M g-5Gd-4Y-0.3Zr 合金組織和力學(xué)性能研究

符韻,沈蕾芳,項運良,夏祥生,趙志翔,寧海青

(西南技術(shù)工程研究所,重慶400039)

M g-5Gd-4Y-0.3Zr 合金組織和力學(xué)性能研究

符韻,沈蕾芳,項運良,夏祥生,趙志翔,寧海青

(西南技術(shù)工程研究所,重慶400039)

目的研究均勻化、擠壓及時效熱處理對Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金組織和力學(xué)性能的影響。方法制備了Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金鑄棒,并進行了均勻化處理和熱擠壓處理。對不同狀態(tài)的試樣進行了拉伸試驗,觀察了金相顯微組織,采用X射線衍射方法進行了結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果鑄態(tài)合金組織主要由α-Mg基體和第二相Mg5(Gd,Y)組成;經(jīng)過均勻化處理后,合金的第二相發(fā)生了完全回溶,合金的力學(xué)性能得到了提升;合金經(jīng)擠壓后,組織得到了明顯細(xì)化,在200℃保溫60 h得到了強度的最大值,抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為423.0 MPa,335.0 MPa與9.0%。結(jié)論Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金既保證了低成本,又具有優(yōu)良的力學(xué)性能,適合推廣應(yīng)用。

Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金;熱擠壓;顯微組織;力學(xué)性能

鎂合金是目前工業(yè)上可應(yīng)用密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料,還具有高的比強度與比剛度、尺寸穩(wěn)定與高切屑性能等優(yōu)點[1—3],在航空航天、國防軍工、汽車、3C等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景[4]。目前鎂合金主要應(yīng)用于非承力的殼體類零件,此類零件主要采用鑄造的方法生產(chǎn)。鎂合金經(jīng)過塑性變形后,晶粒得到細(xì)化,鑄造組織缺陷得到消除,合金的性能得到大幅度的提升。目前應(yīng)用較廣的變形鎂合金主要包括AZ,AM,ZK系,這幾種系列的鎂合金抗拉強度很難大于400 MPa,特別是150℃以上時的耐熱性能較低,不能滿足國防軍工等領(lǐng)域用鎂合金替代中等強度鋁合金的需求。研究表明,添加Gd和Y等稀土元素的鎂合金具有較高的室溫及高溫力學(xué)性能,具有較好的應(yīng)用前景[5]。張新明等人[6]對Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金的研究表明,合金經(jīng)擠壓與時效后的抗拉強度、屈服強度及伸長率分別為370 MPa,350 MPa,3.5%。張家振等人[7]研究了熱處理對Mg-9.42Gd-2.13Y-0.6Zr合金組織和性能的影響,合金在220℃/18 h時效后,抗拉強度、屈服強度及伸長率分別達到420 MPa,310 MPa,7.5%。袁武華等人[8]對軋制與T5處理后Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金顯微組織和力學(xué)性能的研究表明,合金的室溫抗拉強度與伸長率分別為374 MPa和2.2%,200℃與250℃時抗拉強度分別為392 MPa與381 MPa,在高溫下仍具有較高的性能。然而,以上研究的Mg-Gd-Y系合金都含有較高的稀土元素,盡管表現(xiàn)出了優(yōu)良的力學(xué)性能,這勢必會大幅提高合金成本,不利于合金的廣泛應(yīng)用?；诖?文中制備了低稀土含量的Mg-Gd-Y系鎂合金,并采用半連續(xù)鑄造工藝制備了大規(guī)格鑄棒,并分析了合金在均勻化與擠壓等過程中的顯微組織與力學(xué)性能變化,以期為此合金的廣泛應(yīng)用提供理論及試驗數(shù)據(jù)。

1 實驗

實驗原材料為99.99%的純Mg和Mg-30Gd,Mg-30Y,Mg-30Zr中間合金,采用中頻感應(yīng)爐進行合金熔煉,采用5#溶劑進行保護。先將純鎂在坩堝中熔化,待溫度上升到780℃時,分別加入Mg-30Gd,Mg-30Y,Mg-30Zr中間合金,然后繼續(xù)升溫到780℃后進行人工攪拌和Ar氣噴吹并靜置,待溫度降低到720℃左右時進行半連續(xù)澆注,澆注速度在20～40 mm/min之間;鑄棒規(guī)格為φ450 mm。合金的實際化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下:Gd為51.2%,Y為42%,Zr為4.3%,Fe為小于 0.05%,Si為小于 0.05%,Ni為小于0.05%,Mg為余量。

將半連續(xù)鑄棒車皮后進行均勻化處理,溫度分別為480,500,520℃,時間為6 h;均勻化完成后在420℃進行熱擠壓,擠壓速度為4 mm/s,擠壓比為17與25。對擠壓后的棒材在200℃保溫不同時間進行時效處理,分別在鑄態(tài)、均勻態(tài)、擠壓態(tài)合金中制取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣各4根。常溫拉伸試驗在MTS810拉伸試驗機上進行,拉伸速度為2 mm/min。在Zeiss光學(xué)顯微鏡上進行顯微組織觀察。

