Zr 對AZ91 鎂合金顯微組織和力學性能的影響

劉素清，李偉婷，蘇亞飛，房大慶，柴 琨，喬振鑫

（1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學 晉城校區(qū)，山西 晉城 048011）

鎂合金具有高比強度、比剛度、減振性、導熱性、可切削加工性和可回收性，被稱為21 世紀最具開發(fā)和應用潛力的“綠色”工程材料；其在汽車、計算機、通訊及航天等領域的應用不斷擴大[1]。AZ 系合金具有均衡的機械性能和優(yōu)良的鑄造性能等優(yōu)點，是應用最廣泛的鎂合金之一[2]。Zr 作為合金化元素（細化晶粒）被廣泛運用于鎂合金開發(fā)和研究，本課題以AZ91 鎂合金為研究對象，利用金屬模鑄造工藝制備鋯質(zhì)量分數(shù)為：0.3%，0.6%，0.9%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金試樣，探討研究鋯對鑄態(tài)AZ91 鎂合金組織和力學性能的影響。為研究高性能鎂合金提供實驗數(shù)據(jù)和理論支持。

1 實驗材料、設備及方法

1.1 實驗材料及配比

實驗所用的鎂合金為AZ91 鎂合金鑄錠，通過線切割機切割的AZ91 小塊，每爐稱重300 g（四份）；鋯粉按表1 確定的合金配比稱重。

表1 合金試樣配比（質(zhì)量分數(shù)，%）

1.2 實驗設備

實驗所用設備：中頻感應爐；線切割機，金相拋光機；掃描電鏡；硬度計，拉伸試驗機。

1.3 實驗方法

1.3.1 合金試樣的制備

制備1、2、3、4 號四組試樣，為了更準確比較，試樣是在相同熔煉設備、澆注溫度、鑄模條件下重熔取樣。

1 號試樣的制備：將切好的300 g AZ91 鎂合金小塊放入預熱的坩堝里并放至中頻爐，熔煉過程要通入保護氣體氬氣防止鎂燃燒，熔化過程要進行表面浮渣工作；700 ℃左右時，加入精煉劑，進行為時6 min 的精煉，精煉后升溫到780 ℃左右停止加熱，靜置30 min 左右，等溫度降至680 ℃左右時，將其澆入至φ16 mm 的長棒形金屬模型中，待溫度降到室溫后，取出試樣，裝袋貼標簽。

2、3、4 號試樣步驟同上，在730 ℃左右分別加入質(zhì)量分數(shù)0.3%，0.6%，0.9%的Zr 粉，攪拌，升溫至780 ℃左右停止加熱，靜置，溫度降至680 ℃左右時澆注。制備三組試樣。

1.3.2 拉伸試樣的制備

實驗所用的鎂合金拉伸試樣是長棒形試樣經(jīng)截切、車削等工序，形成如圖1 所示的圓棒形試樣。

圖1 圓棒形的試樣簡圖

1.3.3 顯微組織樣品

1）把澆注成型的試棒用線切割機切出需要的雙面平行的試樣；

2）經(jīng)粗磨、細磨、拋光、腐蝕等處理的鎂合金試樣，在掃描電鏡（SEM）下觀察合金組織形貌、晶粒狀態(tài)。

2 實驗結果與分析討論

2.1 顯微組織分析

2.1.1 鑄態(tài)AZ91 鎂合金的掃描電鏡圖

采用掃描電鏡對四個鎂合金試樣進行了組織觀察，如圖2、3、4、5 所示。

2.1.2 顯微組織分析與討論

AZ91 鎂合金在鑄態(tài)下的顯微組織如圖2 所示?？梢姡T態(tài)AZ91 鎂合金的組織為樹枝狀，晶粒粗大，呈現(xiàn)離異共晶組織形貌，其中大塊灰白色晶粒為先共晶α-Mg 固溶體，在先共晶α-Mg 固溶體的晶界上的灰黑色相是非平衡凝固產(chǎn)生的β-Mg17Al12和α-Mg 的離異共晶體，即共晶組織中的α-Mg 依附在原有的先共晶α-Mg 相上，β-Mg17Al12相則以不規(guī)則的形狀分布在晶界上。

