熱處理對Y變質(zhì)Mg-7Al合金組織及力學性能的影響

楊建東

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西西安 710089)

?

熱處理對Y變質(zhì)Mg-7Al合金組織及力學性能的影響

楊建東

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西西安 710089)

摘要：通過對Y變質(zhì)后的Mg-7Al合金進行固溶和時效處理，研究熱處理對Y變質(zhì)后合金組織及力學性能的影響，結果表明，固溶和時效對高熔點的Al2Y相均無明顯影響。而時效處理后β-Mg17Al12相以層片狀和點狀共存的方式再次析出，改善了其原本粗大的網(wǎng)狀形貌，且隨時效溫度升高，層片狀β-Mg17Al12相數(shù)量減少，而點狀析出量增多，因此，時效后合金力學性能得到提高。

關鍵詞：熱處理，鎂合金，Y變質(zhì)，β-Mg17Al12相，力學性能

鎂合金作為最輕的金屬結構材料[1]，具有比強度、比剛度高，抗震減震能力和電磁屏蔽效果佳，易加工成形和回收利用等優(yōu)點[2-3]，高比強度、比剛度使得鎂合金應用于汽車行業(yè)可提高燃油率、降低CO2排放[4]，另外，鎂合金可被應用于航空航天、汽車、電子等工業(yè)領域[5]，表現(xiàn)出巨大的應用潛力。雖然鎂合金得到一定程度的應用，但其應用廣泛性仍遠不如鋁合金，其原因主要是鎂合金還存在著絕對強度低等缺點[6-7]。研究表明Mg-Al合金鑄態(tài)組織中存在共晶β-Mg17Al12相，可顯著影響鎂合金的力學性能[8-9]。稀土元素微合金化和通過熱處理進行組織優(yōu)化是提高鎂合金力學性能的有效途徑[10]。固溶處理可以使鎂合金中的β溶解在基體中，形成飽和的α相固溶體，從而對鎂合金產(chǎn)生一定強化作用，另外時效處理也是改善鎂合金性能的主要強化手段，時效過程中析出的彌散β-Mg17Al12相分布的狀態(tài)和形狀會對合金的組織及力學性能有很大影響，所以固溶和時效處理對于鎂合金的研究有著很重要的意義。

1實驗材料及方法

Mg和Al以純金屬錠形式加入，Y以Mg-30%Y中間合金形式加入。原材料經(jīng)打磨去除表面污物后，按93∶7的質(zhì)量稱量后放入到坩堝中熔化，在720℃澆注出Y含量分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%(質(zhì)量分數(shù))鎂合金試樣。對Mg-7Al合金進行400℃×8h的固溶處理，并用冷水冷卻。隨后分別進行200℃×6h和250℃×6h的時效處理，并隨爐冷卻。采用Nikon Epiphot光學顯微鏡和JSM-6700F掃描電鏡觀察合金顯微組織，并用掃描電鏡附帶的OXFORD INCA能譜儀進行成分分析，采用XRD-7000S型X射線衍射儀進行物相分析。在HT-2042計算伺服控制材料試驗機上對其拉伸力學性能進行測量。

2實驗結果與分析

2.1固溶處理對Mg-7Al合金微觀組織的影響

圖1所示為金屬型Mg-7Al合金400℃×8h固溶處理后水冷的顯微組織，其中左列為固溶組織，右列為固溶后晶界腐蝕的組織。由圖可見，經(jīng)過8h的固溶處理，枝晶偏析現(xiàn)象基本得到消除，與鑄態(tài)組織相比，原本由于非平衡凝固存在于晶界的離異共晶β-Mg17Al12相幾乎完全溶解，而通過擴散未完全固溶進入α-Mg基體晶格的小部分Al元素以細小顆粒狀的β-Mg17Al12相形式均勻彌散分布在基體和晶界處，且加入Y的Mg-7Al合金固溶后β-Mg17Al12相減少且分布更均勻。

(a)、(a′)：Mg-7Al；(b)、(b′)：Mg-7Al-0.1Y；(c)、(c′)：Mg-7Al-0.3Y；(d)、(d′)：Mg-7Al-0.5Y；(e)、(e′)：Mg-7Al-0.7Y；(f)、(f ′)： Mg-7Al-0.9Y

為了鑒別圖1中黑色點狀顆粒及塊狀的物相，對固溶后的Mg-7Al-0.5Y合金試樣進行掃描分析，結果如圖2所示，表1為圖2中白色顆粒a、b的能譜分析。

圖2中的白色顆粒對應圖1(d)中的黑色顆粒。由所列數(shù)據(jù)可以判斷，圖2中呈大塊狀的亮白色顆粒應為Al2Y相，而點狀的暗白色小顆粒為小部分未溶入和水冷過程中再次析出的β-Mg17Al12相。文獻表明[11]，Al2Y相熔點為1400℃，本次試驗固溶處理溫度遠遠低于該相的分解溫度，因此固溶處理對Al2Y相無明顯影響。

