M g-5Gd-4Y-0.3Zr 合金組織和力學性能研究

符韻,沈蕾芳,項運良,夏祥生,趙志翔,寧海青

(西南技術工程研究所,重慶400039)

M g-5Gd-4Y-0.3Zr 合金組織和力學性能研究

符韻,沈蕾芳,項運良,夏祥生,趙志翔,寧海青

(西南技術工程研究所,重慶400039)

目的研究均勻化、擠壓及時效熱處理對Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金組織和力學性能的影響。方法制備了Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金鑄棒,并進行了均勻化處理和熱擠壓處理。對不同狀態的試樣進行了拉伸試驗,觀察了金相顯微組織,采用X射線衍射方法進行了結構分析。結果鑄態合金組織主要由α-Mg基體和第二相Mg5(Gd,Y)組成;經過均勻化處理后,合金的第二相發生了完全回溶,合金的力學性能得到了提升;合金經擠壓后,組織得到了明顯細化,在200℃保溫60 h得到了強度的最大值,抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為423.0 MPa,335.0 MPa與9.0%。結論Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金既保證了低成本,又具有優良的力學性能,適合推廣應用。

Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金;熱擠壓;顯微組織;力學性能

鎂合金是目前工業上可應用密度最小的金屬結構材料,還具有高的比強度與比剛度、尺寸穩定與高切屑性能等優點[1—3],在航空航天、國防軍工、汽車、3C等領域具有較好的應用前景[4]。目前鎂合金主要應用于非承力的殼體類零件,此類零件主要采用鑄造的方法生產。鎂合金經過塑性變形后,晶粒得到細化,鑄造組織缺陷得到消除,合金的性能得到大幅度的提升。目前應用較廣的變形鎂合金主要包括AZ,AM,ZK系,這幾種系列的鎂合金抗拉強度很難大于400 MPa,特別是150℃以上時的耐熱性能較低,不能滿足國防軍工等領域用鎂合金替代中等強度鋁合金的需求。研究表明,添加Gd和Y等稀土元素的鎂合金具有較高的室溫及高溫力學性能,具有較好的應用前景[5]。張新明等人[6]對Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金的研究表明,合金經擠壓與時效后的抗拉強度、屈服強度及伸長率分別為370 MPa,350 MPa,3.5%。張家振等人[7]研究了熱處理對Mg-9.42Gd-2.13Y-0.6Zr合金組織和性能的影響,合金在220℃/18 h時效后,抗拉強度、屈服強度及伸長率分別達到420 MPa,310 MPa,7.5%。袁武華等人[8]對軋制與T5處理后Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金顯微組織和力學性能的研究表明,合金的室溫抗拉強度與伸長率分別為374 MPa和2.2%,200℃與250℃時抗拉強度分別為392 MPa與381 MPa,在高溫下仍具有較高的性能。然而,以上研究的Mg-Gd-Y系合金都含有較高的稀土元素,盡管表現出了優良的力學性能,這勢必會大幅提高合金成本,不利于合金的廣泛應用?；诖?文中制備了低稀土含量的Mg-Gd-Y系鎂合金,并采用半連續鑄造工藝制備了大規格鑄棒,并分析了合金在均勻化與擠壓等過程中的顯微組織與力學性能變化,以期為此合金的廣泛應用提供理論及試驗數據。

1 實驗

實驗原材料為99.99%的純Mg和Mg-30Gd,Mg-30Y,Mg-30Zr中間合金,采用中頻感應爐進行合金熔煉,采用5#溶劑進行保護。先將純鎂在坩堝中熔化,待溫度上升到780℃時,分別加入Mg-30Gd,Mg-30Y,Mg-30Zr中間合金,然后繼續升溫到780℃后進行人工攪拌和Ar氣噴吹并靜置,待溫度降低到720℃左右時進行半連續澆注,澆注速度在20～40 mm/min之間;鑄棒規格為φ450 mm。合金的實際化學成分(質量分數)如下:Gd為51.2%,Y為42%,Zr為4.3%,Fe為小于 0.05%,Si為小于 0.05%,Ni為小于0.05%,Mg為余量。

將半連續鑄棒車皮后進行均勻化處理,溫度分別為480,500,520℃,時間為6 h;均勻化完成后在420℃進行熱擠壓,擠壓速度為4 mm/s,擠壓比為17與25。對擠壓后的棒材在200℃保溫不同時間進行時效處理,分別在鑄態、均勻態、擠壓態合金中制取標準拉伸試樣各4根。常溫拉伸試驗在MTS810拉伸試驗機上進行,拉伸速度為2 mm/min。在Zeiss光學顯微鏡上進行顯微組織觀察。

