基于同步輻射技術(shù)對(duì)提高鎂合金硬度的熱處理過(guò)程的研究

李敏

研究背景

鎂合金是實(shí)用金屬中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料， 它的密度僅約為1.8 g/cm3， 是鋼的1/5， 鋅的1/4， 鋁的2/3，它還具有高比強(qiáng)度、高比剛度的特點(diǎn)。由于能滿足輕量化的需求，鎂合金在3C 產(chǎn)業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，鎂合金也存在一些缺點(diǎn)，比如硬度較低、室溫成型性較差、抗腐蝕性能差等。尤其是其低硬度，較大限制了鎂合金的廣泛應(yīng)用。

那么，有什么辦法可以增加鎂合金的硬度，提高鎂合金的性能呢？通過(guò)向?qū)I(yè)教師咨詢，我了解到：向鎂合金中加入稀土元素然后進(jìn)行熱處理工藝是提高鎂合金硬度的有效手段。之后我還了解到：對(duì)稀土鎂合金進(jìn)行不同時(shí)間和溫度的熱處理工藝后，鎂合金中會(huì)形成強(qiáng)化物（材料專業(yè)領(lǐng)域稱其為時(shí)效析出相），它們可以使稀土鎂合金的性能大大提高。含有Y、Gd、Nd 稀土元素的鎂合金就是其中之一。對(duì)于此系列合金，等溫條件下隨著時(shí)間的推進(jìn)會(huì)形成一些提高材料硬度的時(shí)效析出相，比如β1相，它的化學(xué)成分是Mg3（Nd，Y）;β 相，它的化學(xué)成分是Mg14Nd2Y;βe 相，它的化學(xué)成分是Mg41Nd（Y）5。

為了探究提高稀土鎂合金硬度的最佳熱處理工藝及其硬度提高的原因，我在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行了基于同步輻射技術(shù)表征的Mg-Y-Gd-Nd 鎂合金熱處理實(shí)驗(yàn)。

研究方案

本研究對(duì)Mg-Y-Gd-Nd 鎂合金熱處理過(guò)程進(jìn)行同步輻射表征，以探究熱處理使鎂合金硬度提高的原因。實(shí)驗(yàn)采用的商用稀土鎂合金（Mg-Y-Gd-Nd）的具體成分見表1。

首先，測(cè)試稀土鎂合金的力學(xué)性能（硬度）。鑄態(tài)合金在525 ℃下8 h處理后，進(jìn)行水淬，讓樣品冷卻到室溫，獲得初始狀態(tài)材料。采用硬度儀分別測(cè)試300 ℃實(shí)驗(yàn)溫度下保溫0 min、20 min、40 min、……、180 min、200 min 后鎂合金的硬度。為了保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，我對(duì)每種狀態(tài)樣品的硬度進(jìn)行5 次測(cè)試之后，再對(duì)硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值和上下偏差計(jì)算，作出合金的硬度曲線。硬度實(shí)驗(yàn)采用HV-400型維氏硬度計(jì)。實(shí)驗(yàn)條件為載荷49 N（5 kgf），保載時(shí)間15 s。

然后，利用同步輻射光源技術(shù)觀察和分析樣品在300 ℃熱處理過(guò)程中的內(nèi)部組織變化，從而分析探明鎂合金硬度提高的原因。同步輻射實(shí)驗(yàn)在上海光源完成，圖1 是原位熱處理實(shí)驗(yàn)示意圖。18 keV 高能X 射線首先照射在厚度為1 mm 的試樣上，透過(guò)試樣所獲得的衍射信息被二維探測(cè)器所接收，曝光時(shí)間3 s，采集1 次衍射信息間隔時(shí)間1 min。所采集到的二維衍射圖譜通過(guò)科學(xué)數(shù)據(jù)處理軟件Fit2D 沿衍射環(huán)周向積分獲得材料一維的衍射譜。

接下來(lái)，采用透射電子顯微鏡（型號(hào)：JEOL，JEM-2100）觀察時(shí)效析出相的細(xì)節(jié)特征，進(jìn)一步研究鎂合金在熱處理40 min 后的微觀組織。

最后，運(yùn)用科學(xué)數(shù)據(jù)處理及繪圖軟件Origin 2016 對(duì)衍射譜進(jìn)行擬合獲得衍射峰位置、面積和峰值半高寬，利用峰面積和半高寬信息估計(jì)鎂合金的時(shí)效析出相含量和尺寸的演變過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

硬度測(cè)試

硬度是衡量材料強(qiáng)度力學(xué)性能的重要指標(biāo)。對(duì)于鎂合金的硬度測(cè)試，可選用硬度測(cè)試儀器。先將兩面平整的試樣放到樣品臺(tái)上，利用光學(xué)顯微鏡聚焦觀察到清晰的樣品表面形貌顯微圖片，然后進(jìn)行硬度測(cè)試。經(jīng)過(guò)硬度儀測(cè)試的樣品表面會(huì)形成一個(gè)規(guī)則的正四邊形壓痕，測(cè)量正四邊形的兩條對(duì)角線長(zhǎng)度。根據(jù)對(duì)角線的長(zhǎng)度查材料對(duì)應(yīng)的維氏硬度值。

