熱處理對大型變形高強耐熱鎂合金組織與性能的影響*

田治坤，張治民，于建民，于海濤，楊亞琴

(1.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.裝甲軍代局駐太原軍代室，山西 太原 030006)

?

熱處理對大型變形高強耐熱鎂合金組織與性能的影響*

田治坤1，張治民1，于建民1，于海濤2，楊亞琴1

(1.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.裝甲軍代局駐太原軍代室，山西 太原 030006)

摘要：通過拉伸試驗和微觀組織觀察，研究了固溶處理及時效處理對合金成分為Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的大型變形高強耐熱鎂合金微觀組織和性能的影響。結(jié)果表明，合金的最佳熱處理工藝為430 ℃×8 h+225 ℃×16 h。當(dāng)固溶溫度為430 ℃時，會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，提高了抗拉強度。經(jīng)過時效，灰色LPSO相數(shù)量增多，提高了合金的力學(xué)性能。合金軸向抗拉強度為332 MPa，延伸率為11.5%；環(huán)向抗拉強度為375 MPa，延伸率為12.3%。

關(guān)鍵詞：大型變形高強耐熱鎂合金；微觀組織；LPSO；力學(xué)性能

鎂合金具有質(zhì)量輕、比強度高、振動衰減系數(shù)大和電磁屏蔽好等優(yōu)點[1]，一直是被公認(rèn)的環(huán)保、節(jié)能和可回收的工程材料，其廢料回收利用率>85%，是一種環(huán)保型材料[2]，被譽為“21世紀(jì)綠色工程材料”[3-8]。近年來，鎂合金正得到日益廣泛的應(yīng)用，特別是在汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景[9-10]。盡管鎂合金具有質(zhì)量輕、比強度高、減振性、充型流動性和機(jī)械加工性好等優(yōu)點，但是一般鎂合金的高溫強度低是限制鎂合金在航天、航空和汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要問題之一。當(dāng)溫度升高時，鎂合金的強度下降很快。開發(fā)新的高性能鎂合金系列是目前研究的主要趨勢，但有關(guān)輕質(zhì)高強耐熱鎂合金材料的研究較少。熱處理是改善材料性能的有效途徑，對鎂合金熱處理后的組織及力學(xué)性能進(jìn)行深入研究是非常有意義的。本文通過拉伸試驗和微觀組織觀察，研究固溶處理及時效處理對合金成分為Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的大型變形高強耐熱鎂合金微觀組織和性能的影響，為設(shè)計具有良好高強耐熱性能的Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列鎂合金提供參考，以指導(dǎo)鎂合金在軍事工業(yè)上的工程應(yīng)用。

1試驗材料及方法

首先，選用材料為Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的鎂合金鑄錠，并進(jìn)行與樣坯相同條件的鍛造處理，選取400～530 ℃作為固溶溫度嘗試區(qū)間，保溫4 h后進(jìn)行225 ℃×16 h的時效處理，車削試樣后進(jìn)行拉伸試驗，得到抗拉強度值較高的固溶溫度范圍，再進(jìn)一步做更細(xì)致的熱處理工藝分析，從而確定最佳方案；然后正式選取材料樣坯，取殼體一半并分為3個區(qū)域進(jìn)行解剖(見圖1)：B區(qū)為前端框區(qū)域，C區(qū)為后端框區(qū)域，A區(qū)為接近艙段中間截面位置的大面積區(qū)域，每個區(qū)域取樣均分為軸向和環(huán)向等2個方向，且每個方向均勻取樣3個；最后分別進(jìn)行430 ℃×8 h+225 ℃×16 h處理和450 ℃×8 h+225 ℃×16 h處理。用Neophot2金相顯微鏡觀察和記錄，并對沖擊前、后的鎂合金試塊進(jìn)行微觀組織分析研究。

圖1　殼體分區(qū)示意圖

拉伸試驗在Instron3382電子拉伸機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為2 mm/min，每個測定值取3個試樣的平均值，分別測出相應(yīng)的Rm、Rp0.2和δ。

2試驗結(jié)果與分析

2.1Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金在不同溫度下的抗拉強度

不同溫度下Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金的抗拉強度如圖2所示，430 ℃×8 h+225 ℃×16 h處理后，3個區(qū)域不同方向100 ℃拉伸的抗拉強度及延伸率見表1。

圖2　　　　不同溫度下Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr鎂合金　　　的抗拉強度

拉伸區(qū)域與方向抗拉強度/MPa延伸率/%A區(qū)軸向309.67739.84A區(qū)環(huán)向321.98079.27B區(qū)軸向315.60489.65B區(qū)環(huán)向322.41528.4C區(qū)軸向305.28785.3C區(qū)環(huán)向238.46064.66

從圖2中可以看出，在固溶溫度為430～480 ℃時，抗拉強度值較大。從表1中可以看出，A、B、C三區(qū)之間的100 ℃拉伸抗拉強度相差不大。本文選取C區(qū)試樣分別在430、440、450和460 ℃這4個溫度進(jìn)行8 h的固溶處理，并在70 ℃的熱水中冷卻，隨后進(jìn)行225 ℃×16 h時效處理。室溫拉伸后抗拉強度及延伸率的平均值如圖3所示。