2 結果及分析

2.1 鑄態顯微組織

圖1所示為大規格鑄棒邊部與心部的顯微組織。從低倍顯微組織可知,鑄態組織主要由α-Mg基體與晶界處呈網狀的第二相組成,一部分第二相以枝晶方式向晶內生長,α-Mg基體的晶粒尺寸在89μm左右,心部與邊部的晶粒尺寸差別不大。對比心部與邊部的高倍組織可以看出,邊部組織在晶粒內部出現了許多的條紋,以及點狀的第二相。Kaveh Meshinchi Asl等人[9—10]在對傳統鑄造AZ91鎂合金的研究過程中也發現了這一現象,他們認為此種相是在結晶完成后從過飽和固溶體中析出的。在本研究中,由于鑄棒直徑較大,雖然有二次冷卻水的冷卻作用,但是心部組織降低到室溫的時間仍然較長,而Gd,Y元素在鎂合金的固溶度隨著的溫度的降低而急劇下降。例如Gd元素在530℃時的固溶度為21%,而隨著溫度下降到300℃時,固溶度僅為4%[11],在大鑄棒的慢冷過程中,第二相發生了明顯的析出。由圖2的XRD分析可知,合金中的第二相由α-Mg與Mg5(Gd,Y)相組成,這也說明第二相與二次析出相是同一種相。

圖1 合金的鑄態組織Fig.1 Themicrostructure of the as-cast alloy

2.2 均勻化工藝

高強鎂合金在塑性變形前必須進行均勻化處理,一是使第二相回溶,增大合金的塑性變形能力;二是得到過飽和固溶體,在后續時效過程中析出第二相,實現時效強化。結合Mg-Gd,Mg-Y二元相圖,選擇均勻化溫度分別為480,500,520℃,保溫時間為6 h。經均勻化處理后的顯微組織如圖3所示?？梢?在以上3個溫度下,第二相都發生了明顯的回溶,溫度從480℃上升到500℃,晶粒變化不明顯,但當溫度從500℃上升到520℃后,晶粒發生了明顯的粗化,在3個溫度下都沒有觀察到過燒現象。結合合金的均勻化效果以及大規格鑄棒的實際生產情況,此合金的均勻化工藝選為500℃保溫6 h。

圖2 鑄態合金心部X射線衍射分析Fig.2 X-ray diffraction analysis of the center of the as-cast alloy

圖3 合金在不同溫度下固溶6 h的顯微組織照片Fig.3 Themicrostructure of the alloy after 6 h solution at different temperature

2.3 擠壓態顯微組織

圖4為合金經不同擠壓比擠壓后的顯微組織,圖4a為擠壓比為17時的顯微組織,圖4c為擠壓比為25時的顯微組織?？梢?合金經擠壓后,鑄態組織得到顯著細化,晶粒呈等軸狀,說明合金在熱擠壓過程中發生了明顯的動態再結晶。當擠壓比為17時,平均晶粒尺寸約為26μm,當擠壓比為25時,平均晶粒尺寸約為18μm,可見增大擠壓比有利于晶粒細化。

圖4 不同擠壓比合金的顯微組織Fig.4 Themicrostructure of the alloy at different extrusion ratio

2.4 室溫力學性能

Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金在不同狀態下的室溫拉伸力學性能如表1所示。可以看出,鑄態合金經過均勻化處理后,合金的抗拉強度與屈服強度都有所提高,這主要是由于Gd與Y元素固溶到基體中,形成了明顯的固溶強化,導致強度的提高,但這個過程中晶粒發生了一定程度的長大,降低了固溶強化效果,強度的升高并不明顯。由于晶界處的第二相得到了回溶,消除了微區的成分偏析,減少了應力集中,增大了晶粒之間的變形協調,合金的伸長率從2.5%增加到4.5%,但都屬于脆性斷裂的范疇。合金經過擠壓后發生了完全動態再結晶,晶粒尺寸從102μm降低到18μm,根據Hall-Petch公式σy=σ0+kd-1/2可知,材料的屈服強度與晶粒尺寸的平方根成反比關系。鎂合金為密排六方結構,其k值為280～320 MPa·m-1/2,是一般面心與體心立方的數倍(鋁的相應系數k=68 MPa·m-1/2),因此,晶粒細化對于密排六方鎂合金強度的提高會有更好的效果[12—13]。由表1可見,合金經擠壓后,抗拉強度與屈服強度得到了大幅度的提升。

