鑄態(tài)Mg-4Al-2Si合金的顯微組織與力學(xué)性能

宋佩維,李虹燕,王永善

(1陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西漢中723003; 2西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710048)

鑄態(tài)Mg-4Al-2Si合金的顯微組織與力學(xué)性能

宋佩維1,李虹燕2,王永善1

(1陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西漢中723003; 2西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710048)

采用重力鑄造法制備Mg-4Al-2Si(AS42)鎂合金,研究了鑄態(tài)合金的顯微組織和室溫力學(xué)性能。結(jié)果表明:鑄態(tài)AS42合金主要由α-Mg基體、β-Mg17Al12相及Mg2Si相組成;β-Mg17Al12相呈網(wǎng)狀和棒狀分布于晶界上,粗大的漢字狀Mg2Si相沿晶界或穿晶分布,多邊形塊狀Mg2Si相隨機分布于基體組織中。鑄態(tài)合金的硬度為64.5HV,室溫抗拉強度為113.5MPa,屈服強度為86MPa,伸長率為4.1%;拉伸斷裂形式為準解理脆性斷裂。

Mg-4Al-2Si合金;Mg2Si相;顯微組織;力學(xué)性能

Abstract:Mg-4Al-2Si(AS42)magnesium alloys were prepared by the gravity casting.Microstructure and mechanical properties at room temperature of the as-cast AS42 alloy were investigated.The results show that the as-cast microstructure consists ofα-Mg matrix,β-Mg17Al12phase and Mg2Si phase.The network and rod shapedβ-Mg17Al12phase distribute on grain boundary,and the coarse Chinese script type Mg2Si particles distribute on grain boundary or transcrystallization,while the block-like Mg2Si distributes in matrix(α-Mg).The hardness of the alloy is 64.5HV,ultimate tensile strength,yield strength and elongation are about 113.5,86MPa and 4.1%respectively.The fracture forms of the alloy is quasi-cleavage brittle fracture.

Key words:Mg-4Al-2Si alloy;Mg2Si phase;microstructure;mechanical property

鎂合金在目前結(jié)構(gòu)用金屬及合金材料中密度最低。它具有比強度和比剛度高、減振性好、電磁屏蔽和抗輻射力強、易切削加工、易回收等一系列優(yōu)點[1],在汽車、電子、航空、航天和國防等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景[2,3],是繼鋼鐵和鋁合金之后發(fā)展起來的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料,被譽為“21世紀綠色金屬結(jié)構(gòu)工程材料”。但是,與鋁合金相比,鎂合金的研究和應(yīng)用發(fā)展還較緩慢,其中一個重要原因是鎂合金的高溫強度和蠕變性能較低。近年來,高溫鑄造鎂合金得到了不斷發(fā)展,鎂合金的高溫強度、蠕變性能和工作溫度得到了很大的提高[4]。Mg-Al-Si系合金(如AS21,AS41)是20世紀70年代開發(fā)出的耐熱壓鑄鎂合金,主要用于汽車零部件[5]。該合金中的Mg2Si相具有高熔點 (1085℃)、高硬度(460HV)、低密度(1.99g/cm3)、低熱膨脹系數(shù)、較好的耐磨性和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。在Mg-Al-Si(AS)系合金中,Mg2Si相組織有兩種形態(tài)[6,7]:一是漢字狀,二是多邊形塊狀。細小、彌散分布的Mg2Si相顆粒將明顯提高合金的高溫力學(xué)性能;粗大的Mg2Si相顆粒則使材料的力學(xué)性能惡化。

本工作利用Al-50%(質(zhì)量分數(shù),下同)Si中間合金,采用重力鑄造法制備 Mg-4Al-2Si合金,研究其顯微組織、尤其是Mg2Si相的形態(tài),測試合金的室溫力學(xué)性能,觀察拉伸斷口形貌并分析斷裂機制,為進一步開發(fā)更高性能的AS系耐熱鎂合金提供理論依據(jù)和實驗支持。