同步輻射實(shí)驗(yàn)

同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)放出的電磁輻射X 射線。這種X 射線在穿透材料后信號(hào)會(huì)發(fā)生明顯變化。收集這些透過(guò)材料后的X 射線信號(hào)，可以通過(guò)基礎(chǔ)物理理論反推出材料內(nèi)部組織的變化。

透射電鏡觀察

同步輻射實(shí)驗(yàn)后，在教師的幫助下，我進(jìn)行了透射實(shí)驗(yàn)，利用透射電子顯微鏡進(jìn)一步研究鎂合金在熱處理40 min 后的微觀組織。

數(shù)據(jù)處理

根據(jù)材料晶體學(xué)衍射原理，滿足物理布拉格公式的晶面會(huì)形成衍射，從而形成二維的衍射信號(hào)。我用Fit2D 軟件對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行二維衍射圖到一維衍射圖譜的轉(zhuǎn)化處理。一維的衍射譜線是對(duì)二維衍射圖沿著周向強(qiáng)度積分的過(guò)程，所以我得到了由不同強(qiáng)度的衍射峰組成的一維的衍射譜線。我們可以把這些衍射峰理解為材料內(nèi)部的“身份證”。通過(guò)對(duì)衍射峰的標(biāo)定，可以得到材料內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的判斷。比如，初始合金組織中所有的峰被確認(rèn)為是由Mg 形成的衍射峰，那么可以認(rèn)為初始狀態(tài)的研究合金中除了Mg 的結(jié)構(gòu)外不存在其他物質(zhì)結(jié)構(gòu)。如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有新的衍射信號(hào)形成，我們就可以認(rèn)為有新的物質(zhì)形成，并可以據(jù)此確定物質(zhì)的種類。對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和對(duì)一維數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察后，我對(duì)新形成的衍射峰面積進(jìn)行分析，用以反映合金的熱處理組織變化過(guò)程。

結(jié)論

本研究通過(guò)原位同步輻射技術(shù)對(duì)含有稀土元素Y、Gd、Nd 的鎂合金的300 ℃熱處理過(guò)程進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

該稀土鎂合金的硬度可以通過(guò)高溫下熱處理得到顯著提高：合金在熱處理40 min 左右達(dá)到一個(gè)硬度為80 HV 的較穩(wěn)定的狀態(tài)，硬度增加7 HV;100 min 時(shí)合金硬度達(dá)到85 HV最高值，硬度增加12 HV，因此鎂合金硬度提高的最優(yōu)工藝條件為300 ℃下熱處理100 min。

該稀土鎂合金硬度提高的原因是熱處理過(guò)程中生成了β1 和β 這兩種彌散分布的析出相：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，β1 在熱處理開始6 min 后形成;熱處理18 min 后β1 開始向β 轉(zhuǎn)變;熱處理78 min 后此轉(zhuǎn)變結(jié)束。

提出了合金析出相在熱處理過(guò)程中的生長(zhǎng)模式：對(duì)于300 ℃實(shí)驗(yàn)條件，合金的析出相的長(zhǎng)大沒(méi)有約束，會(huì)導(dǎo)致熱處理過(guò)程中析出相粗化。

在世界能源、資源危機(jī)與環(huán)境污染等問(wèn)題日趨嚴(yán)重的今天，高硬度鎂合金的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯，同時(shí)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越重要。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，熱處理時(shí)間的選擇對(duì)獲得高硬度鎂合金十分關(guān)鍵。我們通過(guò)研究得出結(jié)論：Mg-Y-Gd-Nd 合金經(jīng)過(guò)300℃熱處理100 min 是最優(yōu)的工藝條件。這個(gè)結(jié)論可以為當(dāng)下鎂合金工業(yè)的材料開發(fā)和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。選擇最優(yōu)熱處理?xiàng)l件可以使鎂合金的硬度提高，從而進(jìn)一步增加鎂合金在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

創(chuàng)新點(diǎn)

目前，大多數(shù)有關(guān)合金熱處理的研究不涉及過(guò)程信息，為了克服這個(gè)問(wèn)題，本研究利用同步輻射技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行X射線衍射原位研究，得到了更加精確和完整的數(shù)據(jù)結(jié)果，用來(lái)建立材料性能和組織演變之間的關(guān)系，從而揭示熱處理提高鎂合金性能的原因。

專家評(píng)語(yǔ)

本課題研究的鎂合金，主要用途是應(yīng)用于手機(jī)骨架，利用同步輻射高新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)摻稀土后形成的新物相結(jié)構(gòu)有助于提高材料硬度。本研究所用方法非常先進(jìn)，有新的子發(fā)現(xiàn)并給予了分析解釋。建議深入系統(tǒng)地給予全面分析，甚至引入理證分析。