熱處理工藝對低溫擠壓Zn－15Al鋅合金組織及性能的影響

孫世能，王利卿，任玉平，楊波，秦高梧

(東北大學材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽110819)

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熱處理工藝對低溫擠壓Zn－15Al鋅合金組織及性能的影響

孫世能，王利卿，任玉平，楊波，秦高梧

(東北大學材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽110819)

摘要:采用拉伸試驗和掃描電鏡分析技術手段，研究了不同冷卻速度對200℃擠壓Zn－15Al鋅合金的微觀組織和室溫力學性能的影響.結果表明:經320℃處理1 h后，變形態(tài)細小的α( Al)相發(fā)生了粗化.經水淬后α( Al)相發(fā)生了連續(xù)析出，形成了α( Al) +η( Zn)細小的粒狀組織，使其強度稍有提高，塑性明顯降低.而經空冷后α( Al)相發(fā)生了共析分解，形成了細片層狀組織，導致其強度提高約1倍，塑性下降約80%.這意味著能夠通過熱處理工藝來調整變形態(tài)Zn－15Al鋅合金的力學性能，以滿足不同應用領域的要求.

關鍵詞:Zn－15Al鋅合金;熱處理;微觀組織;力學性能

鋅鋁合金由于具有良好耐腐蝕性能和超塑性而得到廣泛研究［1～4］.由于在鋅鋁合金中具有連續(xù)析出、不連續(xù)析出、不連續(xù)粗化等組織特征，從而使其力學性能在一定范圍內可以調控［5～7］.Zn －22Al鋅合金作為典型的超塑性合金，唐巍，王經濤等人［8］研究了擠壓溫度對其組織性能的影響，結果表明在200℃擠壓時具有粒狀組織，其抗拉強度為125 MPa，延伸率為200%，而在350℃擠壓時獲得層片狀組織，其抗拉強度為300 MPa，延伸率為25%.另一方面，Zn－15Al鋅合金作為熱噴涂防護材料，張陽明等人［9］研究了280℃擠壓Zn－15Al鋅合金經300℃固溶10 h后爐冷到室溫，獲得了片層狀組織，其抗拉強度為260 MPa，延伸率為25%.而本文作者［10］對低溫擠壓Zn－15Al鋅合金組織性能進行了研究，獲得細小的粒狀組織，其抗拉強度為110 MPa，延伸率為170%，遠遠低于當前熱噴涂絲材的力學性能.為了進一步改善其組織性能，以滿足不同領域的要求，本文研究了200℃擠壓Zn－15Al鋅合金后不同冷卻方式對其強度和塑性的影響，為更好地理解Zn－15Al鋅合金組織和性能的關系提供參考.

1　實驗材料和方法

本實驗合金原料為純鋅( 99.99 %)和純鋁( 99.99 %).采用石墨坩堝，在720℃完全熔化純Al后加入純Zn，待全部熔化后降至500℃保溫10 min，然后澆注到直徑為60 mm的圓柱形水冷鐵模中.鑄錠經350℃均勻化處理5 h后水淬.最終在200℃反向擠壓成12 mm棒材，擠壓比為16.試樣在320℃保溫1 h水淬或空冷至室溫.

不同狀態(tài)的Zn－15Al鋅合金微觀組織觀察樣品經200～2000#水磨砂紙機械研磨和拋光，最終在JSM－6510型掃描電子顯微鏡上進行組織觀察.將不同狀態(tài)的Zn－15Al鋅合金按照GB/T 228.1－2010標準的要求加工成標距為25 mm，標距處直徑為5 mm的拉伸試樣，在AG－X型萬能試驗機上進行室溫拉伸實驗，應變速率為10－3·s－1，并對其斷口形貌進行觀察.

2　結果與討論

2.1力學性能

圖1表明不同狀態(tài)Zn－15Al鋅合金的工程應力－應變曲線.200℃擠壓的Zn－15Al鋅合金抗拉強度相當于冷變形純Zn的抗拉強度，但室溫延伸率達到160%以上，具有明顯的室溫超塑性.經320℃保溫1 h水淬和空冷后Zn－15Al鋅合金的抗拉強度提高，延伸率降低，但其抗拉強度隨著冷卻速率的降低而顯著提高.相比于擠壓態(tài)，水淬后的抗拉強度稍有提高即從110 MPa提高到132 MPa，而塑性由170%降低至78%.空冷后其抗拉強度顯著提高，塑性明顯下降，抗拉強度增加至220 MPa，塑性降低到38%.

2.2微觀組織

圖2是Zn－15Al鋅合金擠壓前后的背散射電子形貌.擠壓前Zn－15Al鋅合金組織存在兩種形貌，粗大的初晶富鋁α相在凝固過程中通過共析轉變產生的片層狀組織以及由粗大富鋅η相基體上分布α相組成的離異共晶體(圖2a).經200℃擠壓后粗大的初晶富鋁α相尺寸從20 μm下降到1 μm，而富鋅η相也發(fā)生細化(圖2b).這種組織的形成可能是其獲得低強高塑的主要原因.

