佘慶元1,2,嚴(yán)紅革1,2,陳吉華1,2,蘇斌1,2,陳潮1,2,陸梅1,曹夢馨1,余浪1
(湖南大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院;2.噴射沉積技術(shù)及應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙410082)
摘 要:對(duì)鑄態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn(x 分別為0,0.3,0.6,0.9,質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)合金進(jìn)行了330℃×
24h+400℃×2h的均勻化處理,然后在應(yīng)變速率為9.1s-1條件下軋制成厚度為2mm 的合金
板,研究了錫添加量對(duì)鑄態(tài)和軋制態(tài)合金顯微組織和拉伸性能的影響.結(jié)果表明:錫的添加可以細(xì)
化試驗(yàn)合金的鑄態(tài)及其均勻化處理后的顯微組織,并形成高熔點(diǎn)Mg2Sn相,促進(jìn)后續(xù)軋制過程中試
驗(yàn)合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶并細(xì)化晶粒;經(jīng)軋制后,試驗(yàn)合金的拉伸性能優(yōu)于其鑄態(tài)的,且隨著錫含量的增
加,軋制態(tài)合金的強(qiáng)度與塑性呈先上升后下降的變化趨勢,其斷裂形式從準(zhǔn)解理斷裂逐漸向延性斷裂
轉(zhuǎn)變;MgG5ZnG1MnG0.6Sn合金的拉伸性能最佳,其抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為337MPa和21%.
關(guān)鍵詞:MgGZnGMnGSn合金;動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;顯微組織;拉伸性能
中圖分類號(hào):TG146.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000G3738(2017)05G0001G06
InfluenceofSnonMicrostructureandTensilePropertyofMgG5ZnG1MnAlloy
SHEQingyuan1,2,YAN Hongge1,2,CHENJihua1,2,SUBin1,2,CHENChao1,2,LU Mei1,CAO Mengxin1,YULang1
(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering;2.TheKeyLaboratoryofSprayDepositionTechniqueandApplicationofHunanProvince,HunanUniversity,Changsha410082,China)
Abstract:TheasGcastMgG5ZnGMnGxSn(x=0,0.3,0.6,0.9,massfraction/%)alloyswerehomogenizedwithprocessof330 ℃×24h+400 ℃ ×2h,andthenrolledinto2 mmthickalloyplatesatthestrainrateof9.1s-1.TheinfluenceofSnadditiononthemicrostructuresandtensilepropertiesofasGcastandasGrolledalloyswasstudied.TheresultsshowthattheSnadditioncanrefinethemicrostructureoftheasGcastalloysandhomogenizedalloys,leadingtotheformationofthe Mg2Snphasewithhigh meltingpoint,whichcanpromotethedynamicrecrystallizationandrefinethegrainsizeduringthesubsequentrollingprocess.Afterrolling,thetensilepropertyof
thetestedalloywasbetterthanthatofasGcastalloy.MeanwhilewiththeincreaseofSncontent,thestrengthand
plasticityofasGrolledalloyfirstincreasedthendecreased,andthefracturemodetransformedfromquasiGcleavage
fracturetoplasticfracture.ThetensilepropertyofMgG5ZnG1MnG0.6Snalloywasthebestwiththetensilestrength
andelongationof337MPaand21%,respectively.
Keywords:MgGZnGMnGSnalloy;dynamicrecrystallization;microstructure;tensileproperty
0 引 言
鎂合金由于具有比強(qiáng)度和比剛度高、減振性能好、電磁屏蔽能力強(qiáng)和機(jī)加工性能良好等優(yōu)點(diǎn),廣泛
應(yīng)用于國防軍工、汽車和航空航天等領(lǐng)域[1G2].MgGZnGZr系合金具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和耐蝕性等特點(diǎn),是目前性能最優(yōu)越的高強(qiáng)變形鎂合金之一[3].與該系合金相比,MgGZnGMn系合金可以時(shí)效強(qiáng)化,生活工藝簡單且價(jià)格低廉,因此具有更加廣闊的應(yīng)用前景.張丁非等在310℃對(duì)MgG6ZnG1Mn合金進(jìn)行了擠壓變形和固溶+雙級(jí)時(shí)效處理,顯著提高了其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,其強(qiáng)度達(dá)到了高強(qiáng)變形ZK60鎂合金的水平[4].然而,至今為止,尚未見有關(guān)軋制態(tài)高鋅含量MgGZnGMn系合金組織與性能研究的報(bào)道.
