碳和堿土元素復合細化對Mg-3Al合金抗拉強度的影響

韓 棟,杜 軍,李文芳

(華南理工大學材料科學與工程學院,廣州510640)

碳和堿土元素復合細化對Mg-3Al合金抗拉強度的影響

韓 棟,杜 軍,李文芳

(華南理工大學材料科學與工程學院,廣州510640)

利用碳和堿土金屬(Ca和Sr)對Mg-3Al合金進行單獨或復合細化處理,研究其晶粒細化效果及其晶粒細化對Mg-3Al合金抗拉強度特性的影響規律。結果表明:0.2%C(質量分數,下同)、0.2%Ca及0.2%Sr均可顯著細化Mg-3Al合金,而經0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復合細化可進一步提高細化效果。細化后Mg-3Al合金的拉伸性能明顯提高,經復合細化后合金的極限抗拉強度和斷裂伸長率分別提高了20%和40%。晶粒細化影響Mg-3Al合金的斷裂機制,由具有粗大解理面的解理斷裂模式轉變為解理和準解理的混合斷裂模式。

Mg-Al合金;晶粒細化;堿土元素;碳;拉伸性能

鎂合金作為最輕質的金屬結構材料,被譽為21世紀的“綠色材料”,在汽車和電子領域具有廣闊的應用前景[1,2],但鎂合金較差的塑性變形能力及其較低的絕對強度使其應用受到一定的限制。眾所周知,晶粒細化是改善金屬制品強度性能的有效途徑。在商用鎂合金中,Mg-Al系合金占據主導地位,Mg-Al系合金晶粒細化的常見方法有碳質孕育法[3-5]和微量元素合金化法[5-7]。對于碳質孕育法,其細化機理為碳原子與鋁相互作用生成大量彌散分布的Al4C3質點作為Mg晶粒的形核核心所致[4,5]。而對于微量元素合金化法,其細化作用主要是由于凝固過程中所產生的溶質偏析抑制晶粒生長有關。其中堿土元素Ca和Sr被認為是細化Mg-Al系合金晶粒的有效元素[5-7]。

根據經典的凝固理論,金屬制品的晶粒尺寸可通過增加熔融液中的有效晶核數目和增大在凝固過程中的溶質偏析抑制晶粒生長兩方面的綜合作用加以控制[5]。顯然,碳質孕育法和微量元素合金化法分別從屬于上述兩個方面。因此,如能對Mg-Al合金進行碳質孕育和微量元素合金化復合處理,應可獲得更高的細化效果。本工作基于這一研究思路,對比研究了碳質孕育、Ca和Sr合金化及其兩者綜合作用對Mg-Al合金晶粒細化效果的影響,并測試經不同工藝細化處理的Mg-Al合金抗拉強度,以期對 Mg-Al合金晶粒細化劑的研制提供一定的參考。

1 實驗方法

本研究所用原材料包括高純鎂、高純鋁、Al-15%(質量分數,下同)Ca和 Al-15%Sr中間合金。為使石墨粉能均勻分散到Mg-Al熔融液以實現碳質孕育,本工作利用石墨粉、鎂粉、鋁粉按1∶5∶4(質量比)混合并用冷等靜壓機壓制獲得含石墨的Al-Mg-C顆粒。

所細化的合金組分選定為Mg-3Al,在熔化過程中含石墨的顆粒中鋁的含量及Al-15%Ca和Al-15%Sr中間合金中鋁的含量均考慮在內。試樣制備過程如下:將純鎂、純鋁、Al-15%Ca或 Al-15%Sr中間合金一同熔化,所用坩堝為高純MgO(99.5%)坩堝,熔化溫度為750℃。熔化后經適當攪拌后投入含石墨的Al-Mg-C顆粒,靜置10min后再攪拌,再靜置10min后澆鑄。澆鑄模具為銅模,尺寸為10mm×60mm×70mm,模具預熱溫度為600℃。本研究中共制備了6種樣品,分別是未處理的Mg-3Al合金,及其分別經0.2%C,0.2%Ca和 0.2%Sr細化,以及 0.2%C和0.2%Ca,0.2%C和0.2%Sr復合細化處理的Mg-3Al合金。

距澆鑄試塊底部20mm和側部10mm處切割制取金相觀察樣品,經研磨、拋光后利用苦味酸酒精溶液腐蝕,并用Olympus BX50型號的光學顯微鏡觀察,拍攝金相照片,并利用線截距法估計晶粒尺寸。利用線切割加工拉伸試樣,其尺寸為6mm×2mm×30mm,每種樣品制備5個拉伸試樣,并利用AG-2000型材料測試機進行測試,拉伸速率為1mm/min。含碳晶核結構觀測及其拉伸斷口形貌觀察均在J EOL JSM 6330F掃描電子顯微鏡(SEM)上進行。

