熱處理對(duì)Mg-8Al-1Ca合金第二相及力學(xué)性能的影響

·試驗(yàn)研究·

熱處理對(duì)Mg-8Al-1Ca合金第二相及力學(xué)性能的影響

王春輝，薛天明，劉江江，房大慶，張代東

（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

采用熱處理結(jié)合擠壓變形的工藝處理方法，研究Mg-8Al-1Ca合金的微觀組織、第二相形態(tài)及力學(xué)性能。對(duì)實(shí)驗(yàn)合金分別進(jìn)行T6、擠壓+T5和擠壓+T6三種處理方式。結(jié)果顯示：第二相的析出形態(tài)分別呈現(xiàn)斷續(xù)網(wǎng)狀和球狀、片狀和球狀、球狀和短棒狀。擠壓變形結(jié)合熱處理工藝，隨著第二相聚集球化，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均得到較大的提高，并保持較好的伸長率。

微觀組織；β-Mg17Al12相；沉淀析出；拉伸性能

Mg-Al系鎂合金是目前應(yīng)用最為廣泛的鎂合金系，我國對(duì)該系列鎂合金的應(yīng)用研究取得了很大進(jìn)展[1]。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展以及節(jié)能減排的要求，開發(fā)高性能、廉價(jià)的Mg-Al系堿土鎂合金具有重要的意義[2-3]。在高性能鎂合金中合金元素及第二相對(duì)組織結(jié)構(gòu)、性能的影響是鎂合金開發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵，通過熱處理、變形加工改善組織和第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量以及分布對(duì)合金的工藝性能和使用性能具有較大的影響。李萍[4]等人對(duì)Mg-6Al-xCa鎂合金力學(xué)性能的研究結(jié)果表明在加入Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與伸長率取得最大值。而經(jīng)過擠壓變形鎂合金比鑄造合金具有更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[5-6]，從而具有更好的發(fā)展?jié)摿?。本?shí)驗(yàn)選用Mg-8Al-1Ca鎂合金，通過不同的工藝方法，改善合金的組織形態(tài)，使得合金中的第二相均勻、合理地分布于基體上，對(duì)于研制開發(fā)新型綜合性能較好的鎂合金具有重要的意義。

1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用半連續(xù)鑄造法制備Mg-8Al-1Ca鎂合金，原材料為純鎂（99.9%）、純鋁（99.9%）、中間合金Mg-Al、Al-Ca以及少量MnCl2等，在SF6和CO2氣體保護(hù)下，采用半連續(xù)鑄造，澆注溫度為700℃，鑄錠直徑為90 mm.對(duì)鑄態(tài)合金進(jìn)行不同的熱處理和擠壓變形，具體方案列于表1中，其中擠壓工藝為400℃保溫10 h，在300℃擠壓溫度下，以5 mm/s擠壓速度和14∶1擠壓比將試樣擠壓成板材。

表1Mg-8Al-1Ca合金的處理方式

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織結(jié)構(gòu)

圖1為Mg-8Al-1Ca合金在鑄態(tài)、固溶態(tài)、擠壓態(tài)、擠壓固溶態(tài)下的顯微組織，鑄態(tài)組織（圖1a））主要由基體和共晶組織組成，由于非平衡結(jié)晶，第二相沿著晶界析出，呈現(xiàn)連續(xù)的網(wǎng)狀組織。白色組織為α-Mg，黑色相為β-Mg17Al12相。經(jīng)過410℃/12 h固溶處理（圖1b）），隨第二相部分溶解，晶界處網(wǎng)狀組織明顯細(xì)化且斷裂。為防止表面氧化和晶粒生長，實(shí)際擠壓采用400℃保溫10 h，在300℃擠壓處理（圖1c）），此時(shí)晶粒和第二相破碎，同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，擠壓后晶粒非常細(xì)小，第二相沿?cái)D壓方向定向分布。擠壓處理后再經(jīng)400℃/10 h固溶處理（圖1d）），合金再結(jié)晶過程完成，組織中的方向性消失，晶粒長大呈較均勻的等軸晶，晶界處的第二相消失，完全固溶。合金X射線衍射的最強(qiáng)峰為（101ˉ0）晶面，次強(qiáng)峰為（101ˉ1）晶面，第三強(qiáng)峰為（0002）晶面。在有固溶處理?xiàng)l件下，X射線衍射的最強(qiáng)峰為（0002）晶面，次強(qiáng)峰為（101ˉ1）晶面。固溶處理使β-Mg17Al12相溶解，從而改變基面的最優(yōu)取向，為后期第二相時(shí)效析出提供了條件[7]。

圖2Mg-8Al-1Ca在不同處理狀態(tài)下的XRD圖譜

圖1金相組織圖

2.2第二相變化及析出機(jī)理

圖3為鑄態(tài)、T6、擠壓+T5、擠壓+T6處理的SEM掃描圖。由圖可見，合金中的第二相形態(tài)由鑄態(tài)下連續(xù)的網(wǎng)狀形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，并且隨工藝改變，第二相析出的數(shù)量、形態(tài)、分布也不相同。

