環(huán)境藝術(shù)用鎂合金的合金化研究

軒德軍，沈 婷

(馬鞍山師范高等專科學(xué)校 藝術(shù)設(shè)計(jì)系,安徽 馬鞍山 243000)

環(huán)境藝術(shù)與人們的工作、生活和休閑娛樂息息相關(guān),尤其是隨著近年來國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,現(xiàn)實(shí)生活中人們對(duì)于各類環(huán)境藝術(shù)質(zhì)量的要求也在逐年提高,許多城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)、雕塑和藝術(shù)品等作為環(huán)境藝術(shù)的一部分,也在呈現(xiàn)多角度融合和發(fā)展的特征。鎂合金作為21世紀(jì)密度最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,由于具有比強(qiáng)度高、散熱好和耐沖擊載荷作用優(yōu)異等特性而在環(huán)境藝術(shù)領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景[1]。尤其是隨著節(jié)能減排意識(shí)的不斷增強(qiáng),具有密度輕、比強(qiáng)度和比剛度高等特點(diǎn)的Mg-Zn-Zr合金迎來了較大的發(fā)展機(jī)遇,通過對(duì)其進(jìn)行微合金化處理可以進(jìn)一步提升其綜合性能而更適宜現(xiàn)代化市場(chǎng)的需求[2]。本文通過添加不同含量的Y的方法,對(duì)Mg-Zn-Zr合金進(jìn)行微合金化設(shè)計(jì),并研究Y含量對(duì)合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響,以期開發(fā)出高性能環(huán)境藝術(shù)用鎂合金并推廣其工業(yè)化應(yīng)用。

1 材料與方法

試驗(yàn)選材為稀土Y微合金化的低Zn的Mg-Zn-Zr合金,通過合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì),配制了4種不同Y含量的壓鑄Mg-Y-Zn-Zr合金,化學(xué)成分經(jīng)過電感耦合等離子發(fā)射光譜測(cè)試,其主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of experimental alloys 單位：%

金相試樣經(jīng)過打磨和拋光處理后,在OLYMPUS-3型金相顯微鏡下觀察不同狀態(tài)下的試樣的顯微組織,腐蝕試劑為5.0 mL冰醋酸+5.0 g苦味酸+10.0 mL蒸餾水+80.0 mL乙醇的混合溶液;X射線物相分析結(jié)果采用德國D-8型X射線衍射儀進(jìn)行,掃描角度在20°～80°之間;拉伸力學(xué)性能測(cè)試按照國標(biāo)GB228—2002執(zhí)行,在MTS-809型電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行測(cè)試,每組試樣取3根,獲得抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率的測(cè)試的結(jié)果,并以其平均值作為測(cè)試最終結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

圖1為添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的金相顯微組織測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?在Mg-Zn-Zr合金中添加稀土元素Y后,合金的晶粒尺寸得到明顯細(xì)化。在未添加Y的合金中,Mg-Zn-Zr合金的晶粒尺寸約為70 μm;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y時(shí),Mg-0.7Zn-0.3Zr-1Y合金的晶粒尺寸約為46 μm;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%Y時(shí),Mg-0.7Zn-0.3Zr-2Y合金的晶粒尺寸約為40 μm;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%Y時(shí),Mg-0.7Zn-0.3Zr-3Y合金的晶粒尺寸約為32 μm。此外,在未添加Y的合金中,晶粒內(nèi)部和晶界處并未發(fā)現(xiàn)組織缺陷或者明顯的粗大初生相產(chǎn)生[3],內(nèi)部組織相對(duì)均勻,Y元素較好地固溶于合金基體中;在合金中添加Y元素后,晶界處開始出現(xiàn)尺寸和分布不同的第二相組織,且隨著Y含量的增加,第二相組織逐漸粗化。

圖1 Y對(duì)合金金相顯微組織的影響Fig.1 The effects of Y on the OM microstructure of alloys

圖2為添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的平均晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖中可以看出,隨著Mg-Zn-Zr合金中Y元素的增加,合金的晶粒尺寸不斷減小。但是從變化曲線可以看出,在合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y后的合金的晶粒尺寸的降低幅度較大,此后隨著Y含量的增加,合金的晶粒尺寸減小幅度不斷降低,曲線趨于平緩。由此可以推斷隨著Y含量的繼續(xù)增加,晶粒尺寸最終將趨于一穩(wěn)定水平。