圖3　C區(qū)不同固溶溫度下室溫拉伸抗拉強度和延伸率

從圖3可以看出，隨著固溶溫度的增加，環(huán)向抗拉強度先降低，然后在450 ℃時略微增加，軸向抗拉強度先略微增加，隨后在440 ℃后降低，而延伸率在430 ℃時維持在較高水平；因此，當(dāng)固溶溫度為430 ℃時，抗拉強度和延伸率都達(dá)到了較高的水平。100 ℃拉伸時也可以參考上述結(jié)果。

2.2不同熱處理狀態(tài)下鎂合金樣坯微觀組織變化

鎂合金樣坯在不同熱處理狀態(tài)下的微觀組織如圖4所示。由圖4可以看出，未經(jīng)過固溶處理的鎂合金內(nèi)部包含α-Mg基體、灰色條紋狀LPSO相和黑色粒狀析出相(見圖4a)；經(jīng)過430 ℃固溶處理后，可以看到晶粒變小(見圖4d)，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，使得晶粒細(xì)化，但是其成分可能不同，同時在晶界處生成一種塊狀的第二相，而粒狀的析出相明顯減少，LPSO相沒有明顯變化；當(dāng)固溶溫度達(dá)到450 ℃時，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶使得晶粒細(xì)小而均勻(見圖4b)，比圖4d中進(jìn)行的更充分；晶界處的析出相基本完全溶解到基體中，第二相數(shù)量明顯增多；當(dāng)進(jìn)行時效處理后(見圖4c)，與固溶處理后的合金組織相比，基體晶粒呈現(xiàn)出深淺不一的顏色狀態(tài)，而相組成基本與固溶處理后的一致，但是在相同時效溫度下隨著固溶溫度的升高，晶粒處的第二相及LPSO明顯減少，甚至有消失的趨勢。由此可知，固溶溫度為430 ℃時比450 ℃時力學(xué)性能更好。

圖4　鎂合金樣坯在不同固溶溫度下處理的微觀組織

3結(jié)語

通過上述分析，可以得出如下結(jié)論。

1)未經(jīng)過固溶處理的鎂合金內(nèi)部包含α-Mg基體、灰色條紋狀LPSO相和黑色粒狀析出相。

2)當(dāng)固溶溫度為430 ℃時會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，晶界處生成一種塊狀第二相，粒狀析出相明顯減少，固溶溫度升高，晶粒更加細(xì)化，提高了合金的力學(xué)性能。

3)時效處理后固溶溫度高的LPSO相和第二相數(shù)量減少，降低了合金的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃曉鋒,郝翠翠,馮凱,等.Zn含量對Mg-9Al鎂合金顯微組織的影響[J].新技術(shù)新工藝,2014(12):98-100.

[2] 房大慶,鄧慶東,王宇,等.Mg-1.5Mn-1.5Y-3Sn合金顯微組織及力學(xué)性能研究[J].新技術(shù)新工藝,2013(6):108-112.

[3] 王閆軍.變形鎂合金擠壓材生產(chǎn)技術(shù)及其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2002, 40(4):50-54

[4] Zhang X H, Ruan X Y, Osakada K. Forgeability of AZ31B magnesium alloy in warm forging[J]. Trans Nonferrous Mel. soc. China, 2003, 13(3):632-635.

[5] 陳振華，嚴(yán)紅萃，陳吉華.鎂合金[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[6] Dwaie M, Magers A. Globao review of magnesium parts in autoumobiles[J]. Ling Metal Age, 1986(9):60-62.

[7] Raymond F. Renaissance in magnesium association 56thannual world conference[J]. Light Metal Age, 1999(7/8):64-69.

[8] 呂宜振,翟春泉.壓鑄鎂合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鑄造,1998(12):50-52.

[9] 孫伯勤.鎂合金壓鑄件在汽車行業(yè)中的巨大應(yīng)用潛力[J].特種鑄造及有色合金,1998(3):40-41.

[10] 鐘皓,劉培英.鎂及鎂合金在航空航天中的應(yīng)用及前景[J].航空工程與維修,2002(4):41-42.

* 山西省自然科學(xué)基金項目(2012011022-3)

責(zé)任編輯鄭練

Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Large Deforming and Heat-resisting Magnesium Alloys

TIAN Zhikun1, ZHANG Zhimin1, YU Jianmin1, YU Haitao2, YANG Yaqin1

(1.School of Materials Science & Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Taiyuan Military Representative Office of Armored Military Representative Bureau, Taiyuan 030006, China)

Abstract：The influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of large deforming and heat-resisting magnesium was studied by tensile test and microstructure observation. The major conclusions can be drawn as following: the optimum heat treatment process is 430 ℃×8 h+225 ℃×16 h. When the solid solution temperature is 430 ℃, the dynamic recrystallization is happend which can improve the tensile strength. After the aging treatment, the number of LPSO increases, which can improve the mechanical properties of the alloy. The tensile strength of the axial direction is 332 MPa, and the elongation is 11.5%. The tensile strength circumferential direction is 374 MPa, and the elongation is 12.3%.

Key words:large deforming and heat-resisting magnesium alloys, microstructure, LPSO, mechanical properties

中圖分類號：TG 146.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-11-05

作者簡介：田治坤(1990-)，女，碩士研究生，主要從事輕合金的變形與強韌化等方面的研究。