Zn含量對(duì)Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金組織和力學(xué)性能的影響

李慧中, 劉洪挺, 陳健美, 王海軍, 梁霄鵬

(1.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410205;2.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083）

Zn含量對(duì)Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金組織和力學(xué)性能的影響

李慧中1,2, 劉洪挺2, 陳健美1, 王海軍2, 梁霄鵬1,2

(1.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410205;2.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083）

采用顯微硬度和力學(xué)性能測(cè)試及金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線(xiàn)衍射等分析手段,研究了Zn含量對(duì)Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓以及時(shí)效處理后合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加 Zn元素,有利于細(xì)化合金晶粒,提高擠壓態(tài)的強(qiáng)度。未添加Zn的合金T5態(tài)晶粒尺寸約為25μ m,添加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同）Zn后,晶粒尺寸約為15μ m,Zn含量為3%時(shí),晶粒尺寸約為10μ m。當(dāng)Zn含量為1%時(shí),合金擠壓態(tài)和時(shí)效態(tài)的抗拉強(qiáng)度分別為337MPa,397MPa,屈服強(qiáng)度分別為128MPa,148MPa,伸長(zhǎng)率分別為10.0%,5.0%,具有較好的綜合性能。

Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金;Zn元素;擠壓-時(shí)效;顯微組織;力學(xué)性能

鎂及鎂合金是目前密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有高的比強(qiáng)度和比剛度,很好的抗磁性,高的電負(fù)性和導(dǎo)熱性,良好的消震性和切削加工性能。但鎂合金的強(qiáng)度不高,特別是高溫性能較差,大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域[1,2]。由于 Gd,Y元素在鎂合金中具有較大的固溶度(分別為23.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同）和12.6%）,在稀土鎂合金的研發(fā)中,Mg-Gd-Y系合金作為最有希望獲得熱處理強(qiáng)化的鎂合金已日益引起各國(guó)研究界的關(guān)注,成為鎂合金研究的熱點(diǎn)[3,4]。YAO,Mordike和He研究表明,經(jīng)過(guò)熱變形和時(shí)效處理后,Mg-Gd-Y-Zr系合金的室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能以及抗高溫蠕變性能,都高于 WE54,WE43和QE22鎂合金[5～8]。已有研究報(bào)道:向鎂合金中添加Zn元素可以提高合金的耐蝕性和力學(xué)性能[9]。Mg-Gd-Y-Zr系合金為時(shí)效強(qiáng)化型合金,時(shí)效析出相的形態(tài)對(duì)合金的力學(xué)性能有較大影響,Yang等人研究了Mg-9Gd-3Y-0.6Zn-0.5Zr合金時(shí)效過(guò)程相的變化及其對(duì)合金力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)過(guò)飽和固溶體的分解過(guò)程為:α′-Mg(S.S.S.S）→β′′→β′→β1→β,其中納米級(jí)的亞穩(wěn)定相β′′和 β′對(duì)室溫抗拉強(qiáng)度有很大的貢獻(xiàn)[10]。但是不同的 Zn含量對(duì) Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金組織與性能的影響的研究還未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。本工作通過(guò)在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加不同含量的Zn元素來(lái)探討Zn對(duì)Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓及時(shí)效后的組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分如表1所示,合金采用高純 Mg、純 Zn、Mg-31.72%Y 合金、Mg-30.47%Gd合金、Mg-31.16%Zr合金,使用不銹鋼坩堝在井式電阻爐中熔煉。在熔煉和澆注時(shí)采用SF6+CO2混合氣體進(jìn)行保護(hù),熔煉溫度為 780～800℃,合金溶液在750℃靜置10 min,后澆于鋼制模具中。鑄錠經(jīng)430℃/2h+510℃/16h均勻化處理后,在300T油壓機(jī)上進(jìn)行擠壓,擠壓溫度為450℃,擠壓比為12,擠壓速率為1m/min。擠壓后棒材在200℃下進(jìn)行0～108h等溫時(shí)效處理。金相試樣用5g苦味酸 +100mL酒精 +5mL乙酸 +10mL蒸餾水溶液腐蝕后在XJP-6A型金相顯微鏡上觀察;合金室溫拉伸力學(xué)性能在CSS-44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定,按GB6397—1986標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一制成 φ 5mm的短比例試樣,拉伸速率為2mm/min;用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)合金硬度,試驗(yàn)力為4.9N,加載15s;采用Sirion200場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行相觀察;用離子減薄制備透射樣品,在TecnaiG220透射電鏡上進(jìn)行觀察;物相分析在 D/MAX2500型X射線(xiàn)衍射儀上進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 chemical composition of test alloys(mass fraction/%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金時(shí)效特性