2 實驗結果與分析

2.1 晶粒細化效果與分析

圖1所示為經不同細化方法制備的Mg-3Al合金的金相組織照片。對于未經處理的Mg-3Al合金,其晶粒尺寸約550μm(圖1(a))。而經0.2%C細化后,晶粒尺寸明顯細化,由550μm降低到220μm(圖1(b))。對于經0.2%Ca或0.2%Sr細化的 Mg-3Al合金,其細化程度與0.2%C的細化程度相當,晶粒尺寸也約為220μm(圖1(c),(d))。而從圖1(e)和圖1(f)可以看出,經0.2%C和 0.2%Ca或 0.2%Sr復合細化處理后Mg-3Al的晶粒尺寸進一步細化,晶粒尺寸降低至約120μm。可見,經碳和堿土金屬的復合細化可顯著提高Mg-Al的晶粒細化效果。

圖1 經不同工藝細化的Mg-3Al合金金相組織 (a)未處理;(b)0.2%C細化;(c)0.2%Ca細化;(d)0.2%Sr細化;(e)0.2%C+0.2%Ca復合細化;(f)0.2%C+0.2%Sr復合細化Fig.1 Grain morphologies of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

對于Mg-Al系合金的碳質孕育細化,碳與Al在Mg熔體中反應生成的Al4C3顆粒作為Mg晶粒的形核核心是導致細化的主要機制[4,5]。因Al4C3極易水解[8],在金相試樣制備過程中常觀測到 Al-C-O顆粒[8,9],在本研究中經碳質孕育以及碳和堿土金屬復合細化的樣品中均可觀察到Al-C-O顆粒。圖2所示即為經0.2%C細化的Mg-3Al合金樣品中Al-C-O顆粒的典型形貌和EDS能譜。在碳和堿土金屬復合細化條件下,一方面大量Al4C3顆粒的生成可促進Mg晶粒數量的增加;另一方面在鎂合金凝固過程中,因堿土金屬的強烈偏析作用從而有效抑制Mg晶粒的生長,同時在固/液界面前沿形成成分過冷,并可能激活更多的形核質點,從而進一步增加有效晶核的數量[5,10]。上述因素的共同作用使得碳和堿土金屬復合細化可取得更好的晶粒細化效果。

圖2 經0.2%C細化處理的Mg-3Al合金中Al-C-O顆粒的典型形貌及其EDS能譜(a)Al-C-O顆粒的典型形貌;(b)EDS能譜Fig.2 SEM image of a Al-C-O particle in the Mg-3Al alloy modified by 0.2%C(a)and its typical EDS spectrum(b)

2.2 拉伸性能測試結果與分析

圖3所示為經不同處理細化的Mg-3Al合金的應力-應變曲線。相對于未處理的Mg-3Al合金,經細化處理后Mg-3Al合金的強度和伸長率均有不同程度的提高。對每個樣品進行了5次拉伸實驗,并得到了極限抗拉強度和斷裂伸長率的平均值及其誤差范圍,如圖4所示。對于未處理的Mg-3Al合金,其極限抗拉強度和斷裂伸長率分別是162MPa和 9.8%,而經0.2%C細化處理后,極限抗拉強度和斷裂伸長率分別提高到約180MPa和15%;而對于分別經0.2%Ca和0.2%Sr細化的樣品,其極限抗拉強度與0.2%C細化樣品相當,但其斷裂伸長率的提高幅度相對較低,約為12.5%。對于經0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復合細化的Mg-3Al合金樣品,其極限抗拉強度進一步提高,約為192MPa,但相對于0.2%C細化樣品,其斷裂伸長率沒有明顯變化,約為15%?？梢?經碳和堿土元素復合細化處理后Mg-3Al合金的力學性能得到顯著提高,與未處理的Mg-3Al合金相比,復合細化處理可使極限抗拉強度和斷裂伸長率分別提高約20%和40%。

圖3 經不同工藝細化的Mg-3Al合金的應力-應變曲線(a)未處理;(b)0.2%C細化;(c)0.2%Ca細化;(d)0.2%Sr細化;(e)0.2%C+0.2%Ca復合細化;(f)0.2%C+0.2%Sr復合細化Fig.3 The typical curves of tensile strengthvstensile strain for the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

眾所周知,極限抗拉強度和伸長率的提高與斷裂機制密切相關。對于鎂合金,因其具有密排六方結構,其斷裂機制主要以脆性的解理或準解理斷裂為主[11,12]。圖5所示為本研究所制備的六種樣品的拉伸斷口SEM照片。對于未細化的Mg-3Al合金,其斷口形貌(圖5(a))主要由光滑解理面(標記為A)以及帶有河流花樣的粗糙解理面(標記為B)組成?？梢妼τ诰ЯＯ鄬Υ执蟮腗g-3Al合金,其斷裂機制主要為解理斷裂。河流花樣代表兩個不在同一平面上的解理裂紋通過與主解理面相垂直的二次解理形成了解理臺階,而對于光滑解理面,則表明晶粒取向可能已經與主拉伸軸取向成直角,導致斷裂很容易在一個獨立的解理面上擴展。