圖1　不同狀態(tài)的Zn－15Al鋅合金工程應力應變曲線Fig.1 Engineering stress－strain curves of Zn－15Al alloy with different state

在320℃保溫1 h，經不同冷卻方式獲得的Zn－15Al鋅合金，其微觀組織如圖3所示.經320℃保溫1 h后，變形態(tài)細小的粒狀α相發(fā)生了聚集長大，從1 μm增加至10 μm，但其相尺寸小于擠壓前組織中的初晶α相，其粗大的富鋅η相發(fā)生了細化且其內部的彌散分布α相消失.這是其強度相對擠壓態(tài)合金提高的一個因素.同時由于熱處理后得到的熱力學不穩(wěn)定的或亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，在水淬后中并沒有抑制α相分解，而發(fā)生了連續(xù)析出形成了以富Zn相為基體的彌散分布低Zn含量的粒狀α相.在空冷后α相發(fā)生共析分解形成片層的低Zn含量α相和富鋅η相組成的雙相組織.這種片層組織形貌的形成可能是Zn－15Al鋅合金產生高強低塑的主要原因.

圖3　熱處理后不同冷卻速率的Zn－15Al鋅合金微觀組織Fig.3 Scanning electron microstructure of heattreated with different cooling rate Zn－15Al alloys( a)—水淬; ( b)—空冷

圖4為Zn－15Al鋅合金的斷口形貌;斷口具有明顯的韌窩，表現出韌性斷裂特征.而擠壓后經過320℃保溫1 h后合金韌窩較200℃擠壓態(tài)粗大得多并且隨著冷卻速度的降低，合金韌窩的直徑逐漸變大.因此，擠壓態(tài)合金塑性最好，320℃保溫1 h后經較慢速度冷卻的合金塑性最差.這可能是在320℃保溫1 h的過程中造成大量的微裂紋迅速傳播所致.

3　結論

( 1)變形態(tài)Zn－15Al鋅合金經320℃保溫1 h后，其α( Al)相尺寸由1 μm增加到10 μm.

( 2)長大的α( Al)相經水淬后發(fā)生了連續(xù)析出，形成了細小的粒狀雙相組織，使得其強度從110 MPa提高到132 MPa，塑性從170%降低到78%.

( 3)α( Al)相經空冷后發(fā)生了共析分解，形成了α( Al) +η( Zn)細片層狀組織，導致其強度從110 MPa提高到220 MPa，塑性從170%下降到38%.

圖4　不同狀態(tài)Zn－15Al鋅合金的拉伸斷口Fig.4 Fracture morphology of Zn－15Al alloy( a)—擠壓態(tài); ( b)—水淬; ( c)—空冷

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［10］孫世能，王利卿，任玉平，等.擠壓比對低溫擠壓ZA15鋅合金組織和力學性能的影響［J］.東北大學學報(自然科學版) (已接受) ( Sun Shineng，Wang Liqing，Ren Yuping，et al.Effect of extrusion ratio on microstructure and mechanical property of ZA15 Zn alloy extruded at lower temperature［J］.Journal of Northeastern University ( Natural Science)，( accepted).)

Effects of heat treatment on microstructure and mechanical property of extruded Zn－15Al Zn alloy at lower extrusion temperature

Sun Shineng，Wang Liqing，Ren Yuping，Yang Bo，Qin Gaowu
( Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials ( Ministry of Education)，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:The influences of cooling rates during heat treatment on the microstructure and mechanical properties of the extruded Zn－15Al Zn－alloy at 200℃have been investigated by tensile test and scanning electron microscopy.The results show that the fine α( Al) phase of extruded Zn－15Al Zn－alloy at 200℃occurred coarsening by heated treatment at 320℃for 1 h.The tensile strength of extruded Zn－15Al Zn－alloy increased slightly，while the elongation of extruded Zn－15Al Zn－alloy decreased significantly after water quenching，because the α( Al) phase is transformed into α( Al) +η( Zn) fine granular structure though continuous precipitation.After air cooling，the tensile strengthen were increased by about 1 times and the elongation decreased by about 80%，Owing to the α( Al) phase formed a fine lamellar structure decomposition by eutectoid transformation.It is implied that the different mechanical properties can be obtained in the extrusion Zn－15Al Zn alloy manufactured by heat treatment，and the mechanical properties can be satisfied the requirements of different applications.

Key words:Zn－15Al Zn alloy; heat treatment; microstructure; mechanical property

通訊作者:秦高梧( 1970—)，男，教授，博士生導師，E－mail: qingw@ smm.neu.edu.cn.

作者簡介:孫世能( 1987—)，男，博士研究生，E－mail: 83290252@163.com.

基金項目:國家自然科學基金資助項目( 51171043，51371046)，教育部新世紀優(yōu)秀人才( NECT－12－0109)，東北大學基本科研業(yè)務費資助項目( N130610002).東北大學優(yōu)秀博士學位論文培育項目A類.

收稿日期:2015-11-23.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.011

中圖分類號:TG 146.13

文獻標識碼:A

文章編號:1671-6620( 2016) 01-0058-03