由于Mg-RE合金為可顯著時(shí)效強(qiáng)化的合金,用擠壓方式生產(chǎn)的鎂合金熱處理既可采用T5(人工時(shí)效）處理,也可以采用T6(固溶淬火 +人工時(shí)效）處理[6,11],而含 Zr的 Mg-RE合金擠壓后,若進(jìn)行固溶處理,由于固溶處理溫度較高,其再結(jié)晶晶粒將會(huì)迅速長(zhǎng)大,降低合金力學(xué)性能。在T5熱處理時(shí),擠壓變形過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò),亞結(jié)構(gòu)有利于析出相彌散析出,往往用T5處理就可以滿(mǎn)足合金強(qiáng)度和塑性的要求[12]。本實(shí)驗(yàn)合金經(jīng)450℃擠壓后直接進(jìn)行T5熱處理。

圖1為三種合金擠壓變形后在200℃的時(shí)效硬化曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn),在時(shí)效初期,隨著時(shí)間的推移,各合金硬度呈上升趨勢(shì),其中合金1和2,硬度值迅速上升,合金3則緩慢上升;在時(shí)效24h時(shí),合金1硬度達(dá)到峰值,合金2在32h時(shí)達(dá)到硬度峰值,合金3到72h才出現(xiàn)硬度峰值,三種合金的峰值硬度分別為123HV,131HV和104HV;合金硬度達(dá)峰值后,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)其硬度值開(kāi)始呈下降趨勢(shì),進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段。所以,各合金時(shí)效過(guò)程均經(jīng)歷了欠時(shí)效、峰值時(shí)效和過(guò)時(shí)效過(guò)程,并且隨著Zn含量的增加,合金達(dá)到峰值的時(shí)間延長(zhǎng),當(dāng)Zn含量為1%時(shí),合金的峰值硬度最高,較未添加Zn的合金增加8HV;當(dāng)Zn含量為3%時(shí),合金的峰值硬度較未添加 Zn的合金低19HV。

圖1 擠壓態(tài)合金200℃時(shí)效硬度曲線(xiàn)Fig.1 Aging curves of the extruded samples at 200℃

2.2 合金力學(xué)性能

表2為合金擠壓態(tài)和T5峰值時(shí)效態(tài)的室溫拉伸力學(xué)性能。可見(jiàn),添加1%Zn的合金擠壓態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較未添加Zn的合金分別提高29MPa和11MPa;添加3%Zn的合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較未添加Zn的合金分別提高12MPa和4MPa。各合金擠壓態(tài)的伸長(zhǎng)率均大于10%,表現(xiàn)出良好的塑性。經(jīng)T5處理后合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較擠壓態(tài)均有較大程度的提高,但伸長(zhǎng)率均降低較明顯。其中合金1的抗拉強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)370MPa,131MPa和6.4%,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較擠壓態(tài)提高62MPa和14MPa,伸長(zhǎng)率降低5.0%。添加1%Zn的合金T5態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較未添加Zn的合金分別提高27MPa和17MPa;添加3%Zn的合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較未添加Zn的合金分別提高5MPa和7MPa。可見(jiàn),Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加1%時(shí),其擠壓態(tài)和T5態(tài)具有較好的力學(xué)性能。

表2 實(shí)驗(yàn)合金室溫拉伸性能Table 2 Tensile properties of the alloys tested at room temperature

2.3 金相分析

各合金峰值時(shí)效時(shí)的金相顯微組織如圖2所示。由圖可以看出,各合金晶粒都呈等軸狀,并且隨著Zn含量的增加晶粒逐漸細(xì)化。未添加Zn的合金平均晶粒大小約為25 μ m(圖2a）,添加1%Zn的合金平均晶粒大小約為15 μ m(圖2b）,添加3%Zn的合金平均晶粒約為 10 μ m(圖 2c）。