圖4 經不同工藝細化的Mg-3Al合金的抗拉斷裂強度和斷裂應變 (a)未處理;(b)0.2%C細化;(c)0.2%Ca細化;(d)0.2%Sr細化;(e)0.2%C+0.2%Ca復合細化;(f)0.2%C+0.2%Sr復合細化Fig.4 Ultimate tensile strength and elongation to failure of the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

圖5 經不同工藝細化的Mg-3Al合金拉伸斷口形貌的SEM照片 (a)未處理;(b)0.2%C細化;(c)0.2%Ca細化;(d)0.2%Sr細化;(e)0.2%C+0.2%Ca復合細化;(f)0.2%C+0.2%Sr復合細化Fig.5 SEM images of the tensile fracture surfaces for the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

對于經0.2%C細化的Mg-3Al合金,其拉伸斷口(圖5(b))上很難觀察到光滑解理面。斷口主要由帶細河流花樣的小解理面以及具有明顯劇塑性變形的準解理面(標記為C)組成。圖5(c),(d)所示分別為經0.2%Ca和0.2%Sr細化的Mg-3Al合金拉伸斷口形貌,與0.2%C細化的Mg-3Al合金拉伸斷口形貌相比,經0.2%Ca或0.2%Sr細化的合金斷口中帶劇塑性變形的準解理面相對較少,其斷口主要由帶河流花樣的大解理面組成,這可能是由于Ca或Sr加入后合金中形成少量含有Ca或Sr的脆性合金相所致[6,7]。對于經0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復合細化的Mg-3Al合金,其拉伸斷口形貌(圖5(e),(f))與0.2%C細化的合金斷口形貌相似,主要由帶河流花樣的解理面和一些具有劇塑性變形的準解理面區域組成。該斷裂特征表明Mg-3Al合金經碳細化或碳與堿土元素復合細化后,因其細小的晶粒尺寸使其斷裂機制轉變為準解理和解理斷裂的混合模式,從而保證了經細化后合金的高強度和高延伸性能。

3 結論

(1)Mg-3Al合金經0.2%C細化處理后其晶粒尺寸顯著降低,而進一步復合0.2%Ca或0.2%Sr,可使Mg-3Al合金晶粒尺寸進一步細化。

(2)相對于未細化的Mg-3Al合金,經細化后合金的強度和伸長率均有不同程度的提高。經0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復合細化后處理的合金極限抗拉強度和斷裂伸長率分別提高了約20%和40%。

(3)對于未細化的Mg-3Al合金,其斷裂機制主要為具有粗大解理面的解理斷裂,而經0.2%C或0.2%C與堿土元素(0.2%Ca或0.2%Sr)復合細化后,斷裂機制轉變為解理和準解理斷裂的混合模式,斷口主要由帶細河流花樣的小解理面和劇塑性變形的準解理面組成。

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Effects of Grain Refinement on Tensile Properties of Mg-3Al Alloy Modified by Carbon and Alkaline-earth Elements

HAN Dong,DU Jun,LI Wen-fang
(School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The Mg-3Al alloy was modified by 0.2%C(mass fraction)and/or alkaline-earth elements of 0.2%Ca or 0.2%Sr to refine its grain size.The effect of grain refinement on the tensile properties of the Mg-3Al alloy was investigated.The results show that higher grain refining efficiency can be obtained for the Mg-3Al alloy modified by the combination of carbon and alkaline-earth elements.Compared to the Mg-3Al alloy without any treatment,the tensile properties of the Mg-3Al alloy are remarkably improved after being modified by the combination of carbon and a little addition of alkalineearth elements.The ultimate tensile strength and elongation to failure are improved by about 20%and 40%,respectively.After being refined either by carbon or by the combination of carbon and a little addition of alkaline-earth elements,the main fracture mechanism is changed from cleavage mode with large cleavage planes for the unrefined Mg-3Al alloy to mixed mode of cleavage and quasi-cleavage fracture.The fracture surfaces are almost composed of small cleavage planes with thin river patterns and quasi-cleavage planes with severe plastic deformation.

Mg-Al alloy;grain refinement;alkaline-earth element;carbon;tensile property

TG146.2+2

A

1001-4381(2011)05-0021-05

國家自然科學基金項目(50901034);華南理工大學中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(2009ZM0305);廣東省自然科學基金項目(05300139)

2010-02-01;

2010-11-13

韓棟(1986—),男,碩士研究生,從事金屬表面工程及輕合金強化方面研究工作,聯系地址:廣東省廣州市華南理工大學五山校區材料學院金屬系(510640),E-mail:99handong@163.com

杜軍(1975—),男,博士,副教授,主要研究方向:輕合金強化及其表面改性,聯系地址:廣東省廣州市華南理工大學五山校區8號樓材料學院金屬系(510640),E-mail:tandujun@sina.com