合金化是改善鎂合金力學(xué)性能的常用方法.根據(jù)MgGSn相圖可知,高溫下錫在鎂中具有較高的固溶度,加入錫能使鎂合金產(chǎn)生明顯的時(shí)效硬化效果,顯著提高其力學(xué)性能.CHEN 等研究了錫的添加對(duì)MgGZnGAl合金性能的影響,發(fā)現(xiàn)錫不僅可以細(xì)化其鑄態(tài)組織,還可以抑制其共晶轉(zhuǎn)變,細(xì)化MgGZn離異共晶組織[5].HOU 等研究了擠壓態(tài)及時(shí)效態(tài)MgG6ZnG1MnG4SnGxY(x 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同)合金的組及性能,結(jié)果表明釔可以有效細(xì)化該合金擠壓態(tài)及時(shí)效態(tài)晶粒并提高其力學(xué)性能[6].QI等研究了錫對(duì)壓態(tài)MgGZnGMn合金性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著錫含量的增加,該合金的強(qiáng)度逐漸增大,而塑性則逐漸降[7].
此外,通過擠壓、軋制等塑性變形方法也可以有效地細(xì)化合金晶粒,提高合金性能.高應(yīng)變速率軋制是一種高效的鎂合金軋制工藝,在高應(yīng)變速率條件下,鎂合金更易發(fā)生孿生及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,抑制裂紋
的萌生,從而提高其軋制過程中的成形性能[8].ZHU 等通過高應(yīng)變速率軋制工藝成功制備出了性能優(yōu)異的超細(xì)晶ZK60合金[9].為了獲得高性能的MgGZnGMn系合金板,作者以MgG5ZnG1Mn合金為研對(duì)象,研究了錫加入量對(duì)均勻化處理前后該鑄態(tài)合金的顯微組織,以及高應(yīng)變速率軋制后合金顯
微組織和拉伸性能的影響.
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)原料為工業(yè)純鎂錠、鋅錠、電解錳和錫粒,純度均在99.9% 以上. 按照名義成分MgG5ZnG1MnGxSn(x 分別為0,0.3,0.6,0.9)稱取原料,在45鋼坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉,熔煉溫度為760℃,采用RJG2熔劑進(jìn)行熔體覆蓋保護(hù)和精煉,并使用氬氣作為保護(hù)氣體以排除氧氣的影響,鑄錠的尺寸為120mm×120mm×300mm.用帶石墨的沙子覆蓋鑄錠防止氧化,在箱式電阻爐中進(jìn)行均勻化處理.基于前期工作,將均勻化處理工藝定為330 ℃ ×24h+400℃×2h.將均勻化后的鑄錠分割成厚度為10mm 的板坯,預(yù)熱至350 ℃保溫8min后,進(jìn)行高應(yīng)變速率軋制,一道次將板坯從10mm軋制至2mm,變形量為80%,軋制過程的平均應(yīng)變速率為9.1s-1.在均勻化處理前后的鑄態(tài)合金和軋制態(tài)合金上分別截取金相試樣,用過飽和苦味酸溶液(0.3g苦味酸+1mL冰醋酸+1.5mL水+10mL酒精)腐蝕后,使用LeitzMMG光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織;采用FEIQuanta200型環(huán)境掃描電鏡(SEM)觀察鑄態(tài)及軋制態(tài)顯微組織,用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)化學(xué)成分.使用D5000型X 射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析,采用銅靶,加速電壓為3kV,電流為20mA,掃描速率為8(°)??min-1,掃描范圍為20°至80°.采用線切割法沿軋制方向在軋制態(tài)合金上切取尺寸為55 mm×10 mm 的拉伸試樣,標(biāo)距為15mm,根據(jù)GB/T228-2002,在Instron3369型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能試驗(yàn),拉伸速度為0.5mm??min-1,利用FEIQuanta200型環(huán)境掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌.