2.4 XRD分析

對(duì)各合金峰值時(shí)效試樣進(jìn)行XRD分析,結(jié)果如圖3所示。峰值時(shí)效時(shí),各合金中除了 α-Mg基體外,均含有富稀土的 Mg24Y5和 Mg5(Gd,Y）相,在添加Zn的合金中還出現(xiàn)少量Mg4Zn7相的衍射峰,所以在添加Zn的Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr的合金中主要生成Mg24Y5相、Mg5(Gd,Y）相和Mg4Zn7相,Zn主要以Mg4Zn7相的形式在合金中存在。

圖2 擠壓后合金峰值時(shí)效時(shí)縱截面金相顯微組織 (a）合金1;(b）合金2;(c）合金3Fig.2 OM images of the peak-aged sample(longitudinal direction）(a）alloy 1;(b）alloy 2;(c）alloy 3

圖3 合金峰值時(shí)效時(shí)XRD圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of peak-ageing specimens

2.5 掃描電鏡分析

不同Zn含量的合金峰值時(shí)效態(tài)掃描電鏡分析如圖4所示。由圖可見(jiàn),各合金中的第二相沿加工方向呈流線(xiàn)形分布,并且隨著Zn含量的增加,該第二相的數(shù)量逐漸增加,結(jié)合X射線(xiàn)分析可知,這些第二相為 Mg24Y5相、Mg5(Gd,Y）相和 Mg4Zn7相。同時(shí)各合金中隨機(jī)分布有細(xì)小的方塊狀粒子(如圖4a所示）。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知,這些方塊相為含有Mg,Gd和Y元素的相。

2.6 透射電鏡分析

圖5為各合金峰值時(shí)效態(tài)的TEM明場(chǎng)像及其對(duì)應(yīng)的衍射斑點(diǎn)。由圖可見(jiàn),合金峰值時(shí)效時(shí),組織中均析出了大量彌散分布的凸透鏡狀的 β′相。添加1%Zn的合金中的 β′相較未添加Zn的合金更加細(xì)小彌散,并且體積分?jǐn)?shù)增大(如圖5a,b）。而添加3%Zn的合金中,時(shí)效析出的 β′相數(shù)量減少且體積增大(圖5c）。在添加Zn的合金2和合金3中存在一種呈層疊狀分布的粗大物質(zhì)(如圖5g和 h）,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知,這種物質(zhì)為長(zhǎng)周期堆垛結(jié)構(gòu)(LPS）[14],由圖5g可見(jiàn),添加1%Zn的合金中的LPS 結(jié)構(gòu) ,長(zhǎng)約為 0.8 μ m,寬約為 0.4 μ m;而在添加了3%Zn的合金中的LPS結(jié)構(gòu)(圖5h）,長(zhǎng)約為 4.5 μ m,寬約為 3 μ m。可見(jiàn) ,Zn 含量過(guò)高時(shí),合金中形成的LPS結(jié)構(gòu)尺寸增大。

3 討論

在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加適量的Zn元素,能顯著細(xì)化合金變形后的再結(jié)晶晶粒(如圖2所示）。一方面由于Zn與Mg及稀土元素(Gd,Y）形成穩(wěn)定的金屬間化合物Mg4Zn7,該化合物為合金再結(jié)晶晶粒的形成提供了有利的位置,可形成的再結(jié)晶晶粒數(shù)量增多,有利于晶粒細(xì)化;另一方面添加Zn元素以后合金中形成的LPS結(jié)構(gòu)[14],可抑制再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大,由于晶粒細(xì)化的作用使得合金強(qiáng)度提高。然而,當(dāng)Zn元素含量過(guò)高時(shí)(3%）,合金中形成的粗大的含Zn化合物數(shù)量增多(如圖4c所示）,擠壓變形后,這些化合物沿加工方向分布,材料繼續(xù)變形時(shí)易成為裂紋萌生之處,同時(shí)粗大的含Zn化合物消耗了強(qiáng)化相Zn的含量,使得合金的強(qiáng)度降低。

