熱處理對反向擠壓AZ80鎂合金組織與性能的影響

劉春海，張振棟

(中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011)

鎂合金是目前工業應用中最輕的金屬結構材料，具有減震性好、比強度和比剛度高、易于回收，以及良好的鑄造、切削加工和電磁屏蔽等性能，被譽為“21世紀綠色工程材料”，早已引起了航空、汽車及電子工業的注意［1～4］.但是，鎂合金是密排六方結構(hcp)，獨立滑移系比較少，故其室溫塑性較低，塑性加工性能較差;大部分鎂合金產品主要通過鑄造的生產方式獲得.一般認為，變形鎂合金產品比鑄造鎂合金產品性能好.這是因為鎂合金熱變形后發生動態再結晶，動態再結晶后組織均勻，晶粒細化，并消除了鑄造缺陷的緣故［5］.目前，變形鎂合金的研究多為AZ系和ZK系，在AZ系中，AZ31和AZ91研究較多，而 AZ80研究較少，但AZ80鎂合金的強度和耐蝕性均優于AZ31鎂合金，與AZ91鎂合金相近.

AZ80鎂合金的性能可以通過熱處理來改善.但目前對AZ系鎂合金熱處理的研究主要是以鑄造態為主，而對經熱變形后的熱處理的研究較少.本文以此為切入點，研究熱處理對反向擠壓后AZ80鎂合金顯微組織和性能的影響.

1 實驗材料及方法

實驗所用材料是AZ80變形鎂合金，名義成分(質量分數)為 8%Al，0.5%Zn，0.2%Mn，余量為Mg.試樣在4 000 t生產用壓力機上反向擠壓.擠壓前，坯料預先在400℃ 下均勻化處理8 h.

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and dimensions of tensile specimen

擠壓完后，對AZ80鎂合金分別進行150℃×3 h的T5和400℃×5 h+水淬+150℃×3 h的T6熱處理.從不同熱處理后的AZ80鎂合金樣品上截取適合于組織觀察用和力學性能測試用尺寸的坯料樣品.將組織觀察用坯料樣品研磨后采用3%硝酸乙醇溶液進行金相腐蝕，然后在ZEISS Observer.A1m光學顯微鏡下進行金相組織分析;在日本日立公司S－4800Ⅱ型場發射掃描電鏡(SEM)上進行掃描電鏡觀察;并在日本理學D/MAX－2500/PC X射線衍射(XRD)儀上進行物相分析.將力學性能測試用坯料樣品加工成標距為25 mm的直徑為5 mm的拉伸試樣(如圖1所示)，在 Instron－4206型拉伸試驗機上進行拉伸.

2 結果與分析

2.1 熱處理對AZ80鎂合金顯微組織的影響

圖2為AZ80鎂合金不同狀態下XRD圖譜.可以看出，不同狀態下AZ80鎂合金的物相主要是由α－Mg與β－Mg17Al12相組成.在擠壓態下，β－Mg17Al12相峰值較低，這是因為在反向擠壓前坯料的均勻化處理過程中β－Mg17Al12相已固溶到基體中，在反向擠壓后，隨著溫度的降低，雖然β－Mg17Al12相從基體中析出，但析出較少所致;經過T6固溶時效后的XRD峰值與擠壓態相似，即β－Mg17Al12相析出量與擠壓態析出量相差不大，這是因為T6處理中的400℃ ×5 h+水淬處理使得反向擠壓后析出的β－Mg17Al12相溶入基體中形成過飽和固溶體，之后的150℃ ×3 h人工時效使得過飽和固溶體發生分解，β－Mg17Al12相從過飽和固溶體中析出，但由于時效時間較短，所以析出量與400℃ ×5 h+水淬處理前類似;從T5時效處理后的XRD圖譜上可以看出，β－Mg17Al12相的(330)衍射峰明顯增強，α－Mg基體的(010)衍射峰明顯減弱、(100)增強，即T5時效處理后AZ80合金中β－Mg17Al12相的量多于擠壓態下合金中的量，這是因為T5處理是在反向擠壓基礎上進行人工時效，時效過程中大量β－Mg17Al12相從基體中析出所致.

圖2 AZ80鎂合金不同狀態下的XRD圖譜Fig.2 XRD patters of AZ80 magnesium alloy through different treatments