圖2 不含鋯的AZ91 鑄態(tài)鎂合金SEM 照片

圖3 鋯質(zhì)量分數(shù)為0.3%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的SEM 照片

圖4 鋯含量為0.6%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的SEM 照片

圖5 鋯含量為0.9%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的SEM 照片

從圖3-圖5 可以看出隨Zr 添加量的增加，鎂合金中的Mg17Al12相逐漸細化，由連續(xù)粗大的網(wǎng)狀和樹枝狀分布轉變?yōu)閺浬⒕鶆虻念w粒狀分布；當Zr添加量為0.6%時，Mg17Al12相尺寸最小，分布最均勻，也似有一些等軸晶形成。

鎂合金中添加Zr 質(zhì)量分數(shù)為0.9%的鑄態(tài)AZ91 顯微組織，與圖4 鋯質(zhì)量分數(shù)為0.6%的相比，組織細化不明顯，可能是Zr 與合金熔體中的Mg17Al12相或Al 元素等其他相反應生成Al-Mg-Zr等三元相，減少了異質(zhì)形核核心的數(shù)目，使得初生α-Mg 相的一次枝晶可以充分生長，延長了枝晶相互接觸碰撞的時間，從而導致α-Mg 枝晶顯著粗化[4]。本次實驗沒有進行化學成分定量分析。

Zr 可能細化鎂合金晶粒的機理[10]：哈爾濱工程大學陳增，張密林等研究發(fā)現(xiàn)，在包晶溫度下鋯在鎂中的固溶度為0.6%，液態(tài)鎂結晶時，Zr 首先以α-Zr 的質(zhì)點析出，α-Zr 與鎂的晶格常數(shù)非常接近（Zr 的晶格常數(shù)為a=0.323×10-9m，c=0.514×10-9m；Mg 的晶格常數(shù)為a=0.320×10-9m，c=0.520×10-9m）由于二者晶格點陣錯配度特別小，所以在包晶溫度下液態(tài)金屬中的鋯可以作為異質(zhì)形核核心使鎂晶粒顯著細化；此外，Zr 與氧的親和力較強，能形成氧化鋯質(zhì)點也能細化晶粒。

晶粒細化是改善鎂合金變形結構特征、提高鎂合金力學性能的重要途徑。目前得到普遍認可的觀點是只有澆注時溶于液體金屬中的鋯才對晶粒有細化作用[10]。

2.2 Zr 對鑄態(tài)AZ91 力學性能的影響

2.2.1 合金的硬度

表2 試樣的硬度

采用布氏硬度測量儀對鎂合金進行硬度測試。表2 是通過布氏硬度儀測量的含Zr 量分別為0.3%、0.6%、0.9%的鑄態(tài)AZ91 的布氏硬度值，每組試樣測三組，取平均值，由表2 可知Zr 質(zhì)量分數(shù)為0.6%的鑄態(tài)AZ91 的硬度平均值最大（51.4），當Zr 質(zhì)量分數(shù)為0.9%時，硬度反而減小。

圖6 試樣的硬度曲線

圖6 通過表2 硬度值繪制，從圖中可以看出，AZ91 鎂合金隨著Zr 質(zhì)量分數(shù)增加其硬度值的變化趨勢。隨著Zr 質(zhì)量分數(shù)的增加鑄態(tài)鎂合金的硬度提高，當Zr 質(zhì)量分數(shù)增加到一定值后硬度反而減小。

2.2.2 拉伸試驗

在微型控制電子式萬能試驗機上對1.2.3.4 號試樣（每種試樣三根）進行拉伸試驗。試驗溫度為室溫，拉伸應變速率為5×10-2s-1.利用自動采集系統(tǒng)記錄相應的拉伸數(shù)據(jù)，并自動生成位移-載荷圖，據(jù)此確定計算合金的抗拉強度σb，通過測量拉伸試樣變形前與拉伸斷裂后的直徑計算斷面收縮率ψ（每組試樣算三組數(shù)據(jù)，求平均值）。結果見表3 與圖7、圖8.