圖3SEM掃描圖

圖2為合金在不同處理狀態(tài)下的XRD圖，由于Ca原子的晶格類型與Mg相似，均為密排六方晶格，Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時(shí)，Ca作為溶質(zhì)元素與鎂基體形成置換固溶體。XRD測試峰主要集中在30°～60°的范圍內(nèi)，合金的主要組成相為α-Mg基體相和β-Mg17Al12第二相。

不同處理?xiàng)l件下，β相對(duì)應(yīng)的峰強(qiáng)度產(chǎn)生變化。擠壓處理后再經(jīng)400℃/10 h固溶處理合金呈現(xiàn)單相組織，β相完全固溶于基體中，引起晶格畸變，產(chǎn)生晶格畸變能，為后期的時(shí)效析出儲(chǔ)存了較多的能量。根據(jù)X射線衍射理論，在鑄態(tài)下，Mg-8Al-1Ca

經(jīng)T6處理（圖3b）），第二相以斷續(xù)網(wǎng)狀和球狀的形態(tài)析出。擠壓+T5處理（圖3c）），第二相以菱形片狀和球狀形態(tài)析出。擠壓+T6處理（圖3d）），第二相則以短棒狀和類球狀形態(tài)析出。說明不同工藝處理方法β相析出形態(tài)、數(shù)量與其析出的位置、生長方式有關(guān)，經(jīng)擠壓+T6處理，β相分布較為理想。

時(shí)效處理時(shí)β-Mg17Al12相為Mg-Al系合金的主要沉淀相，其晶體結(jié)構(gòu)為體心立方，與基體沒有位向關(guān)系，為非共格界面形核，主要沉淀方式為連續(xù)沉淀和非連續(xù)沉淀。根據(jù)能量最低化原理[8-9]，晶界處的β相形核后不會(huì)向晶內(nèi)生長，β相長大主要靠遠(yuǎn)處的鋁原子擴(kuò)散，固態(tài)擴(kuò)散一般需要時(shí)間較長，因此時(shí)效過程中晶界處沉淀析出的β相不易長大，多為球狀和短棒狀。

2.3力學(xué)性能

表2為合金在不同工藝處理下的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與鑄態(tài)合金相比，經(jīng)T6處理、擠壓+T5處理和擠壓+T6處理合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均得到一定程度的提高。

表2合金四種狀態(tài)下的拉伸性能

合金的力學(xué)性能與第二相的形態(tài)、數(shù)量和分布密切相關(guān)。網(wǎng)狀分布的第二相易造成拉伸過程中應(yīng)力分布不均，強(qiáng)度塑性較低。T6處理后，連續(xù)網(wǎng)狀β相的消失，沉淀析出斷續(xù)網(wǎng)狀和少量球狀β相對(duì)合金力學(xué)性能貢獻(xiàn)不是很大。擠壓+T5處理和擠壓+T6處理沉淀相的數(shù)量增多，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用加大；以菱形片狀、短棒狀、球狀、類球狀形態(tài)沉淀析出的第二相相對(duì)圓滑，對(duì)基體的割裂作用小，因此合金強(qiáng)度提高，塑性增大。

3結(jié)論

1）鑄態(tài)合金Mg-8Al-1Ca在經(jīng)過固溶、擠壓和擠壓固溶處理后，β相完全固溶于基體中，產(chǎn)生晶格畸變能，為后期第二相時(shí)效析出提供了條件。

2）不同工藝處理方法β相析出形態(tài)、數(shù)量、分布與其析出的位置、生長方式有關(guān)，經(jīng)擠壓+T6處理，β相分布較為理想。

（3）第二相的形態(tài)與數(shù)量決定了合金的力學(xué)性能。沉淀相數(shù)量的增多和網(wǎng)狀組織的消失，合金的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)320 MPa，延伸率最高可達(dá)18.1%.以菱形片狀、短棒狀、球狀、類球狀形態(tài)沉淀析出的第二相相對(duì)圓滑，對(duì)基體的割裂作用小，合金強(qiáng)度提高，塑性增大。

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Effect of Heat Treatment on Second Phase and Mechanical Properties of Mg-8Al-1Ca Alloy

WANG Chun-hui，XUE Tian-ming，LIU Jiang-jiang，F(xiàn)ANG Da-qing，ZHANG Dai-dong
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

The microstructure，the second phase morphology and mechanical properties of Mg-8Al-1Ca alloy were studied combined with heat treatment process and extrusion deformation.Three kinds of treatment methods of T6，extruded+T5 and extruded+ T6 were used for experiments.The results indicated that the precipitation of the second phase state showed intermittent reticulate and globose，flaky and globose，spherical and rodlike respectively.After extrusion and followed heat treatment，the yield strength and tensile strength of second gathered nodulizing alloy have been greatly improved，maintaining good elongation at the same time.

microstructure，β-Mg17Al12phase，precipitation，tensile property

TG146.2

A

1674-6694（2017）02-0028-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.09

2017-03-05

王春輝（1995-），男，本科。

張代東（1960-），男，教授，主要從事輕質(zhì)高強(qiáng)鎂合金結(jié)構(gòu)材料組織和性能研究。

山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2016290）；材料科學(xué)與工程特色專業(yè)建設(shè)/省教育廳/2011/2.