圖3為AZ80鎂合金不同狀態下的顯微組織形貌.可以看出，經反向擠壓后，AZ80鎂合金發生明顯動態再結晶，且比較徹底，故得到無畸變的等軸晶粒，晶粒明顯細化，尺寸僅20 μm左右;此外析出大量β－Mg17Al12第二相，分布不均勻;從金相圖片(圖3(a))可以看出，第二相沿變形方向呈帶狀分布，從SEM圖片(圖3(d))可以看出，第二相沿晶界析出，向晶內長大，呈層片狀，層片較窄，尺寸較小.經過T6熱處理后，AZ80鎂合金晶粒尺寸與擠壓態相差不大，從其金相圖片(圖3(b))可以看出，β－Mg17Al12相也沿晶界析出，向晶內長大，從 SEM圖片(圖3(e))可以看出，β－Mg17Al12相仍呈層片狀，但層片較寬，尺寸較大.經過T5人工時效熱處理后，從金相圖片(圖3(c))可以看出，β－Mg17Al12相析出較多，分布相對均勻，這是因為在人工時效過程中，這些第二相不斷從晶界處析出長大，同時也不斷為第二相析出提供形核位置，隨著時效過程的進行，胞狀脫溶產物按著一定取向關系逐漸向晶內推進，并最終充滿整個晶粒;從SEM圖片(圖3(f))可以看出，除了有層片狀的β－Mg17Al12相外，還在晶粒內部存在大量尺寸較小(僅1 μm左右)、彌散分布的顆粒狀β－Mg17Al12相.

研究 表 明［6～9］，AZ80 鎂 合 金 中 第 二 相β－Mg17Al12以兩種方式析出，分別為不連續析出和連續析出.不連續析出一般是指:因為晶界處能量比較高，在晶界處生成較為粗大的沉淀物的過程.第二相析出過程中，析出產物在晶界處形核，在界面擴散速度遠大于體擴散速度時，會出現兩相式析出:a→a'+b，其中a為過飽和固溶體，b為平衡脫溶相，a'為有一定過飽和度的a相.a'和b成片層狀，片層狀產物界面向過飽和的基體推進.雖然a和a'相晶體結構相同，但成分不同，并由界面分開，也就是在這個意義上稱之為不連續析出.連續析出是指:在晶粒內生成大量細小的沉淀物的過程，一般是由于晶界處被連續分布的第二相占據而無法生成不連續沉淀造成的.AZ80鎂合金經T6熱處理后，β－Mg17Al12相以不連續析出的方式從晶界處析出，呈層片狀;經T5熱處理后，β－Mg17Al12相在晶內以連續析出的方式析出，呈顆粒狀彌散分布.

圖3 AZ80鎂合金不同狀態下顯微組織形貌Fig.3 Microstructural morphologies of AZ80 magnesium alloy through different treatments

2.2 熱處理對AZ80鎂合金性能的影響

圖4為AZ80鎂合金不同狀態下的力學性能.可以看出，經過反向擠壓后AZ80鎂合金發生明顯動態再結晶，晶粒得到細化，力學性能較好.經T6熱處理后，β－Mg17Al12相沿晶界析出，由于時效時間較短，脆性的β－Mg17Al12相相對較少，與擠壓態相比，減輕了對基體的割裂作用，故導致強度降低，而延伸率增加.經T5熱處理后，β－Mg17Al12相不斷從α－Mg基體中在晶界以不連續方式呈層片狀，在晶內以連續方式呈細小顆粒狀析出，數量明顯高于擠壓態，故導致強度明顯提高，而延伸率明顯下降.

圖5為不同狀態AZ80鎂合金的拉伸斷口形貌.由于鎂合金滑移系少，很少出現多系滑移，而開動多系滑移才能形成韌窩，所以解理斷裂、準解理斷裂和沿晶斷裂是鎂合金最主要的斷裂方式［10，11］.本研究的斷口形貌觀察結果顯示，擠壓態合金的斷口為較大的解理小刻面和由解理臺階形成的大量河流花樣，只存在極少且小的韌窩，屬明顯的解理斷裂;經T6熱處理后的斷口中韌窩明顯增多，呈現微觀塑性特征，說明經T6熱處理后AZ80鎂合金塑性變好;經T5熱處理后的斷口中韌窩狀特征基本觀察不到，這與該狀態合金的塑性最低是一致的，其核心原因正是由于該狀態下析出了大量彌散分布的脆性β－Mg17Al12相所致.總之，雖然熱處理對AZ80鎂合金的斷裂特征有影響，但不能從根本上改變鎂合金以解理斷裂和準解理斷裂為主的特征.

圖4 AZ80鎂合金不同狀態下的力學性能Fig.4 Mechanical properties of AZ80 magnesium alloy through different treatments

圖5 不同狀態AZ80鎂合金的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fractography of AZ80 magnesium alloy through different treatments

3 結論

(1)AZ80鎂合金經反向擠壓后發生動態再結晶，晶粒細化，析出的β－Mg17Al12相分布不均勻，呈層片狀，層片較窄，尺寸較小;

(2)經T6熱處理后，β－Mg17Al12相仍呈層片狀沿晶界析出，向晶內長大，層片較寬，尺寸較大，合金強度降低，延伸率增加;

(3)經 T5熱處理后，β－Mg17Al12相大量析出，分布均勻，在晶界處呈層片狀，在晶內呈顆粒狀，數量較多，且尺寸較小，合金強度增加，但塑性降低.

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