圖2　400℃×8h固溶處理后Mg-7Al-0.5Y合金SEM照片

ElementsPointsabMg54.18—Al45.8241.23Y—58.77Total100.00100.00

圖3為鑄態(tài)與固溶態(tài)Mg-7Al-0.5Y合金的XRD分析結果，分別對其基體組織做能譜分析，結果如表2所示。從XRD圖譜分析結果可以看出，固溶態(tài)Mg-7Al-0.5Y合金XRD圖譜中沒有β-Mg17Al12相的衍射峰，此結果與圖1(d)所示的金相組織分析結果一致；而由表2可見，Mg-7Al-0.5Y合金基體中的Al含量由鑄態(tài)時的4.50%升至固溶處理后的7.20%，基本上形成了過飽和固溶體。

圖3　Mg-7Al-0.5Y合金鑄態(tài)和固溶處理態(tài)的衍射圖譜對比

元素鑄態(tài)400℃×8h固溶Mg95.5092.80Al4.507.20總和100.00100.00

對固溶水淬后的Mg-7Al-0.5Y合金進行面掃描分析，結果如圖4所示。圖4(a)為Mg-7Al-0.5Y合金的高倍掃描照片，圖4(b)為圖4(a)視場下的Al元素的面掃描分布圖，可以看出，經(jīng)過固溶處理后，β-Mg17Al12相分解出的Al元素已比較均勻地擴散分布在α-Mg基體中。

(a)SEM照片；

(b)Al元素的面分布

2.2T6處理對Mg-7Al合金微觀組織的影響

圖5所示為Mg-7Al合金在400℃固溶8h水冷處理后，進行200℃/250℃、6h時效處理的顯微組織照片。由圖可見，經(jīng)過時效處理，原本溶入α-Mg中的Al元素又重新以β-Mg17Al12相的形式析出，且形態(tài)各不相同，主要呈連續(xù)及不連續(xù)兩種分布。在晶界處析出的β-Mg17Al12相呈層片狀不連續(xù)分布，與基體有一定位相關系，而在晶內(nèi)析出的β-Mg17Al12相則呈顆粒狀連續(xù)分布。由圖可見，250℃時效處理后的Mg-7Al合金不連續(xù)析出相數(shù)量比200℃時效處理后的少得多，而晶內(nèi)連續(xù)析出相的數(shù)量卻相對增多。

(a)Mg-7Al/200；(a′)Mg-7Al/250；(b)Mg-7Al-0.1Y/200；(b′)Mg-7Al-0.1Y/250；(c)Mg-7Al-0.3Y/200；(c′)Mg-7Al-0.3Y/250；(d)Mg-7Al-0.5Y/200；(d′)Mg-7Al-0.5Y/250；(e)Mg-7Al-0.7Y/200；(e′)Mg-7Al-0.7Y/250；(f)Mg-7Al-0.9Y/200；(f ′)Mg-7Al-0.9Y/250

Mg-7Al合金時效處理時，Al原子從過飽和的α-Mg基體中以β-Mg17Al12相的形式析出，使得α-Mg固溶體的飽和度降低。雖然該相會以兩種方式析出，然而由于缺陷在晶界處比晶內(nèi)多，使Al原子在該處擴散較容易，因此β-Mg17Al12相易在晶界處析出長大，故β-Mg17Al12相常常先在晶界處非連續(xù)析出，隨著時效過程的延續(xù)，慢慢在晶內(nèi)連續(xù)析出。有研究表明[12]：溫度的變化顯著地影響著β-Mg17Al12相的析出行為，β-Mg17Al12相在溫度較高時為連續(xù)析出，而隨著溫度的降低，β-Mg17Al12相會產(chǎn)生不連續(xù)析出，且其形核和生長在時效溫度較低(150℃)時均需要很長的時間才能完成。由此可知，不連續(xù)析出的β-Mg17Al12相會隨著溫度的降低而增多。

2.3熱處理對Mg-7Al合金力學性能的影響

表3給出了4種狀態(tài)下的變質(zhì)Mg-7Al合金抗拉強度σb、屈服強度σ0.2和延伸率δ的變化情況，由表3可知，在Y加入量相同時，固溶和時效處理后的Mg-7Al合金的抗拉強度和延伸率均高于鑄態(tài)，而固溶后Mg-7Al合金的屈服強度相比鑄態(tài)有所下降，但時效處理后的屈服強度有所提高。固溶和時效處理后的Mg-7Al合金，其各項力學性能指標均在0.5% Y處到達最大值，說明Y對Mg-7Al合金的變質(zhì)效果并不受固溶和時效處理的影響。

