Mg-6Zn-xCu鑄造合金的顯微組織及力學(xué)性能研究

王鵬飛，黃曉鋒，馮 凱，張少輝，李向平

（蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050）

Mg-6Zn-xCu鑄造合金的顯微組織及力學(xué)性能研究

王鵬飛，黃曉鋒，馮 凱，張少輝，李向平

（蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050）

采用金屬型鑄造方法制備了Mg-6Zn-xCu（x=1%、3%、5%）鎂合金，并通過光學(xué)顯微鏡、X射線衍射和掃描電鏡及力學(xué)性能測(cè)試等手段研究了Cu含量對(duì)合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：Cu在合金中主要以CuMgZn相存在，且隨著Cu量的增加，其數(shù)量增加；在凝固過程中，CuMgZn富集在已結(jié)晶的α-Mg表面，阻礙了其長大，從而細(xì)化了晶粒，但過量的CuMgZn偏聚晶界偏聚，引起局部的應(yīng)力集中，對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響；隨著Cu含量的增加，合金的力學(xué)性能逐漸降低，加入1%Cu時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率達(dá)到最大值，分別為208MPa和13.5%；隨著Cu含量的增加，拉伸斷口由準(zhǔn)解理斷裂向解理斷裂和沿晶斷裂轉(zhuǎn)變。

Cu；Mg-6Zn-xCu合金；顯微組織；力學(xué)性能

作為最輕質(zhì)金屬工程結(jié)構(gòu)材料的鎂合金，由于具有質(zhì)輕等多種優(yōu)異性能[1]，在實(shí)現(xiàn)輕量化、降低能源消耗、減少環(huán)境污染等方面具有顯著作用，使其在交通、3C、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分可觀[2，3]。目前，鎂及鎂合金材料的研究已成為世界性的熱點(diǎn)[4-6]。但是，鎂合金高溫強(qiáng)度低和蠕變性能較差等不足阻礙了鎂合金廣泛的工程化應(yīng)用。因此，研發(fā)新型耐熱鎂合金成為當(dāng)務(wù)之急。

Mg-Zn-Cu合金是20世紀(jì)70～80年代開發(fā)的一種新型的Mg-Zn系耐熱鎂合金[7]。Cu元素的加入，提高了Mg-Zn合金的共晶溫度，使其在更高的溫度進(jìn)行固溶處理[8]，Zn和Cu能最大限度地固溶于鎂基體中，增強(qiáng)了隨后的時(shí)效強(qiáng)化效果[9，10]；同時(shí)也改善了合金中的共晶相結(jié)構(gòu)，由原來完全離異的不規(guī)則塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的薄片狀[11]，從而顯著提高了合金的抗蠕變性能。在150℃以下，Mg-Zn-Cu合金的高溫性能比傳統(tǒng)的Mg-Al-Zn合金更優(yōu)異，可廣泛用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件和推避器等[12]。目前，國內(nèi)外關(guān)于Mg-Zn-Cu合金的研究仍偏重于開發(fā)應(yīng)用，尚處于起步階段，相關(guān)報(bào)道有限。雖然在Mg-Zn-Cu系合金組織以及性能等方面取得了一些結(jié)果，但還存在許多爭(zhēng)議，迫切需要深入研究[13]。本實(shí)驗(yàn)選擇以Mg-6Zn合金為基礎(chǔ)，研究了不同Cu含量對(duì)其微觀組織和室溫拉伸性能的影響，為后期合金開發(fā)做基礎(chǔ)性的研究。

1 試驗(yàn)方法

表1 實(shí)驗(yàn)合金成分（wB/%）

試驗(yàn)所用的原材料 Mg、Zn和 Cu純度均為99.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），配制合金的成分見表1。合金在KSW-12-12A恒溫控制箱的控溫下，用7.5kW井式坩堝電阻爐進(jìn)行熔煉。當(dāng)溫度升至200℃時(shí)，將預(yù)熱且去除氧化皮的鎂錠、銅錠放入坩堝，溫度到達(dá)500℃開始持續(xù)通氬氣保護(hù)，合金熔化后在680℃再加入鋁錠并不停地?cái)嚢枋蛊淙咳刍?，然后?20℃時(shí)采用C2Cl6進(jìn)行精煉、扒渣，靜置15～20min，最后待爐溫降至705℃，在預(yù)熱的金屬型中澆注成所需要的坯錠。在MEF－3型光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行試樣的顯微組織觀察，采用Rigaku D/max－2400型X射線衍射分析儀分析合金的相組成；在WDW－100D型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試樣塊尺寸為16mm×3mm×2mm，然后使用JSM－6700F型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)顯微組織