1 實驗方法

實驗原材料采用工業(yè)純Mg,Al,Si,其中Si是以自制的Al-50%Si中間合金形式加入。首先將Mg放入SG2-5-10型井式坩堝爐中進行熔煉,在熔體溫度達到740℃時加入中間合金,使Al,Si的含量達到設(shè)計要求。用石墨棒攪拌熔體約8min,然后保溫10min使中間合金充分溶解,再于720℃下保溫20min并經(jīng)過變質(zhì)精煉處理后澆入預(yù)熱溫度約為200℃的金屬型模中,得到φ12mm×150mm的 Mg-4Al-2Si(AS42)合金試棒,其實際成分為Al 4.1,Si 1.97,其余為Mg。整個熔煉過程采用RJ-2工業(yè)專用覆蓋劑保護。

試樣浸蝕劑為 4%HNO3酒精溶液;用 Nikon Epiphot光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織;用電感偶合等離子光譜儀(Inductively-Coupled Plasma spectrometer, ICP)測定化學(xué)成分;用 XRD-7000S型 X射線衍射儀分析物相;硬度測試在 HV-120維氏硬度計上進行;拉伸實驗在WDW3100型電子萬能拉伸機上進行;用配有能譜(EDS)的JSM-6700F掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 實驗結(jié)果

2.1 顯微組織

圖1為AS42合金的XRD分析圖譜。結(jié)果表明,合金主要由α-Mg基體、β-Mg17Al12相和 Mg2Si相組成。圖2為鑄態(tài)合金的顯微組織。結(jié)合圖1的XRD圖譜與EDS分析結(jié)果可知,合金組織中的灰色相為α-Mg基體,如圖2(a)～(c);白色相為β-Mg17Al12,如圖2(b);灰黑色相為Mg2Si,如圖2(b),(c)。其中,非平衡凝固產(chǎn)生的離異共晶組織β-Mg17Al12相呈網(wǎng)狀主要分布于晶界上;漢字狀共晶Mg2Si相貫穿數(shù)個晶粒或枝晶臂;多邊形塊狀初生Mg2Si相主要分布于枝晶間或晶界上。鑄態(tài)合金組織均較為粗大,其中,α-Mg基體晶粒平均尺寸約為 50μm,如圖 2(a);β-Mg17Al12相也以粗大的網(wǎng)狀形式分布于晶界上;漢字狀Mg2Si顆粒最大尺寸達到 120μm,如圖 2(b);多邊形塊狀Mg2Si顆粒平均尺寸約為5μm,如圖2(b),(c)。

圖1 AS42合金的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of AS42 alloy

圖2 鑄態(tài)AS42合金的顯微組織 (a)α-Mg基體;(b)Mg17Al12和Mg2Si顆粒;(c)Mg2Si顆粒放大Fig.2 Microstructures of the as-cast AS42 alloy (a)α-Mg matrix;(b)Mg17Al12and Mg2Si particles;(c)Mg2Si particles with higher magnification

2.2 力學(xué)性能

鑄態(tài)AS42合金與壓鑄AS21,AS41合金的室溫力學(xué)性能如表1、表2所示。與壓鑄AS21,AS41合金相比,AS42合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率均很低,而硬度值則略高。在拉伸實驗過程中,應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服平臺,試樣在拉伸變形屈服后很快就發(fā)生斷裂,可見材料的塑韌性較差。

2.3 斷口形貌

圖3為鑄態(tài)AS42合金的室溫拉伸斷口形貌。由圖3可見,斷口存在許多解理臺階和撕裂棱,呈現(xiàn)出準解理斷裂的特征;同時,Mg2Si相顆粒發(fā)生破碎并出現(xiàn)平滑小晶面。裂紋的產(chǎn)生源于兩個方面,一是裂紋萌生于Mg2Si相與基體界面處,之后發(fā)生擴展;二是裂紋萌生于破碎的Mg2Si相顆粒,然后擴展至基體。鑄態(tài)下Mg2Si相呈連續(xù)漢字狀或塊狀,材料在受到外力拉伸過程中,Mg2Si相顆粒首先發(fā)生脆性斷裂,在致密的材料中直接形成裂紋,Mg2Si相顆粒同時分解為數(shù)塊,塊體之間呈現(xiàn)出晶體學(xué)上的解理面。與圖2相比,圖3中的塊狀Mg2Si相顆粒更為粗大,尺寸達到20μm。