表3　Mg-7Al合金的力學性能

在微觀組織上，影響屈服強度的主要因素為β-Mg17Al12相的形態(tài)、數(shù)量及分布情況，在固溶處理時，原本網(wǎng)狀的β-Mg17Al12相溶解進基體α-Mg中，使得其不能對位錯運動起到阻礙作用，宏觀表現(xiàn)為屈服強度低于鑄態(tài)，而β-Mg17Al12相因呈脆硬狀，故其的溶解又降低了對α-Mg基體的切割作用，使得塑性提高，增加了延伸率；而Al原子溶入基體，生成了過飽和α-Mg固溶體，固溶強化占主導，提高了合金的抗拉強度。時效處理時從過飽和的α-Mg基體中再次析出的β-Mg17Al12相形貌有了根本變化，相比于鑄態(tài)的粗大網(wǎng)狀形貌，時效處理后的β-Mg17Al12相在晶界處以層片狀的形式非連續(xù)析出及在晶內(nèi)以顆粒狀的形式連續(xù)析出，且析出的尺寸與鑄態(tài)時相比也要細小的多，分布也更均勻，有利于合金力學性能的提高，致使合金的抗拉強度和屈服強度有顯著的提高。

3結論

(1)Mg-7Al合金在400℃×8h固溶處理后，β-Mg17Al12相幾乎全部溶入α-Mg基體中，而高熔點的稀土化合物Al2Y相在試驗溫度下不能分解和固溶，所以前后未有變化。

(2)固溶后的時效處理使β-Mg17Al12相從過飽和α-Mg中以不連續(xù)和連續(xù)共存的方式再次析出，在合金晶界上析出的多呈不連續(xù)的層片狀，在晶內(nèi)析出的則多是連續(xù)的細小點狀，且時效溫度越高，層片狀的β-Mg17Al12相析出量越少。變質(zhì)劑Y有推遲和抑制合金時效過程的作用。

參考文獻

[1] 王強，張治民，張寶紅，等.鎂合金變形強韌化研究進展[J].材料導報，2006，20 (5)：431-433.

[2] 孟凡桂.部分稀土鎂合金體系相關系的研究[D].長沙：中南大學，2006：1-3.

[3] 陳振華，嚴紅革，陳吉華.鎂合金[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：19-20.

[4] Wu D，Chen R S，Han E H. Excellent room-temperature ductility and formability of rolled Mg-Gd-Zn alloy sheets[J]. Journal of Alloys and Compounds，2011，509(6)：2856-2863.

[5] 鄒宏輝，曾小勤，翟春泉，等.鎂合金的強韌化進展[J].機械工程材料，2004，28 (5)：1-3.

[6] 丁文江，吳玉娟，彭立明，等.高性能鎂合金研究及應用的新進展[J].中國材料進展，2010，29(8)：37-45.

[7] Ya Zhang，Xiao qin Zeng，Liufa Liu，et al. Effects of yttrium on microstructure and mechanical properties of hot-extruded Mg-Zn-Y-Zr alloys[J]. Materials Science and Engineering A，2004，373：320-327.

[8] 孫揚善，翁坤忠，袁廣銀.Sn對鎂合金顯微組織和力學性能的影響[J].中國有色金屬學報，1999，9 (1)：55-60.

[9] 趙玉珍，高慶，張喜燕.稀土、鈦變質(zhì)ZA27合金的組織與性能的研究[J].鑄造，2003(7)：484-487.

[10] Zhang H J，Zhang D F，Ma C H，et al. Improving mechanical properties and corrosion resistance of Mg-6Zn-Mn magnesium alloy by rapid solidfication[J]. Materials Letters，2013，92：45-48.

[11] 高洪吾，胡曉菊，李長茂，等. Sb、Y、Nd元素對Mg-6%Al合金顯微組織的影響[J].鑄造，2005，54 (12)：1269-1272.

[12] 唐偉，韓恩厚，徐永波.熱處理對AZ80鎂合金結構及性能的影響[J].金屬學報，2005，41 (11)：1199-1206.

中圖分類號：TG 146.2

Effect of Heat Treatment on the Microstructures and Mechanical Properties of Y-modificated Mg-7Al Alloy

YANG Jian-dong

(Xi’an Vocational and Techincal College，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Abstract：In this paper，solid solution and aging treatment were carried out on Y-modificated Mg-7Al alloy，and the effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties were investigated. The results showed that solid solution and aging teratment had no significant effect on Al2Y phase with high melting point，while β-Mg17Al12phase precipitated again in the form of lamella and dot after aging treatment，improving its original bulky net-work morphology，and with the aging temperature increased，the number of lamella β-Mg17Al12phase decreased，while that of dot precipitation increased，therefore，the mechanical properties of the alloy were improved after aging treatment.

Key words：heat treatment，magnesium alloy，modifier Y，β-Mg17Al12phase，mechanical property