圖1是試驗(yàn)合金Ⅱ和Ⅲ鑄態(tài)時(shí)的X射線衍射物相分析。結(jié)合 Mg－Cu－Zn 三元相圖[14]和文獻(xiàn)[13]，合金中添加Cu元素后，主要由α－Mg和CuMgZn相組成，當(dāng)Cu含量為0.5%時(shí)，有Cu2Mg相生成。

圖1 鑄態(tài)Mg－6Zn－xCu（x=3%，5%）合金的XRD圖譜

圖2為Mg－6Zn－xCu合金的鑄態(tài)光學(xué)顯微組織，隨著Cu含量的增加，合金顯微組織得到明顯的細(xì)化。合金Ⅰ的鑄態(tài)組織明顯呈樹枝狀，大量的共晶組織（α－Mg+CuMgZn）沿晶界或枝晶邊界斷續(xù)分布，晶內(nèi)亦有部分彌散質(zhì)點(diǎn)，晶粒尺寸比較粗大，且晶界上的共晶組織較小，如圖 2（a）所示。圖 2（b）和（c）分別為含有3%和5%Cu合金的顯微組織，隨著Cu含量的增加，晶界處的共晶組織由不連續(xù)或半連續(xù)狀逐漸演變成連續(xù)網(wǎng)狀，而晶間呈骨骼狀的第二相數(shù)量和尺寸增多，且不斷向晶內(nèi)延伸，在凝固過程中溶質(zhì)原子富集，導(dǎo)致晶粒出現(xiàn)頸縮，晶粒呈現(xiàn)花瓣?duì)?，部分枝晶形成?xì)小的等軸晶；同時(shí)，晶內(nèi)生成的細(xì)小黑色顆粒相減少，最后幾近消失。分析認(rèn)為，隨著Cu含量的增加合金的晶粒細(xì)化的主要原因是Cu的加入增加了成分過冷，降低了Mg元素的擴(kuò)散速率，從而限制了基體晶粒的生長，細(xì)化了晶粒，同時(shí)生成的CuMgZn偏聚于固液界面前沿，富集α－Mg表面，阻止了其長大。

圖 3 為 Mg－6Zn－1Cu 和 Mg－6Zn－5Cu 合金的SEM照片，主要由黑色的α－Mg和白色的共晶組織組成，其中屬于典型的離異共晶組織，其形成原因是，在非平衡冷卻過程中，當(dāng)過冷度很小、結(jié)晶進(jìn)行很緩慢時(shí)，或兩相之間沒有促進(jìn)形核的作用時(shí)，α－Mg和CuMgZn兩相可以各自獨(dú)立生核和長大，最后共晶組織中的α-Mg依附在α-Mg初晶上，使得共晶組織中的兩相貌似分離；由于離異共晶組織的存在，導(dǎo)致了Cu在合金組織中分布不均勻，即晶界附近的含量最大，從而使CuMgZn偏聚于晶界，且團(tuán)聚現(xiàn)象明顯（見圖2）。

表2為Mg-6Zn-1Cu合金的EDS分析結(jié)果，第二相主要是由Mg、Zn和Cu形成，唯有圖3（a）中③處的細(xì)桿狀相，發(fā)現(xiàn)其所含元素及其原子百分比為95.87%Mg、3.42%Zn和0.71%Cu，因此可初步推測(cè)該合金中除α-Mg和CuMgZn外，還可能存在Mg-Zn二元相。合金中Zn的含量只有6.0%，遠(yuǎn)不到共晶點(diǎn)的Zn含量，結(jié)合Mg-Zn二元相圖[15]來看，合金Ⅰ中的Mg-Zn二元相應(yīng)該是析出相MgZn。

表2 Mg-6Zn-1Cu合金的能譜分析結(jié)果

2.2 力學(xué)性能分析

圖4為Mg-6Zn-xCu合金室溫拉伸性能。抗拉強(qiáng)度和伸長率隨著Cu含量的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)，其中當(dāng)Cu含量為1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為208MPa和13.5%。加入1%Cu后，晶內(nèi)較多顆粒相呈現(xiàn)彌散分布，可以有效地釘扎位錯(cuò)，限制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而強(qiáng)化了合金基體；且存在于晶界的CuMgZn相，也起到阻礙晶界的滑移，提高了合金Ⅰ的力學(xué)性能。但是隨著Cu含量的增加，組織中CuMgZn相數(shù)量增多，并沿晶界聚集，造成了合金成分的不均勻，在拉伸過程中易在粗大的CuMgZn邊界或尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致晶界脆化，使合金在晶界處容易發(fā)生脆斷，降低了合金抗拉強(qiáng)度；并且共晶相形成的空間封閉網(wǎng)絡(luò)幾乎將基體割裂開來，降低了界面的結(jié)合強(qiáng)度，因而合金脆性有所增加，伸長率下降。