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 鑄態(tài)及均勻化處理態(tài)的顯微組織
由圖1可知:試驗(yàn)合金的鑄態(tài)顯微組織主要由αGMg基體和偏聚在晶界及枝晶間的Mg7Zn3 相組成;隨著錫的加入,顯微組織中出現(xiàn)了一些彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn),且第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量隨著錫含量的增加而增多.由圖2 可見:鑄態(tài)MgG5ZnG1Mn 合金和MgG5ZnG1MnG0.3Sn 合金均主要由αGMg,Mg7Zn3 和MgZn2 組成;隨著錫含量的進(jìn)一步增加,試驗(yàn)合金中出現(xiàn)了Mg2Sn相.由圖3和表1可以看出:MgG5ZnG1Mn合金中晶界處塊狀第二相(如A 和B所示)主要由鎂和鋅元素組成,鎂和鋅的原子比接近7∶3,推測可知這些塊狀第二相為Mg7Zn3 相.MgG5ZnG1MnG0.9Sn合金中除了在晶界處存在大塊狀第二相(如C 所示)以外,在晶界處和晶粒內(nèi)部還出現(xiàn)了許多顆粒狀第二相(如D,E所示);晶界處大塊狀第二相由鎂和鋅組成,且鎂和鋅的原子比接近7∶3,為Mg7Zn3 相;顆粒狀第二相主要由鎂和錫元素組成,鎂和錫的原子比分別為16∶3和72∶25,該第二相中的錫含量遠(yuǎn)比合金中的高.在進(jìn)行EDS測試時(shí),由于顆粒狀第二相比較細(xì)小,電子束可能作用到鎂基體上,導(dǎo)致鎂含量偏高.結(jié)合圖2分析,可以推測顆粒狀第二相
為Mg2Sn相.由圖4可見,均勻化處理態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金中的枝晶偏析絕大部分已消除,晶界處非平衡第二相基本溶入鎂基體中,晶界清晰,均勻化效果很好.然而,晶界處和晶粒內(nèi)部仍然存在少許未溶的第二相,其數(shù)量隨著錫含量的增加而增多.Mg2Sn相一種高溫相,當(dāng)MgGZn相已基本固溶進(jìn)基體時(shí),仍然有許多Mg2Sn相殘留。
圖1 鑄態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金的顯微組織
Fig.1 MicrostructuresofasGcastMgG5ZnG1MnGxSnalloys
圖2 鑄態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金的XRD 譜
Fig.2 XRDpatternsofasGcastMgG5ZnG1MnGxSnalloys
圖3 鑄態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金的背散射電子像
Fig.3 BackscatteredelectronimagesofasGcastMgG5ZnG1MnxSnalloys
圖4 均勻化處理態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金的顯微組織
Fig.4 MicrostructuresofhomogenizedMgG5ZnG1MnGxSnalloys
由圖5可見,隨著錫含量的增加,均勻化處理態(tài)和鑄態(tài)合金的晶粒均逐漸細(xì)化.
圖5 鑄態(tài)及均勻化處理態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金的平均粒徑
Fig.5 AveragegrainsizeofasGcastandhomogenizedMgG5ZnG1MnGxSnalloys
2.2 軋制態(tài)顯微組織
由圖6可見,軋制后試驗(yàn)合金均發(fā)生了比較完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,獲得了細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,且再結(jié)晶晶粒尺寸隨著錫含量的增加而減小.當(dāng)x分別為0,0.3時(shí),合金組織均主要由均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒組成,平均晶粒尺寸分別為6.3,5.5μm;當(dāng)x 分別為0.6,0.9時(shí),再結(jié)晶組織不均勻,某些區(qū)域的晶粒極為
細(xì)小,平均晶粒尺寸分別4.2,3.3μm.錫的加入對(duì)MgGZnGMn合金再結(jié)晶過程和再結(jié)晶晶粒尺寸存在顯著影響,其影響機(jī)制如下:第一,錫可細(xì)化合金的初始晶粒,進(jìn)而影響合金在軋制過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.合金的再結(jié)晶晶粒尺寸很大程度上取決于其初始晶粒尺寸[10].結(jié)合圖5分析
可見,錫含量越高,合金的初始晶粒尺寸越小,軋制態(tài)合金的晶粒也越小.第二,錫在鎂合金中以兩種
形式存在,一種固溶于鎂基體中,另一種以Mg2Sn金屬間化合物的形式存在.固溶入鎂基體中的錫具