2 結(jié)果及分析

2.1 鑄態(tài)顯微組織

圖1所示為大規(guī)格鑄棒邊部與心部的顯微組織。從低倍顯微組織可知,鑄態(tài)組織主要由α-Mg基體與晶界處呈網(wǎng)狀的第二相組成,一部分第二相以枝晶方式向晶內(nèi)生長,α-Mg基體的晶粒尺寸在89μm左右,心部與邊部的晶粒尺寸差別不大。對比心部與邊部的高倍組織可以看出,邊部組織在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了許多的條紋,以及點狀的第二相。Kaveh Meshinchi Asl等人[9—10]在對傳統(tǒng)鑄造AZ91鎂合金的研究過程中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象,他們認(rèn)為此種相是在結(jié)晶完成后從過飽和固溶體中析出的。在本研究中,由于鑄棒直徑較大,雖然有二次冷卻水的冷卻作用,但是心部組織降低到室溫的時間仍然較長,而Gd,Y元素在鎂合金的固溶度隨著的溫度的降低而急劇下降。例如Gd元素在530℃時的固溶度為21%,而隨著溫度下降到300℃時,固溶度僅為4%[11],在大鑄棒的慢冷過程中,第二相發(fā)生了明顯的析出。由圖2的XRD分析可知,合金中的第二相由α-Mg與Mg5(Gd,Y)相組成,這也說明第二相與二次析出相是同一種相。

圖1 合金的鑄態(tài)組織Fig.1 Themicrostructure of the as-cast alloy

2.2 均勻化工藝

高強鎂合金在塑性變形前必須進行均勻化處理,一是使第二相回溶,增大合金的塑性變形能力;二是得到過飽和固溶體,在后續(xù)時效過程中析出第二相,實現(xiàn)時效強化。結(jié)合Mg-Gd,Mg-Y二元相圖,選擇均勻化溫度分別為480,500,520℃,保溫時間為6 h。經(jīng)均勻化處理后的顯微組織如圖3所示?？梢?在以上3個溫度下,第二相都發(fā)生了明顯的回溶,溫度從480℃上升到500℃,晶粒變化不明顯,但當(dāng)溫度從500℃上升到520℃后,晶粒發(fā)生了明顯的粗化,在3個溫度下都沒有觀察到過燒現(xiàn)象。結(jié)合合金的均勻化效果以及大規(guī)格鑄棒的實際生產(chǎn)情況,此合金的均勻化工藝選為500℃保溫6 h。

圖2 鑄態(tài)合金心部X射線衍射分析Fig.2 X-ray diffraction analysis of the center of the as-cast alloy

圖3 合金在不同溫度下固溶6 h的顯微組織照片F(xiàn)ig.3 Themicrostructure of the alloy after 6 h solution at different temperature

2.3 擠壓態(tài)顯微組織

圖4為合金經(jīng)不同擠壓比擠壓后的顯微組織,圖4a為擠壓比為17時的顯微組織,圖4c為擠壓比為25時的顯微組織?？梢?合金經(jīng)擠壓后,鑄態(tài)組織得到顯著細(xì)化,晶粒呈等軸狀,說明合金在熱擠壓過程中發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)擠壓比為17時,平均晶粒尺寸約為26μm,當(dāng)擠壓比為25時,平均晶粒尺寸約為18μm,可見增大擠壓比有利于晶粒細(xì)化。

圖4 不同擠壓比合金的顯微組織Fig.4 Themicrostructure of the alloy at different extrusion ratio

2.4 室溫力學(xué)性能

Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金在不同狀態(tài)下的室溫拉伸力學(xué)性能如表1所示?？梢钥闯?鑄態(tài)合金經(jīng)過均勻化處理后,合金的抗拉強度與屈服強度都有所提高,這主要是由于Gd與Y元素固溶到基體中,形成了明顯的固溶強化,導(dǎo)致強度的提高,但這個過程中晶粒發(fā)生了一定程度的長大,降低了固溶強化效果,強度的升高并不明顯。由于晶界處的第二相得到了回溶,消除了微區(qū)的成分偏析,減少了應(yīng)力集中,增大了晶粒之間的變形協(xié)調(diào),合金的伸長率從2.5%增加到4.5%,但都屬于脆性斷裂的范疇。合金經(jīng)過擠壓后發(fā)生了完全動態(tài)再結(jié)晶,晶粒尺寸從102μm降低到18μm,根據(jù)Hall-Petch公式σy=σ0+kd-1/2可知,材料的屈服強度與晶粒尺寸的平方根成反比關(guān)系。鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu),其k值為280～320 MPa·m-1/2,是一般面心與體心立方的數(shù)倍(鋁的相應(yīng)系數(shù)k=68 MPa·m-1/2),因此,晶粒細(xì)化對于密排六方鎂合金強度的提高會有更好的效果[12—13]。由表1可見,合金經(jīng)擠壓后,抗拉強度與屈服強度得到了大幅度的提升。