圖4 Mg-6Zn-xCu合金室溫拉伸性能

綜上所述，說明Mg-6Zn-xCu合金的力學(xué)性能在很大程度上取決于CuMgZn相顆粒的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布。適量的CuMgZn相沿晶界或晶內(nèi)分布，造成一定的晶格畸變，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使Mg-6Zn-xCu合金的力學(xué)性能有所提高；但由于Cu含量偏高，在晶界偏聚的過量的CuMgZn相的尖角處易于形成應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋（見圖2（b）），降低晶界的結(jié)合力，使合金抵抗塑性變形和斷裂的能力降低，因此過量的Cu反而惡化了Mg-6Zn-xCu鎂合金的室溫力學(xué)性能。

2.3 拉伸斷口形貌分析

為了進(jìn)一步研究Cu對(duì)Mg-6Zn-xCu合金斷裂機(jī)制的影響，利用SEM對(duì)實(shí)驗(yàn)合金的斷口形貌進(jìn)行觀察如圖5所示。從圖5（a）可觀察到合金Ⅰ的斷口中有大小不均勻的解理小刻面和河流花樣，還存在撕裂棱，在撕裂棱之間分布著較小的韌窩，部分韌窩隨著變形程度的增加演變成了空洞，呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂的特征，表明合金具有良好的塑韌性。合金Ⅱ的斷口是由一系列并不光滑的小刻面構(gòu)成，沒有明顯的韌窩花樣，但局部區(qū)域有大量的解理臺(tái)階，拉伸斷口以解理斷裂為主的脆性斷裂，見圖5（b）。合金Ⅲ斷口有大量粗大的晶界裂紋，如圖5（c）中箭頭所示，且有晶粒拔出孔洞的存在，屬于典型的沿晶斷裂特征，由于CuMgZn相在晶界團(tuán)聚加劇，導(dǎo)致外加載荷在局部應(yīng)力集中，在拉伸過程中誘發(fā)裂紋迅速萌生和擴(kuò)展，從而使合金力學(xué)性能下降?？傊?，Mg－6Zn－xCu合金的斷裂方式隨Cu含量的增加由準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔押脱鼐嗔选?/p>

3 結(jié)論

（1）Mg－6Zn－xCu 合金的主要相組成為 α－Mg相和CuMgZn共晶相，隨著Cu含量的增加，CuMgZn共晶相含量隨之增加。

（2）在凝固過程中，CuMgZn富集在已結(jié)晶的α－Mg表面，阻礙了基體長大，從而細(xì)化了晶粒，但過量的CuMgZn偏聚在晶界，引起局部的應(yīng)力集中，反而對(duì)合金的力學(xué)性能不利。

（3）隨著Cu含量的增加，合金力學(xué)性能逐漸降低，當(dāng)添加1%Cu時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率達(dá)到最大值，分別為208MPa和13.5%。拉伸斷口由準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔押脱鼐嗔选?/p>

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Study on Microstructure and Mechanics Properties of As-cast Mg-6Zn-xCu Alloys

WANG PengFei，HUANG XiaoFeng，F(xiàn)ENG Kai，ZHANG ShaoHui，LI XiangPing
（Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

Mg－6Zn－xCu（1，3 and 5wt.%）alloys have been prepared by metal mould casting method.The effect of Cu content on microstructure and mechanics properties of alloys have been investigated by OM，SEM，XRD and mechanics apparatus.The results showed that the CuMgZn phases were formed when added Cu elements in alloys，and the amount of CuMgZn compounds increased with increasing of Cu content.Due to the CuMgZn compounds enriched on the surface of α－Mg during solidification，the growth of α－Mg was difficultl and then grains were refined effectively.But an excess of CuMgZn compounds precipitates at grain boundaries resulted in local stress concentration，thus it was detrimental to the mechanics properties of alloys.Consequently，with addition of 1%Cu，the values of ultimate tensile strength and elongation were 208MPa and 13.5%respectively.The tensile fracture surfaces changed from quasi－cleavage to cleavage and intergranular fracture with increase of Cu content.

Cu；Mg－6Zn－xCu alloy；Microstructure；Mechanics property

TG146.2+2;

A；

1006-9658（2012）01-4

973前期研究專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：2010CB635106）

2011－11－18

2011－161

王鵬飛（1986-），男，碩士研究生，主要從事鎂合金的研究