晶粒大小對塑性也有顯著影響,這種影響可以用多晶體的變形不均勻性來反映,變形不均勻程度會因晶粒大小而有差異。位錯在變形過程中極易增殖與運動,運動到晶界附近的位錯會形成位錯塞積,在晶界處塞積的位錯群所產生的應力場會對相鄰晶粒產生影響。當晶粒細小時,這種應力場會影響到相鄰晶粒的整個體積,相鄰晶粒的位錯源也容易啟動從而產生協調變形,使變形不均勻程度減小。若晶粒粗大,在晶界處塞積的位錯群所產生的應力場甚至還達不到相鄰晶粒的中部,顯然,這時的變形不均勻性非常明顯,應力不容易松弛,只有通過產生裂紋來釋放一部分應力,在斷裂前不易獲得較大的變形量,因而塑性差。文中,經擠壓變形晶粒細化后,伸長率從4.5%提升到15.5%,提高了3.4倍。

表1 不同狀態下合金的力學性能Table 1 M echanical p roperties of the test alloy underd ifferen t state

2.5 合金的時效強化

擠壓態合金在200℃保溫60 h后獲得了硬度最大值113 HV,選取時效24,60,72 h后的試樣進行力學性能測試,結果如圖5所示。可見隨著時效時間的延長,合金的伸長率逐漸降低,而合金的抗拉強度與屈服強度呈現先增大后降低的趨勢,在60 h后得到了強度的最大值。此時的抗拉強度、屈服強度與伸長率分別為423.0 MPa,335.0 MPa與9.0%。

圖5 不同時效時間后的力學性能Fig.5 Mechanical properties of the testalloy after different aging time

圖6 所示為擠壓態合金在200℃×60 h峰時效的金相照片?？梢?經時效后,合金的晶粒變化不明顯,而晶粒內部有均勻分布的析出物,此種析出相可以阻礙位錯運動,從而起到時效強化的效果[14—15]。

圖6 峰時效狀態下合金的顯微組織Fig.6 Themicrostructure of the alloy under peak aging

3 結論

1)Mg-5Gd-4Y-0.3Zr鑄態合金由α-Mg基體與晶界處呈網狀的Mg5(Gd,Y)相組成,經500℃保溫6 h均勻化處理后,Mg5(Gd,Y)相全部回溶于基體;均勻化處理同時提高了強度與塑性。

2)Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金經熱擠壓后,晶粒從102μm細化到了18μm。合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率從均勻化態的237.5 MPa,189.0 MPa與4.5%,提高到325.5 MPa,273.0 MPa與15.5%。

3)擠壓態Mg-5Gd-4Y-0.3Zr合金經過200℃保溫60 h時效后,合金的強度得到了進一步的提高,抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為423.0 MPa,335.0 MPa與9.0%。

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M icrostructure and M echanical Properties of M g-5Gd-4Y-0.3Zr

FU Yun,SHEN Lei-fang,XIANG Yun-liang,XIA Xiang-sheng,ZHAO Zhi-xiang,NING Hai-qing
(Southwest Technology and Engineering Research Institute,Chongqing 400039,China)

The aim of this work was to investigate the effects of homogenization,extrusion and aging treatment on the microstructure and mechanical properties of Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy.Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy casting rod was prepared,then homogenization treatment and hot extrusion treatment were carried out.Tensile tests were conducted on the samples with different states.Themetallographicmicrostructurewas observed,and XRD was used to analyze the structure.The results showed that the as-cast alloymainly consisted of a-Mgmatrix and the second phase Mg5(Gd,Y).The second phase of the alloy dissolved completely after the homogenization treatment,and the mechanical property of the alloy was increased.The alloy structurewas obviously refined after extrusion.The highestmechanical property was obtained after aging treatment at200℃ for 60 h,and the ultimate tensile strength,yield strength and elongation were 423.0 MPa,335.0 MPa,and 9.0%,respectively.In conclusion,Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy not only has low cost feature,but also has excellentmechanical property.It is suitable for popularization and application.

Mg-5Gd-4Y-0.3Zr alloy;hot extrusion;microstructure;mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.05.022

TG146.2;TG115

A

1674-6457(2015)05-0130-05

2015-07-24

符韻(1982—),男,重慶人,工程師,主要研究方向為精密塑性成形與數值模擬分析。