比降低，塑性變形穩(wěn)定，延伸率有所提升，抗拉強度有略微下降。

采取退火+深冷處理+時效處理相結(jié)合的方法，AZ61鎂合金延伸率由3.3%提升至12.3%，并且材料的抗拉強度下降不大，屈強比降低。這是由于材料受到激冷作用產(chǎn)生內(nèi)應力和變形能，變形能是第二相析出的驅(qū)動力，時效處理促使第二相大量析出。第二相粒子阻礙位錯運動，會在塑性變形過程中使合金產(chǎn)生孿晶，反促位錯滑移的進行。同時內(nèi)應力破碎了晶粒，使得晶粒向利于變形的方向轉(zhuǎn)動，很大程度改善了鎂合金的變形性能。

（3）AZ91D鎂合金。經(jīng)不同時間深冷處理后，AZ91D鎂合金抗拉強度較未處理前明顯降低，從290 MPa降低到230 MPa左右；延伸率有較大的提高，由未處理的3.2%提升至深冷處理4 h的7.2%；但延伸率變化并無明顯規(guī)律。AZ91D鎂合金經(jīng)退火+深冷處理+時效處理相結(jié)合的方式抗拉強度下降不明顯，其他處理方式均下降50 MPa左右，三種處理方式相結(jié)合的處理延伸率由3.2%提升到了9.6%，提升最大，且強度能夠得到保證。

圖5 鎂合金應力應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of magnesium alloys

3 結(jié)論

本文對軋制態(tài)三種鎂合金AZ31、AZ61、AZ91D進行退火、深冷處理、時效處理，并對處理后的試件觀察金相微觀組織，對第二相進行能譜分析，測試不同處理條件下的力學性能。

（1）經(jīng)深冷處理后，晶粒破碎，合金組織得到細化，在300℃，5 h退火下AZ31晶粒在12 h深冷處理后最細，由未深冷前23 μm細化至12 μm；在300℃，5 h退火下AZ61鎂合金經(jīng)6 h深冷處理晶粒最小，由未深冷處理前 36 μm 變?yōu)?23 μm；AZ91D鎂合金經(jīng)24 h深冷處理晶粒尺寸最小，由未深冷處理前24 μm變?yōu)?9 μm。

（2）與未處理前試件相比，經(jīng)退火+深冷處理合金強度有所降低，AZ31鎂合金降低30 MPa左右；AZ61鎂合金降低90 MPa左右；AZ91D鎂合金降低50 MPa左右。

（3）采取退火+深冷處理+時效處理相結(jié)合的方法，鎂合金微觀組織中β相析出量較多，阻礙位錯運動的同時促進孿晶的產(chǎn)生，強度與未處理前差距不大。與未處理前相比，AZ31鎂合金延伸率提高2.5倍；AZ61鎂合金延伸率提高4倍；AZ91D鎂合金延伸率提高3倍，使鎂合金塑性提升最大，且強度得到保證。

（4）經(jīng)過復合熱處理方法，鎂合金晶粒明顯細化，晶內(nèi)彌散析出第二相粒子與晶粒轉(zhuǎn)動，很大程度地改善了鎂合金的力學性能。