表1 鑄態(tài)AS42合金的室溫力學(xué)性能Table 1 The mechanical properties of the as-cast AS42 alloy at room temperature

表2 壓鑄AS21,AS41合金的室溫力學(xué)性能[8]Table 2 The mechanical properties of the die casting AS21 and AS41 alloys at room temperature[8]

圖3 鑄態(tài)AS42合金試樣拉伸斷口SEM形貌Fig.3 SEM micrograph of the fracture for the as-cast AS42 alloy after tensile test

3 分析與討論

3.1 顯微組織

由于采用的是金屬型鑄造,冷卻速度較快,所以合金的結(jié)晶過程屬于非平衡凝固。根據(jù)Mg-Al,Mg-Si二元 相 圖[9]和 Mg-Al-Si三 元 相 圖[10],結(jié) 合Brofine[11],Karel[5]和 Q.D.Qin等[6]的研究結(jié)果,分析AS42合金在冷卻過程中將形成以下組織:當溫度下降至液相線時,首先發(fā)生原位反應(yīng)生成Mg2Si;隨著溫度的下降,新析出的Mg2Si依附在原有的Mg2Si上繼續(xù)長大,從而形成了粗大的多邊形塊狀初生Mg2Si相;隨著溫度的繼續(xù)降低,合金中析出晶粒粗大的先共晶α-Mg固溶體(基體);當溫度降到三相平衡共晶反應(yīng)區(qū)時 ,形成(β-Mg17Al12+α-Mg)離異共晶體 ,其中 ,離異共晶β-Mg17Al12相呈白色網(wǎng)狀分布于先共晶α-Mg固溶體晶界上,離異共晶α-Mg相則依附于先共晶α-Mg固溶體上;當溫度達到四相平衡共晶轉(zhuǎn)變時,將形成 (α-Mg+Mg2Si+β-Mg17Al12)共晶體 ,其中共晶Mg2Si呈粗大的漢字狀分布于基體組織中。

3.2 力學(xué)性能

從力學(xué)性能測試結(jié)果可以看出,鑄態(tài)AS42合金的硬度略高于AS21和AS41,主要原因在于Mg2Si相自身具有較高的硬度,且其體積分數(shù)較大;同時,網(wǎng)狀β-Mg17Al12相對合金硬度的提高也有一定的貢獻。但AS42合金的室溫屈服強度、抗拉強度和伸長率均較低,這主要是由于其組織粗大所導(dǎo)致。在普通凝固條件下,AS42合金中α-Mg基體晶粒較為粗大,它會降低合金的室溫力學(xué)性能;同時,Mg2Si相顆粒更為粗大,它對合金力學(xué)性能的影響則更為重要。由于α-Mg基體晶粒尺寸與Mg2Si相顆粒尺寸處于同一數(shù)量級,所以這是一種“聚合型”合金。這時合金的屈服強度取決于兩相的相對性質(zhì)和體積分數(shù)[12],即AS42合金的力學(xué)性能除與α-Mg基體組織有關(guān)外,在很大程度上取決于Mg2Si相顆粒的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布。大量粗大的Mg2Si相顆粒分布于晶界處,在應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生裂紋,此時微裂紋的產(chǎn)生有兩種可能:一是沿Mg2Si顆粒與α-Mg基體的界面處產(chǎn)生并擴展,從而導(dǎo)致合金性能降低;二是合金在外加載荷的作用下,由于相鄰晶粒的取向不同,位錯滑移至晶界附近的脆性化合物Mg2Si顆粒處受阻而發(fā)生塞積,從而產(chǎn)生應(yīng)力集中,當應(yīng)力達到一定程度時,脆性化合物發(fā)生開裂,隨后裂紋在基體內(nèi)擴展導(dǎo)致合金性能下降。根據(jù)裂紋擴展的 Griffith理論及Orowan公式[13],如果材料中存在長度為C的裂紋,其擴張的臨界應(yīng)力σc為