圖2 Y對(duì)合金晶粒尺寸的影響Fig.2 The effects of Y on the grain size of the alloys

圖3為添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的X射線物相分析結(jié)果。圖中可以看出,隨著Y含量的增加,合金中出現(xiàn)了新相組織。在未添加Y的合金中,Mg-Zn-Zr合金為單相組織,主要含有α-Mg相,這一點(diǎn)與前續(xù)的在晶內(nèi)和晶界處沒有發(fā)現(xiàn)第二相組織保持一致;當(dāng)在合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y后,在晶界上可以發(fā)現(xiàn)少量的第二相;隨著Y質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至2%和3%以后,合金中晶界處的第二相逐漸增多,經(jīng)過XRD檢測(cè)分析以后,合金中出現(xiàn)Mg24Y5相[4]。因此,隨著Y含量的增加,合金中將逐漸出現(xiàn)Mg24Y5相,對(duì)合金的組織與性能產(chǎn)生重要的影響。

圖3 不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的X射線物相分析結(jié)果Fig.3 XRD spectra of Mg-Zn-Zr alloys

圖4為添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果。圖中可以看出,隨著Y含量的增加,合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度逐漸增加,而伸長率先增加后減小,當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y時(shí),伸長率取得最大值。當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率的增加率分別為14.5%、68%和22%;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%Y時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加率分別為0.6%和2.8%,而伸長率降低;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%Y時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度趨于不變,而伸長率降低?？赡艿脑蛟谟诤辖鹬刑砑覻后,使得合金產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用,合金的強(qiáng)度得到提高;當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%Y以后,晶粒的細(xì)化效果和晶界處的粗化所引起的弱化效果相抵消[5-6],合金的強(qiáng)度增加幅度減小,而伸長率降低。

圖4 不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金對(duì)力學(xué)性能的影響Fig.4 The effects of Y on mechanical property of Mg-Zn-Zr alloys

圖5為添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的拉伸斷口切片的金相組織。從圖中可以看出,不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的拉伸斷口的金相組織存在顯著的差異,當(dāng)未添加Y的合金中,經(jīng)過拉伸試驗(yàn)后,拉伸斷口的裂紋是隨著晶界擴(kuò)展而形成的;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y后,拉伸斷口裂紋主要是以沿著晶界擴(kuò)展和沿著層片狀組織擴(kuò)展而形成的,其中前者占據(jù)絕大部分,后者只有少量;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%Y后,拉伸斷口裂紋主要以沿著晶界擴(kuò)展、沿著層片狀組織擴(kuò)展和沿著第二相擴(kuò)展三種形式存在[7],其中又以沿著第二相擴(kuò)展為主;當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%Y后,合金的裂紋擴(kuò)展又轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂Ы绲诙鄶U(kuò)展[8]。在合金中Y含量不斷增加的過程中,合金裂紋擴(kuò)展的途徑逐漸從沿著晶界擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂诙鄶U(kuò)展。

圖5 不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的常溫拉伸斷口切片的金相組織Fig.5 Fracture morphology of Mg-Zn-Zr alloys with the different Y contents

3 結(jié)論

1)在Mg-Zn-Zr合金中添加稀土元素Y后,合金的晶粒尺寸得到明顯細(xì)化;隨著Mg-Zn-Zr合金中Y元素的增加,合金的晶粒尺寸不斷減小。

2)在合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y后,在晶界上可以發(fā)現(xiàn)少量的第二相;隨著Y質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至2%和3%后,合金中晶界處的Mg24Y5相逐漸增多。

3)隨著Y含量的增加,合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度逐漸增加,而伸長率先增加后減小,當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Y時(shí),伸長率取得最大值。

4)合金中Y含量不斷增加的過程中,合金裂紋擴(kuò)展的途徑逐漸從沿著晶界擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂诙鄶U(kuò)展。