Al對Mg-5%Cu合金顯微組織及力學(xué)性能的影響

李向平，黃曉鋒，2，馮 凱，王鵬飛，張少輝

（1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，蘭州 730050）

Al對Mg-5%Cu合金顯微組織及力學(xué)性能的影響

李向平1，黃曉鋒1，2，馮 凱1，王鵬飛1，張少輝1

（1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，蘭州 730050）

通過光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電鏡、能譜分析儀及萬能力學(xué)試驗機等研究了不同Al含量（1%、3%、5%）對Mg-5%Cu合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在Mg-5%Cu合金中添加Al元素后，顯微組織得到明顯細化；當(dāng)Al含量為5%時，其主要相組成為α-Mg基體相、β-Mg17Al12相、Al2Cu相和AlCuMg三元相；隨著Al含量的增加，合金的抗拉強度逐漸上升，Mg-5%Cu-5%Al合金的抗拉強度最高，為192MPa；而伸長率呈逐漸下降的趨勢。

鋁；Mg-5%Cu合金；顯微組織；力學(xué)性能

鎂合金是最輕的工程金屬結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、較高的比強度和比剛度、較好的阻尼減震性能和電磁屏蔽性能，切削加工性能良好，易回收利用等優(yōu)點，在汽車、電子、家電、通信、儀表以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，被譽為“21 世紀綠色工程金屬”[1～3]，有著很樂觀的應(yīng)用前景。但是，與鋼、鋁等傳統(tǒng)的金屬材料相比，到目前為止對鎂的研究還遠遠不夠。近些年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了研究開發(fā)鎂基材料的熱潮，其中，對鎂的合金化的研究是很重要的一個方面。鎂的合金化是改善鎂合金的力學(xué)性能、工藝性能、阻燃性、耐蝕性的有效手段[4]。

在Mg-Al合金中加入Cu可改善鑄件的韌性及固溶處理特性，可在室溫和高溫下表現(xiàn)較為良好的力學(xué)性能。研究表明，Cu的加入能夠顯著提高Mg-Al合金的固相線溫度，能夠在更高的溫度下進行固溶處理，使較多的合金元素固溶于合金中，增強了隨后的時效強化效果，而且Cu還能顯著提高合金的延展性[5，6]。對于Mg-Cu二元合金來說，Cu含量在5%左右時，具有較好的鑄造力學(xué)性能（σb=142MPa，δ=4.5%）。Al是鎂合金中最常用、最有效的合金化元素，隨著Al含量的增加合金的鑄造性能得到改善，并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但Al含量也不宜過高，否則將導(dǎo)致合金變形能力下降[7～9]。因此，本實驗在Mg-5%Cu基體合金中加入（1%、3%、5%）的Al元素后，研究在金屬型鑄造工藝條件下的顯微組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所用的原材料為99.9%的純鎂、純鋁和純銅，配制合金如表1所示。實驗合金在7.5kW井式坩堝電阻爐中進行熔煉，用 KSW-12-12A恒溫控制箱控制電爐溫度 ，并采用RJ-2熔劑保護。坩堝、鐘罩、澆勺等工具在使用前先預(yù)熱至200℃左右，在表面涂以一定厚度的涂料，然后烘干待用。熔煉過程通入氬氣進行保護，待Mg和Cu熔化后，在680℃時將預(yù)熱好的純鋁加入熔體中，當(dāng)溫度升至720℃采用C2Cl6進行精煉、扒渣，靜置15～20min，待爐溫降至705℃時澆注到預(yù)熱的金屬型模具中，分別得到Mg-5%Cu-1%Al、Mg-5%Cu-3%Al和Mg-5%Cu-5%Al三種合金。

表1 試驗合金的成分（wB/%）

1.2 試驗方法

在島津AG-10TA型萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為1mm/min，每組3個試樣取平均值，試樣尺寸如圖1所示；在澆注成?15mm×100mm的棒料上取?15mm×10mm的小試樣，經(jīng)預(yù)磨和拋光后，用8%的硝酸水溶液腐蝕，在MeF-3型光學(xué)顯微鏡上進行顯微組織觀察；采用JSM-6700F型掃描電鏡對顯微組織和拉伸斷口形貌進行觀察；利用Rigaku D/max2400型X射線衍射儀（XRD）進行物相分析；采用EDAX能譜儀進行微區(qū)成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的顯微組織分析

圖2為不同鋁含量的Mg-5%Cu合金的鑄態(tài)顯微組織。Mg-5%Cu-XAl合金的組織主要由白色的基體相和在晶界上呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的黑色的第二相組成，第二相的數(shù)量隨著鋁含量的增加而增多，晶間第二相粗化，合金晶粒隨著鋁含量的增加而逐漸細化。對于亞共晶的Mg-Al合金，隨著鋁含量的增加，α-Mg晶粒尺寸明顯減小，主要是由于Al的生長抑制因子（GRF）值較小，所以Al含量較低時，在生長的晶粒表面前沿難以產(chǎn)生較大的成分過冷，因此其晶粒細化能力較弱[6]，隨著Al含量的增加，晶粒細化顯著。

圖3是Mg-5%Cu-5%Al合金的XRD圖譜。結(jié)果表明，當(dāng)Al含量為5%時，合金顯微組織主要由α-Mg基體（包括初生α-Mg和共晶α-Mg）和以離異共晶方式析出的β相（Mg17Al12）（β相基本上是以粒狀和短棒狀形態(tài)存在于晶界，少量位于晶內(nèi)），另外還有少量Al2Cu相和在晶界或者晶內(nèi)分布的點、塊狀的AlCuMg三元相組成。