式中:P為斷口表面單位面積的形變能;E為彈性模量;υ為泊松比;C為裂紋長度。

當界面作為裂紋源時,若兩相結(jié)合的界面上存在的微裂紋尺寸C越大,則其擴張的臨界應(yīng)力σc越小,裂紋就越容易擴展。本實驗斷口形貌表明,Mg2Si相與α-Mg基體的界面結(jié)合緊密,未發(fā)現(xiàn)明顯開裂。所以,界面作為一種缺陷并不是開裂的主要原因。從斷口分析可以看出,Mg2Si相顆粒發(fā)生開裂并破碎,它是主要的裂紋源,從而基本上可以認為Mg2Si相的長度或?qū)挾染褪巧鲜隽鸭y長度C。因此,Mg2Si相的尺寸決定合金中裂紋產(chǎn)生和擴展的難易程度。Mg2Si相顆粒越粗大,裂紋就越容易產(chǎn)生和擴展,合金的強度就越低。可見,AS42合金中裂紋的產(chǎn)生與擴展主要源于粗大的Mg2Si相。當然,粗大的Mg2Si相顆粒本身對基體有割裂破壞作用,而且其顆粒尖端及棱角存在應(yīng)力集中,所以也是合金產(chǎn)生裂紋并在拉伸實驗的早期就發(fā)生斷裂而失效的重要原因;同時,β-Mg17Al12相呈網(wǎng)狀分布于晶界上,使晶界變寬,它實際上是一種非連續(xù)析出組織,會導(dǎo)致晶界脆化和力學(xué)性能下降[14]。

綜上所述,粗大的Mg2Si相顆粒是導(dǎo)致合金抗拉強度、屈服強度和伸長率較低的主要原因。鑄態(tài)AS42合金力學(xué)性能的控制因素在于Mg2Si相的形狀、大小、體積分數(shù)和分布。由此可見,在控制合適的Mg2Si相體積分數(shù)的前提下,如何從材料制備工藝上改變Mg2Si相的形狀與分布,是決定此類材料性能提高的關(guān)鍵。因此,采用微合金化、快速凝固或大塑性變形等方法,細化Mg2Si相,并使它均勻、彌散分布于基體組織中,將會使合金的室溫力學(xué)性能和高溫蠕變性能得到大幅度的提高[15]。

4 結(jié)論

(1)鑄態(tài)AS42合金主要由α-Mg基體、β-Mg17Al12相和Mg2Si相組成;β-Mg17Al12相呈網(wǎng)狀分布于晶界上,粗大的漢字狀Mg2Si相顆粒沿晶界或穿晶分布,多邊形塊狀Mg2Si相顆粒隨機分布于基體組織中。

(2)鑄態(tài)AS42合金的組織較為粗大。α-Mg基體晶粒的平均尺寸約為50μm,漢字狀 Mg2Si相顆粒的尺寸達到120μm,多邊形塊狀Mg2Si相顆粒的尺寸達到20μm。粗大的組織會降低合金的室溫力學(xué)性能。

(3)β-Mg17Al12相和 Mg2Si相的形成機制如下:多邊形塊狀Mg2Si為原位反應(yīng)初生相產(chǎn)物,β-Mg17Al12為三相平衡共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,漢字狀Mg2Si為四相平衡共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

(4)鑄態(tài)AS42合金的力學(xué)性能較差,主要是由于粗大的脆性Mg2Si相顆粒所引起;室溫拉伸斷裂形式為準解理脆性斷裂。

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Microstructure and Mechanical Properties of As-cast Mg-4Al-2Si Magnesium Alloy

SON G Pei-wei1,LI Hong-yan2,WAN G Yong-shan1
(1 School of Materials Science and Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shaanxi,China;2 School of Materials Science and Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

TG146.2;TG142.1

A

1001-4381(2010)01-0001-04

陜西理工學(xué)院專項科研基金資助項目(SL GQD0746)

2009-05-25;

2009-10-30

宋佩維(1964—),男,副教授,高級工程師,博士,主要從事高性能輕金屬材料的研究,聯(lián)系地址:陜西省漢中市陜西理工學(xué)院(北區(qū))材料科學(xué)與工程學(xué)院辦公室(723003),E-mail:spwsyh@163.com