由于Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金為時(shí)效強(qiáng)化型合金,合金時(shí)效過(guò)程中析出的納米級(jí)的 β′′及 β′相能提高室溫抗拉強(qiáng)度[11]。其中 α-Mg基體中析出的細(xì)小彌散的 β′相對(duì)合金強(qiáng)度的提高起主要作用[16],該相能有效地阻礙位錯(cuò)的滑移。根據(jù)奧羅萬(wàn)(E Orwan）機(jī)制,位錯(cuò)繞過(guò)析出相時(shí)所需增加的切應(yīng)力(即強(qiáng)化值）與該相的體積分?jǐn)?shù)及相的大小有關(guān)。體積分?jǐn)?shù)愈大,強(qiáng)化值愈大;當(dāng)體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),強(qiáng)化值與析出相的大小成反比,相愈細(xì)小則強(qiáng)化值愈大。峰值時(shí)效時(shí),合金1中析出的細(xì)小 β′相使得其抗拉強(qiáng)度較擠壓態(tài)提高了62MPa。添加了1%Zn的合金2中,由于峰值時(shí)效時(shí)析出了更為細(xì)小彌散的β′相(如圖5b所示）,有效阻礙了位錯(cuò)的滑移從而得到較高的力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度較合金1分別提高了27MPa和17MPa。

細(xì)小的LPS結(jié)構(gòu)也是含Zn元素的Mg-Gd-Y-Zr合金中強(qiáng)化相[15]。合金2中,細(xì)小的LPS結(jié)構(gòu)(圖5g）有利于合金強(qiáng)度的提高,但隨Zn含量的增加,LPS結(jié)構(gòu)粗化 (圖5h）,該結(jié)構(gòu)搶奪Mg基體中的稀土元素(Gd,Y）,導(dǎo)致Gd,Y在Mg基體中固溶量減少,從而引起 β′相析出量減少并粗化(圖5c）,使得合金強(qiáng)度下降;同時(shí),大量粗大的LPS結(jié)構(gòu)的形成降低了Mg基體中溶質(zhì)原子(Gd,Y）的濃度,進(jìn)而降低了 β′相析出的梯度能,使其析出驅(qū)動(dòng)力降低,從而延緩了含Zn合金達(dá)到峰值時(shí)效的時(shí)間。

4 結(jié)論

(1）Zn元素能細(xì)化Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓后的晶粒,隨著Zn含量的增加晶粒逐漸細(xì)化。未添加Zn元素的合金T5態(tài)的晶粒大小約為25 μ m,添加1%Zn 的約為 15 μ m,添加 3%Zn 的約為10 μ m 。

(2）Zn元素有利于提高M(jìn)g-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金擠壓態(tài)力學(xué)性能。添加1%Zn的合金擠壓態(tài)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較未加Zn的合金分別提高29MPa和11MPa。

(3）Zn元素推遲了Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金T5處理時(shí)達(dá)到峰值時(shí)效的時(shí)間。合金1硬度在時(shí)效24h時(shí)達(dá)到峰值,合金2在32h時(shí)達(dá)到硬度峰值,合金3到72h才出現(xiàn)硬度峰值,三種合金的峰值硬度分別為123HV,131HV和104HV。添加1%Zn能顯著提高合金T5態(tài)的力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為397MPa和148MPa。當(dāng) Zn含量過(guò)高時(shí),合金強(qiáng)度明顯降低。

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Effects of Zn Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr Alloy

LI Hui-zhong1,2, LIU Hong-ting2, CHEN Jian-mei1, WANG Hai-jun2, LIANG Xiao-peng1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Hunan International Economics University,Changsha 410205,China;2.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering,Ministry of Education,Central South University,Changsha 410083,China.）

Effects of Zn addition on the microstructure and mechanical properties of Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr(mass fraction/%,the same below）alloy during extrusion and following isothermal aging at 200℃were investigated using digital micro-hardness testing,mechanical testing,optical microscopy(OM）,scanning electron microscopy(SEM）,transimission electron microscopy(TEM）,X-ray diffraction(XRD）.The results showed that Zn obviously refined grains of the alloy,and improved mechanical properties of the as-extruded alloys.In T5 condition the average grains of the alloy without Zn addition were about 25 μ m;the average grains of the alloys with 1%Zn addition and 3%Zn addition were about 15 μ m and 10 μ m,respectively.For the alloy with1%Zn addition in the-extruded and aged states,the values of tensile strength reached 337 MPa and 397 MPa,yield strength reached 128 MPa and 148 MPa,and the ductility rate reached 10.0%and 5.0%respectively,the better comprehensive properties were exhibited.

Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr alloy;element Zn;extruded-aging;microstructure;mechanical properties

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.5.002

TG146.1TG146.2

A

1005-5053(2011）05-0006-06

2010-02-01;

2011-06-21

中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(20070420828）;中南大學(xué)博士后基金資助項(xiàng)目(2007-8）

李慧中(1968—）,男,博士,副教授,(E-mail）lhz606@mail.csu.edu.cn。