圖4和表2、圖5和表3，圖6和表4分別為三種實驗合金 Mg-5%Cu-1%Al、Mg-5%Cu-3%Al和 Mg-5%Cu-5%Al的EDS分析結(jié)果，其中a點成分均為基體相成分，其Cu的含量很低。圖4中當(dāng)鋁含量為1%時，基體中的Al含量為0，其原因有如下兩個：一方面是合金中加入的Al含量較少，另一方面是Al與Cu或Mg形成了共晶相。由XRD分析結(jié)果（圖3）及對能譜分析結(jié)果（圖6和表4）可進一步得知，當(dāng)Al含量為5%時，試驗合金主要由基體α-Mg相（a點），主要沿晶界分布、少量位于晶內(nèi)的白色β-Mg17Al12相和Al2Cu相（b點）以及在晶界或者晶內(nèi)分布的點、塊狀的AlCuMg三元相（c點）組成。

表2 Mg-5%Cu-1%Al合金的能譜分析結(jié)果（wB/%）

表3 Mg-5%Cu-3%Al合金的能譜分析結(jié)果（wB/%）

表4 Mg-5%Cu-5%Al合金的能譜分析結(jié)果（wB/%）

2.2 力學(xué)性能

拉伸試驗結(jié)果如圖7所示，隨著鋁含量的增加，合金的抗拉強度逐漸增大，當(dāng)鋁含量為5%時，合金的抗拉強度為192MPa。這是因為隨鋁含量的增加，合金中第二相的數(shù)量增多，且大多數(shù)以半連續(xù)網(wǎng)狀形式存在，第二相強化效果明顯增強。同時合金的晶粒尺寸逐漸變小，合金中強化相也能有效地形成位錯糾纏，從而導(dǎo)致合金抗拉強度明顯提高。

同時，隨著鋁含量的增加，合金的伸長率逐漸降低，當(dāng)鋁含量為5%時，合金的伸長率為3.38%，主要是由于生成的β-Mg17Al12相數(shù)量較多，并且較粗大，粗大金屬間化合物相內(nèi)部及其與基體的界面處易出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致合金伸長率下降[10]；而且由于β-Mg17Al12相是一種脆性相，具有割裂基體的作用，從而限制合金變形能力。

2.3 拉伸斷口形貌

圖8為Mg-5%Cu-XAl鑄態(tài)合金拉伸斷口形貌。由于鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，其滑移系較少，只能進行非常有限的宏觀變形，解理斷裂是鎂合金最常見的斷裂方式。從圖中可以看出，當(dāng)鋁含量為1%時，合金拉伸斷口形貌特征為具有解理小刻面和由解理臺階形成的河流花樣，還可以觀察到少量的韌窩，合金的塑性較好。隨著鋁含量的進一步增加，當(dāng)鋁含量為3%和5%時，合金的斷口形貌存在解理面和解理臺階并混有撕裂棱，在有的解理面上還可以看到細小的二次裂紋，局部小刻面上可以看到解理河流，這是密排六方晶體結(jié)構(gòu)金屬典型的斷裂方式，呈混合斷裂機制。由于鑄態(tài)拉伸斷口呈現(xiàn)豐富的撕裂棱，而這種解理斷裂特征必然導(dǎo)致合金的塑性下降[1，11]，從而解釋了隨著Al含量的增加，合金的伸長率呈下降的趨勢。

3 結(jié)論

（1）在Mg-5%Cu合金中添加Al元素后，隨著Al含量的增加，合金中第二相的數(shù)量增加，同時合金的晶粒尺寸逐漸變小，當(dāng)Al含量為5%時，合金鑄態(tài)組織主要由α-Mg基體相、β-Mg17Al12相、Al2Cu相和AlCuMg三元相組成。

（2）隨著合金中Al元素添加量的增加，合金的抗拉強度逐漸增大，伸長率逐漸減小，當(dāng)合金中鋁含量為5%時，其抗拉伸強度和伸長率分別為192MPa和3.38%。

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Effect of Al on Microstucture and Mechanics Properties of Mg-5%Cu Alloys

LI XiangPing1，HUANG XiaoFeng1,2，F(xiàn)ENG Kai1，WANG PengFei1，ZHANG ShaoHui1
(1.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,GanSu China 2.Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing the Ministry of Education Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,GanSu China）

The effects of Al content(1、3、5%)on microstructure，mechanics properties of Mg-5%Cu alloy have been investigated by OM，XRD，SEM,EDAX and universal testing machine.The results have shown that the microstructure was refined significantly owing to the Al addition to Mg-5%Cu alloy；the microstructure of the alloy with Al addition of 5%contained α-Mg、β-Mg17Al12、Al2Cu and AlCuMg phases；the tensile strength of alloy increased gradually as the Al content increased，Mg-5%Cu-5%Al had the highest tensile strength 192MPa while elongation showed a decreasing trend.

Al；Mg-5%Cu alloy；Microstructure；Mechanics property

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）06－4

973前期研究專項（項目編號：2010CB635106），甘肅省高等學(xué)校基本科研項目

2011－07－10

2011－105

李向平（1986-），男，碩士研究生，主要從事鎂合金的研究