AZ80A鎂合金線膨脹系數(shù)的研究

吳 洋，錢亞鋒，方 明

（國(guó)家鎂及鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 鶴壁 458030）

鎂合金常溫下穩(wěn)定性較高，加工尺寸精度高，可進(jìn)行高精度機(jī)械加工[1]。鎂合金密度低，廣泛用于攜帶式的器械和汽車行業(yè)中，達(dá)到輕量化的目的[2，3]。但是由于鎂合金材料的膨脹系數(shù)較大，難以應(yīng)用于一些工作溫度環(huán)境復(fù)雜、對(duì)尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備或零部件，限制了其更廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)在鎂合金線膨脹系數(shù)測(cè)定方面的報(bào)道較少，對(duì)低線膨脹系數(shù)鎂合金的制備方面的報(bào)道更少。因此，對(duì)于AZ80A鎂合金與其它牌號(hào)鎂合金低溫階段的線膨脹系數(shù)的測(cè)定與比較，可以為以后低線膨脹系數(shù)鎂合金的研究提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鑄態(tài)AZ80A鎂合金棒、擠壓態(tài)AZ80A鎂合金棒、擠壓態(tài)AZ31B鎂合金棒和擠壓態(tài)AZ61A鎂合金棒；尺寸為8mm×50mm。

1.2 設(shè)備與原理

金屬材料的熱膨脹行為是原子受熱后做非簡(jiǎn)諧振動(dòng)的結(jié)果[4],熱膨脹的大小反映了晶格之間結(jié)合能的大小，不同的原子受熱后對(duì)材料的膨脹貢獻(xiàn)不同[5]。測(cè)量線膨脹系數(shù)的常用方法為頂桿法，采用機(jī)械測(cè)量原理，即將試樣的一端固定在支持器的端頭上，另一端與頂桿接觸，試樣、支持器和頂桿同時(shí)加熱，試樣與這些部件的熱膨脹差值被頂桿傳遞出來(lái)，并被測(cè)量[6]。本研究測(cè)試方法采用頂桿法，測(cè)試設(shè)備為湘潭湘科ZRPY-DW低溫?zé)崤蛎泝x，測(cè)試溫度范圍-20℃至120℃。平均線膨脹系數(shù)的公式[7]為：

式中：T1為原始溫度，T2為升溫后的溫度，L1為T1溫度下的原始長(zhǎng)度，L2為T2溫度下的長(zhǎng)度，ΔL為變形量（L2-L1），ΔT為溫差（T2-T1）。其中，線膨脹系數(shù)的單位為10-6K-1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)試時(shí)試樣從-20℃升溫至120℃，平均升溫速率為5℃/min，記錄試樣每10℃的膨脹量，測(cè)試停止后，通過(guò)記錄的不同溫度的膨脹量，得出膨脹量-溫度曲線，并計(jì)算出各種溫度段的平均線膨脹系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擠壓態(tài)AZ80A鎂合金平均線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

擠壓態(tài)AZ80A鎂合金的膨脹量與溫度的關(guān)系如圖1所示，從圖中可以看出，在-20℃至120℃的溫度區(qū)間上，其膨脹量隨著溫度的升高而增長(zhǎng)，在20℃至40℃之間，膨脹量相對(duì)于溫度區(qū)間的增長(zhǎng)量有增大的趨勢(shì)，40℃之后，增長(zhǎng)量趨勢(shì)變緩，這個(gè)趨勢(shì)也可以體現(xiàn)在10℃區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)上。圖2為區(qū)間為10℃的平均線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系，例如20℃對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為10至20℃區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)。從圖中可以看出，30℃和40℃對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，即20至30℃區(qū)間和30至40℃區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)比其他溫度區(qū)間略高，這與圖1中膨脹量的變化趨勢(shì)一致。

圖1 膨脹量與溫度的關(guān)系曲線

圖2 平均線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線

2.2 擠壓態(tài)AZ80A鎂合金與AZ31B和AZ61A鎂合金平均線膨脹系數(shù)的差異

經(jīng)過(guò)測(cè)試計(jì)算，擠壓態(tài)AZ80A、AZ31B和AZ61A鎂合金平均線膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可以看出，同一個(gè)牌號(hào)的鎂合金在-20至120℃和0至120℃這兩個(gè)溫度區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)差異不大，0至120℃區(qū)間的較高，可能是因?yàn)樵?℃以下，原子非簡(jiǎn)諧振動(dòng)減弱，導(dǎo)致鎂合金的膨脹量略微減少。

表1 擠壓態(tài)AZ80A、AZ31B和AZ61A鎂合金平均線膨脹系數(shù)

2.3 擠壓態(tài)和鑄態(tài)AZ80A鎂合金平均線膨脹系數(shù)的差異

擠壓態(tài)和鑄態(tài)AZ80A鎂合金是相同牌號(hào)不同加工狀態(tài)的鎂合金，金屬晶粒大小不同。圖3分別為鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ80A鎂合金金相圖片，從圖中可以直觀看出，擠壓態(tài)AZ80A鎂合金的晶粒明顯更為細(xì)小。

圖3 鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ80A鎂合金金相組織

通過(guò)表1可以看出，相比鑄態(tài)AZ80A，擠壓態(tài)AZ80A在-20至120℃和0至120℃兩個(gè)溫度段的平均線膨脹系數(shù)差異更低。這可能是因?yàn)閿D壓態(tài)AZ80A鎂合金擁有較小的晶粒，使得其晶格能較大,平均線膨脹系數(shù)較低。

3 結(jié)論

擠壓態(tài)AZ80A鎂合金在-20℃至120℃的溫度區(qū)間上，其膨脹量隨著溫度的升高而增長(zhǎng)，在20℃至40℃之間，平均線膨脹系數(shù)有增大的趨勢(shì)。

同一個(gè)牌號(hào)的鎂合金在-20至120℃和0至120℃這兩個(gè)溫度區(qū)間的平均線膨脹系數(shù)差異不大，0至120℃區(qū)間的略高。

擠壓態(tài)AZ80A鎂合金比鑄態(tài)AZ80A鎂合金晶粒更小，平均線膨脹系數(shù)更低。