表3 合金的力學性能

圖7 抗拉強度曲線圖

圖8 斷面收縮率曲線

由表3 和圖7 可以看出，Zr 質(zhì)量分數(shù)為0.6%時AZ91 鑄態(tài)鎂合金的抗拉強度最大，為185.17 MPa.說明隨著鋯含量的增大，可使AZ91 鑄態(tài)鎂合金的抗拉強度提高，但是當鋯質(zhì)量分數(shù)達到0.9%時，AZ91鑄態(tài)鎂合金的抗拉強度反而減小。

由圖8 可以看出鋯質(zhì)量分數(shù)為0.6%時的AZ91鑄態(tài)鎂合金試樣的斷面收縮率最大。

從本次實驗結果看0.6%Zr 的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的力學性能最好；Zr 質(zhì)量分數(shù)對鑄態(tài)AZ91 鎂合金的力學性能影響的準確拐點，需要在0.6%～0.9%Zr 之間的鎂合金再做相關實驗。

2.2.3 分析與討論

在本實驗條件下鋯含量為0.6%的鑄態(tài)AZ91抗拉強度最大，為185.17 MPa，硬度平均值最大（51.4）.說明鋯質(zhì)量分數(shù)為0.6%的鑄態(tài)AZ91 的力學性能最好。

根據(jù)Hall-Petch 公式[5]，

式中：σ0—單晶體屈服強度；

K—Petch 斜率；

d—晶粒直徑。

得到鎂合金的屈服強度與晶粒大小的關系為：減小晶粒的尺寸，可以明顯的提高鎂合金的屈服強度。據(jù)文獻資料[6-7]研究表明，對于擁有著密排六方結構的鎂合金而言，晶粒的細化作用對強度的提高要比其自身結構對其影響大很多。

隨著Zr 含量的適量增加，第二相的組織顆粒變得越來越細小并且彌散程度更加均勻，鑄態(tài)AZ91鎂合金的晶粒得到進一步的細化，因而晶界增多，能夠有效的阻礙位錯的運動，大大的增強合金的抵抗變形的能力，從而提高合金的強度和硬度[3，8，9]。

在細晶強化的時候，滑移的傳遞非常重要，而晶界對滑移的傳遞具有阻礙作用，晶界的前方存在應力集中，這種應力集中會使得更多滑移系被激活，滑移系的激活會導致合金的整體變形更加均勻，從而使合金強度和韌性等性能提高[9]。因此對密排六方結構的鎂合金來說，晶粒強化效果將會更加明顯。因此，人們一般通過細化晶粒來獲得高強鎂基合金[5，10]。

3 結論

本文主要研究了Zr 質(zhì)量分數(shù)為0.3%，0.6%，0.9%的鑄態(tài)AZ91 的顯微組織和力學性能，得出以下結論：

1）Zr 元素的適量加入，能夠有效細化鑄態(tài)AZ91 鎂合金的晶粒，可提高鑄態(tài)AZ91 鎂合金的室溫抗拉強度和斷面收縮率，但當Zr 質(zhì)量分數(shù)達到一定數(shù)值后晶粒的細化效果將變差，室溫抗拉強度和斷面收縮率反而減??；

2）本次實驗中Zr 質(zhì)量分數(shù)為0.6%時鑄態(tài)AZ91 鎂合金性能最佳，關于Zr 質(zhì)量分數(shù)對鑄態(tài)AZ91 鎂合金的力學性能影響的準確拐點還需要再做實驗深入研究確定。