晶粒大小對塑性也有顯著影響,這種影響可以用多晶體的變形不均勻性來反映,變形不均勻程度會因晶粒大小而有差異。位錯在變形過程中極易增殖與運動,運動到晶界附近的位錯會形成位錯塞積,在晶界處塞積的位錯群所產(chǎn)生的應(yīng)力場會對相鄰晶粒產(chǎn)生影響。當(dāng)晶粒細(xì)小時,這種應(yīng)力場會影響到相鄰晶粒的整個體積,相鄰晶粒的位錯源也容易啟動從而產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形,使變形不均勻程度減小。若晶粒粗大,在晶界處塞積的位錯群所產(chǎn)生的應(yīng)力場甚至還達不到相鄰晶粒的中部,顯然,這時的變形不均勻性非常明顯,應(yīng)力不容易松弛,只有通過產(chǎn)生裂紋來釋放一部分應(yīng)力,在斷裂前不易獲得較大的變形量,因而塑性差。文中,經(jīng)擠壓變形晶粒細(xì)化后,伸長率從4.5%提升到15.5%,提高了3.4倍。

表1 不同狀態(tài)下合金的力學(xué)性能Table 1 M echanical p roperties of the test alloy underd ifferen t state

2.5 合金的時效強化

擠壓態(tài)合金在200℃保溫60 h后獲得了硬度最大值113 HV,選取時效24,60,72 h后的試樣進行力學(xué)性能測試,結(jié)果如圖5所示?？梢婋S著時效時間的延長,合金的伸長率逐漸降低,而合金的抗拉強度與屈服強度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢,在60 h后得到了強度的最大值。此時的抗拉強度、屈服強度與伸長率分別為423.0 MPa,335.0 MPa與9.0%。

圖5 不同時效時間后的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of the testalloy after different aging time

圖6 所示為擠壓態(tài)合金在200℃×60 h峰時效的金相照片?？梢?經(jīng)時效后,合金的晶粒變化不明顯,而晶粒內(nèi)部有均勻分布的析出物,此種析出相可以阻礙位錯運動,從而起到時效強化的效果[14—15]。

圖6 峰時效狀態(tài)下合金的顯微組織Fig.6 Themicrostructure of the alloy under peak aging

3 結(jié)論

1)Mg-5Gd-4Y-0.3Zr鑄態(tài)合金由α-Mg基體與晶界處呈網(wǎng)狀的Mg5(Gd,Y)相組成,經(jīng)500℃保溫6 h均勻化處理后,Mg5(Gd,Y)相全部回溶于基體;均勻化處理同時提高了強度與塑性。

2)Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金經(jīng)熱擠壓后,晶粒從102μm細(xì)化到了18μm。合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率從均勻化態(tài)的237.5 MPa,189.0 MPa與4.5%,提高到325.5 MPa,273.0 MPa與15.5%。

3)擠壓態(tài)Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金經(jīng)過200℃保溫60 h時效后,合金的強度得到了進一步的提高,抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為423.0 MPa,335.0 MPa與9.0%。

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M icrostructure and M echanical Properties of M g-5Gd-4Y-0.3Zr

FU Yun,SHEN Lei-fang,XIANG Yun-liang,XIA Xiang-sheng,ZHAO Zhi-xiang,NING Hai-qing
(Southwest Technology and Engineering Research Institute,Chongqing 400039,China)

The aim of this work was to investigate the effects of homogenization,extrusion and aging treatment on the microstructure and mechanical properties of Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy.Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy casting rod was prepared,then homogenization treatment and hot extrusion treatment were carried out.Tensile tests were conducted on the samples with different states.Themetallographicmicrostructurewas observed,and XRD was used to analyze the structure.The results showed that the as-cast alloymainly consisted of a-Mgmatrix and the second phase Mg5(Gd,Y).The second phase of the alloy dissolved completely after the homogenization treatment,and the mechanical property of the alloy was increased.The alloy structurewas obviously refined after extrusion.The highestmechanical property was obtained after aging treatment at200℃ for 60 h,and the ultimate tensile strength,yield strength and elongation were 423.0 MPa,335.0 MPa,and 9.0%,respectively.In conclusion,Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy not only has low cost feature,but also has excellentmechanical property.It is suitable for popularization and application.

Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy;hot extrusion;microstructure;mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.05.022

TG146.2;TG115

A

1674-6457(2015)05-0130-05

2015-07-24

符韻(1982—),男,重慶人,工程師,主要研究方向為精密塑性成形與數(shù)值模擬分析。