熱處理對(duì)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(yè)應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有減震性好、比強(qiáng)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(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”，早已引起了航空、汽車及電子工業(yè)的注意［1～4］.但是，鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)，獨(dú)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(chǎn)品主要通過鑄造的生產(chǎn)方式獲得.一般認(rèn)為，變形鎂合金產(chǎn)品比鑄造鎂合金產(chǎn)品性能好.這是因?yàn)殒V合金熱變形后發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后組織均勻，晶粒細(xì)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(qiáng)度和耐蝕性均優(yōu)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(duì)AZ系鎂合金熱處理的研究主要是以鑄造態(tài)為主，而對(duì)經(jīng)熱變形后的熱處理的研究較少.本文以此為切入點(diǎn)，研究熱處理對(duì)反向擠壓后AZ80鎂合金顯微組織和性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用材料是AZ80變形鎂合金，名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 8%Al，0.5%Zn，0.2%Mn，余量為Mg.試樣在4 000 t生產(chǎn)用壓力機(jī)上反向擠壓.擠壓前，坯料預(yù)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(duì)AZ80鎂合金分別進(jìn)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(xué)性能測(cè)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(jìn)行金相腐蝕，然后在ZEISS Observer.A1m光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織分析;在日本日立公司S－4800Ⅱ型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)上進(jìn)行掃描電鏡觀察;并在日本理學(xué)D/MAX－2500/PC X射線衍射(XRD)儀上進(jìn)行物相分析.將力學(xué)性能測(cè)試用坯料樣品加工成標(biāo)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸.

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對(duì)AZ80鎂合金顯微組織的影響

圖2為AZ80鎂合金不同狀態(tài)下XRD圖譜.可以看出，不同狀態(tài)下AZ80鎂合金的物相主要是由α－Mg與β－Mg17Al12相組成.在擠壓態(tài)下，β－Mg17Al12相峰值較低，這是因?yàn)樵诜聪驍D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(jīng)過T6固溶時(shí)效后的XRD峰值與擠壓態(tài)相似，即β－Mg17Al12相析出量與擠壓態(tài)析出量相差不大，這是因?yàn)門6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(shí)效使得過飽和固溶體發(fā)生分解，β－Mg17Al12相從過飽和固溶體中析出，但由于時(shí)效時(shí)間較短，所以析出量與400℃ ×5 h+水淬處理前類似;從T5時(shí)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(qiáng)，α－Mg基體的(010)衍射峰明顯減弱、(100)增強(qiáng)，即T5時(shí)效處理后AZ80合金中β－Mg17Al12相的量多于擠壓態(tài)下合金中的量，這是因?yàn)門5處理是在反向擠壓基礎(chǔ)上進(jìn)行人工時(shí)效，時(shí)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(tài)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(tài)下的顯微組織形貌.可以看出，經(jīng)反向擠壓后，AZ80鎂合金發(fā)生明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且比較徹底，故得到無畸變的等軸晶粒，晶粒明顯細(xì)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(nèi)長(zhǎng)大，呈層片狀，層片較窄，尺寸較小.經(jīng)過T6熱處理后，AZ80鎂合金晶粒尺寸與擠壓態(tài)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(nèi)長(zhǎng)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(jīng)過T5人工時(shí)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(duì)均勻，這是因?yàn)樵谌斯r(shí)效過程中，這些第二相不斷從晶界處析出長(zhǎng)大，同時(shí)也不斷為第二相析出提供形核位置，隨著時(shí)效過程的進(jìn)行，胞狀脫溶產(chǎn)物按著一定取向關(guān)系逐漸向晶內(nèi)推進(jìn)，并最終充滿整個(gè)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(nèi)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(xù)析出和連續(xù)析出.不連續(xù)析出一般是指:因?yàn)榫Ы缣幠芰勘容^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(chǎn)物在晶界處形核，在界面擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于體擴(kuò)散速度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)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(chǎn)物界面向過飽和的基體推進(jìn).雖然a和a'相晶體結(jié)構(gòu)相同，但成分不同，并由界面分開，也就是在這個(gè)意義上稱之為不連續(xù)析出.連續(xù)析出是指:在晶粒內(nèi)生成大量細(xì)小的沉淀物的過程，一般是由于晶界處被連續(xù)分布的第二相占據(jù)而無法生成不連續(xù)沉淀造成的.AZ80鎂合金經(jīng)T6熱處理后，β－Mg17Al12相以不連續(xù)析出的方式從晶界處析出，呈層片狀;經(jīng)T5熱處理后，β－Mg17Al12相在晶內(nèi)以連續(xù)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(tài)下顯微組織形貌Fig.3 Microstructural morphologies of AZ80 magnesium alloy through different treatments

2.2 熱處理對(duì)AZ80鎂合金性能的影響

圖4為AZ80鎂合金不同狀態(tài)下的力學(xué)性能.可以看出，經(jīng)過反向擠壓后AZ80鎂合金發(fā)生明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，力學(xué)性能較好.經(jīng)T6熱處理后，β－Mg17Al12相沿晶界析出，由于時(shí)效時(shí)間較短，脆性的β－Mg17Al12相相對(duì)較少，與擠壓態(tài)相比，減輕了對(duì)基體的割裂作用，故導(dǎo)致強(qiáng)度降低，而延伸率增加.經(jīng)T5熱處理后，β－Mg17Al12相不斷從α－Mg基體中在晶界以不連續(xù)方式呈層片狀，在晶內(nèi)以連續(xù)方式呈細(xì)小顆粒狀析出，數(shù)量明顯高于擠壓態(tài)，故導(dǎo)致強(qiáng)度明顯提高，而延伸率明顯下降.

圖5為不同狀態(tài)AZ80鎂合金的拉伸斷口形貌.由于鎂合金滑移系少，很少出現(xiàn)多系滑移，而開動(dòng)多系滑移才能形成韌窩，所以解理斷裂、準(zhǔn)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(jié)果顯示，擠壓態(tài)合金的斷口為較大的解理小刻面和由解理臺(tái)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(jīng)T6熱處理后的斷口中韌窩明顯增多，呈現(xiàn)微觀塑性特征，說明經(jīng)T6熱處理后AZ80鎂合金塑性變好;經(jīng)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(tài)合金的塑性最低是一致的，其核心原因正是由于該狀態(tài)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(duì)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(zhǔn)解理斷裂為主的特征.

圖4 AZ80鎂合金不同狀態(tài)下的力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties of AZ80 magnesium alloy through different treatments

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

3 結(jié)論

(1)AZ80鎂合金經(jīng)反向擠壓后發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)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(jīng)T6熱處理后，β－Mg17Al12相仍呈層片狀沿晶界析出，向晶內(nèi)長(zhǎng)大，層片較寬，尺寸較大，合金強(qiáng)度降低，延伸率增加;

(3)經(jīng) 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(nèi)呈顆粒狀，數(shù)量較多，且尺寸較小，合金強(qiáng)度增加，但塑性降低.

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