有降低鎂合金層錯(cuò)能的作用[11G12],而層錯(cuò)能對(duì)合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程有很大的影響.層錯(cuò)能越低,擴(kuò)展位錯(cuò)越寬,從而導(dǎo)致擴(kuò)展位錯(cuò)難以束集,無法通過交滑移和攀移與異號(hào)位錯(cuò)相互抵消,導(dǎo)致合金中形成比較高的位錯(cuò)密度,產(chǎn)生充足的變形貯能,進(jìn)而促進(jìn)再結(jié)晶的發(fā)生[13].因此,加入錫后合金的再結(jié)晶晶粒較為細(xì)小.同時(shí),均勻化過程中未溶入基體的Mg2Sn相也會(huì)對(duì)再結(jié)晶過程產(chǎn)生重要的影響. 在軋制和擠壓等熱加工過程中,第二相顆??梢宰鳛樾魏速|(zhì)點(diǎn)誘導(dǎo)粒子形核[14G15].Mg2Sn相顆粒一方面會(huì)在變形過程中導(dǎo)致位錯(cuò)塞積,進(jìn)而提高變形能和再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力,另一方面它能作為再結(jié)晶的形核質(zhì)點(diǎn),促進(jìn)再結(jié)晶過程的進(jìn)行。
圖6 軋制態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金的顯微組織
Fig.6 MicrostructuresofasGrolledMgG5ZnG1MnGxSnalloys
由表2可見:軋制態(tài)合金的拉伸性能優(yōu)于鑄態(tài)合金的,軋制態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度隨著錫含量的增加而增大;當(dāng)x=0.6時(shí),軋制態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大,為337MPa,比未添加錫(x=0)的提高了17.4%,且伸長率也有所增大;當(dāng)x=0.9時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度又有所下降,相對(duì)x=0.6的下降了7.1%,同時(shí)伸長率顯著下降。
由此可見,錫的添加可以有效提高軋制態(tài)MgGZnGMn合金的拉伸性能,但錫過量時(shí)又會(huì)降低其性能. 鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu),由于其HallGPetch關(guān)系因子較大,與面心立方及體心立方金屬相比,由晶粒細(xì)化而導(dǎo)致的強(qiáng)化效果更加顯著[16].晶粒細(xì)化意味著晶界的增多,而晶界的存在可以有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),因此試驗(yàn)合金中的細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒顯著地提高了其強(qiáng)度.同時(shí),細(xì)小第二相也能起到釘扎位錯(cuò)及晶界的作用,也在一定程度上提高了合金的強(qiáng)度.然而當(dāng)錫加入量過多時(shí),合金中殘留的第二相明顯粗化.粗化的第二相降低了其與基體間的結(jié)合性能,并在熱變形過程中成為裂紋源,進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能.
2.4 斷口形貌
由圖7可見:未添加錫的軋制態(tài)合金拉伸斷口存在一定數(shù)量的韌窩和部分解理面,具有準(zhǔn)解理斷裂特征;隨著錫含量的增加,韌窩數(shù)量不斷增多且韌窩變深,斷裂形式從準(zhǔn)解理斷裂向延性斷裂發(fā)展,合金的塑性提高.此外,在韌窩底部存在一些第二相顆粒,主要是由合金中的第二相在拉伸變形過程中與基體發(fā)生分離形成的。
圖7 軋制態(tài)MgG5ZnG1MnGxSn合金的拉伸斷口形貌
Fig.7 TensilefracturemorphologyofasGrolledMgG5ZnG1MnxSnalloys5
3 結(jié) 論
(1)錫的添加可以細(xì)化鑄態(tài)MgGZnGMn合金及其均勻化處理后的組織,隨著錫含量的增加,晶粒尺寸漸減小;添加錫后試驗(yàn)合金中均形成了高熔點(diǎn)的Mg2Sn第二相,Mg2Sn相在均勻化過程中無法完全固溶入鎂基體中,進(jìn)而影響后續(xù)的軋制變形.
(2)錫的添加可以促進(jìn)試驗(yàn)合金在軋制過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的進(jìn)行,隨著錫含量的增加,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越來越充分,所形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒也越發(fā)細(xì)小均勻.
(3)MgG5ZnG1MnGxSn合金經(jīng)過350℃高應(yīng)變速率軋制后的拉伸性能優(yōu)于其鑄態(tài)的;隨著錫含量的增加,軋制態(tài)合金的強(qiáng)度與塑性呈先上升后下降的趨勢,其斷裂形式從準(zhǔn)解理斷裂逐漸向延性斷裂轉(zhuǎn)變;MgG5ZnG1MnG0.6Sn合金的拉伸性能最佳,其抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為337MPa和21%.