擠壓變形Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的顯微組織及力學性能

劉旭賀,劉振凱,劉希東

(河南工程學院機械工程學院,河南 鄭州 451191)

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,特別是其中的鎂鋰系合金,由于Li的加入,使鎂合金的密度進一步減小。隨著Li含量的增加,鎂鋰合金的密度不斷減小,日本和我國的研究人員都曾研制出可漂浮在水上的鎂鋰合金材料[1-2]。除超輕特性外,鎂鋰合金還具有高比強度和比剛度,具有塑料等高分子材料不具備的導電、導熱、電磁屏蔽等性能,具有良好的加工性能,是航空航天、武器裝備、交通運輸以及3C電子等領域理想的結(jié)構(gòu)減重材料[3-7]。

Li含量對Mg-Li合金的相組成和性能有顯著影響[8]。當w(Li)<5.7%時,合金保持α-Mg的密排六方(HCP)結(jié)構(gòu);隨著Li含量增加(w(Li)=5.7%～10.3%),組織結(jié)構(gòu)逐漸從α-Mg單相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Mg+β-Li雙相,β-Li是體心立方(BCC)結(jié)構(gòu);最后雙相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Li單相(w(Li)>10.3%)。隨著Li含量的增加,使得 HCP結(jié)構(gòu)α-Mg的晶軸比(c/a)減小,抑制基底滑移,并有助于棱柱滑移和錐體滑移。合金的塑性增強,在適當?shù)墓に嚄l件下,鎂鋰合金能表現(xiàn)出超塑性[9]。雖然Li元素的添加使鎂鋰二元合金的強度與純鎂相比得到較大提高,但二元鎂鋰合金的強度仍然很低,而且二元鎂鋰合金在高溫時容易發(fā)生蠕變失效[10]。因此通常在二元鎂鋰合金的基礎上添加適當?shù)暮辖鹪夭⑦M行塑性變形加工,以提高合金的強度。

Al元素和Zn元素是鎂合金中最常用的合金化元素,由此產(chǎn)生了眾多AZ系和ZK系的鎂合金,這兩種元素添加到鎂鋰合金中也具有較好的強化效果[11]。Al在鎂鋰合金中具有較強的固溶強化作用,還會形成Mg17Al12、AlLi等第二相,隨著鋁含量的增加,合金的強度逐漸提高[12]。Zn在鎂鋰合金中除固溶強化作用外,其在時效過程中生成的MgLi2Zn相還將進一步提高合金的強度,產(chǎn)生時效硬化[13]。眾多學者也都對不同成分的Mg-Li-Zn或Mg-Li-Al進行研究,并嘗試在三元合金的基礎上添加其他元素進行強化[14]。

另外,塑性變形也是提高鎂鋰合金性能的重要手段,熱擠壓是其最常用的塑性變形方法[15]。鎂鋰合金在擠壓過程中變形量大,發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,合金的強度在加工硬化和晶粒細化的雙重作用下得到提高[16-17]。擠壓方式、擠壓溫度和擠壓比都會對合金的最終性能產(chǎn)生影響[18]。

本試驗制備了一種Mg-Li-Al-Zn合金,同時添加Al和Zn元素,并對合金進行熱擠壓,研究了擠壓態(tài)合金的顯微組織和力學性能,為系統(tǒng)研究和應用鎂鋰合金材料提供參考。

1 試驗過程

本試驗原材料為純鎂、純鋰、純鋁和純鋅,所用設備包括中頻真空感應熔煉爐(采用氬氣作為保護氣體)、鑄鐵坩堝、低碳鋼模具。熔鑄得到直徑為58 mm的鑄錠,鑄錠在真空熱處理爐中進行均勻化處理,溫度為260 ℃,保溫時間為24 h。均勻化處理后,去除鑄錠表面的氧化皮。采用ICP對鑄錠進行成分測定,實際成分為Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn。

在3.5 MN臥式擠壓機上對鑄錠進行擠壓,擠壓前,將鑄錠在350 ℃的加熱爐中保溫2 h,模具加熱到350 ℃,擠壓筒溫度為320 ℃,擠壓比約為17,得到直徑為14 mm的棒材。

對擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金垂直擠壓方向和平行擠壓方向的兩個面進行金相觀察。截取合適尺寸的塊狀材料并鑲嵌成金相試樣,經(jīng)過320#、600#、800#、1000#和1500#砂紙的粗磨,然后在拋光機上進行精磨,采用Cr2O3懸濁液作為拋光劑。拋光后采用2%硝酸酒精溶液侵蝕15～20 s,迅速用酒精沖洗,吹風機吹干。利用LEICA DMIRM金相光學顯微鏡觀察合金的顯微組織。

利用TTR-Ⅲ Rigaku型X射線衍射儀對合金進行物相測試,試樣的測試面在測試前經(jīng)過打磨和拋光,不腐蝕,測試電壓為40 kV,電流為150 mA,掃描角度為20°～80°,速度為5°/min,靶材為銅靶。

利用JSM6300掃描電子顯微鏡觀察合金的組織和斷口形貌,并利用設備自帶的能譜儀測試合金的微區(qū)成分。

沿擠壓方向?qū)D壓棒材加工成圓棒狀拉伸試樣,試樣中間平行段尺寸為Φ5 mm×30 mm,在INSTRON萬能試驗機上進行室溫拉伸測試,橫梁移動速度為5 mm/min。測試3個試樣,取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的顯微組織

圖1顯示的是擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的顯微組織。由圖1可以看出,擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的組織由灰色基體和黑色化合物組成。

基體的晶粒細小,晶粒尺寸在8 μm～20 μm之間,平均晶粒尺寸為13 μm,晶粒呈等軸狀,是典型的動態(tài)再結(jié)晶組織。一般來說,鑄態(tài)鎂鋰合金的晶粒尺寸較大,且多呈樹枝狀。在擠壓變形過程中,合金在加熱狀態(tài)下發(fā)生較大的塑性變形,很容易誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶。合金基體中分布著一些黑色的尺寸較大的物質(zhì),這些物質(zhì)主要分布在晶界附近。從圖1c、圖1d看到,這些物質(zhì)在擠壓過程中沿擠壓方向呈線性聚集。根據(jù)高倍的金相圖片和掃描電鏡照片,黑色物質(zhì)是基體相和某種相組成的共晶化合物。為確定合金中元素的分布以及化合物的成分,對擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金進行了微區(qū)成分分析,分別測試了基體和不同形貌化合物的微區(qū)成分,結(jié)果如圖2所示。

圖2 擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的微區(qū)成分結(jié)果

由圖2d可以看出,基體中的元素以Mg為主,含有少量的Zn,沒有檢測出Li和Al。沒有檢測出Li是由于Li的原子序數(shù)小,電離能過低,無法被檢測出;沒有檢測出Al說明固溶在基體中的Al元素很少,合金中的Al元素主要形成了化合物。

由圖2b、c可以看出,合金中的顆粒狀化合物和共晶狀化合物中均含有Mg、Al和Zn,說明這些化合物均含有Mg、Al和Zn元素,由于掃描過程中不可避免的掃描到了基體的成分,所以可以判斷這些物質(zhì)是含有Al元素的化合物,也可能含有Li。

根據(jù)XRD分析結(jié)果(如圖3所示),檢測出合金中主要含有的物相是Mg,其他的物相由于含量少,未檢測出。根據(jù)相關文獻,Mg-Li-Al-Zn系鎂鋰合金中,當w(Li)<5.7%時,合金基體為密排六方結(jié)構(gòu)的α-Mg相,根據(jù)Al和Zn含量的不同,合金中可能出現(xiàn)AlLi相以及MgLiAl2相或MgLi2Zn等物相,AlLi相通常與基體形成共晶形貌的化合物,MgLiAl2相或MgLi2Zn等物相通常為顆粒狀。因此判斷本研究中擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金中組成共晶狀化合物的白色物質(zhì)為AlLi相,但含量較少。

圖3 擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的XRD結(jié)果

2.2 擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的力學性能

圖4顯示的是擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金拉伸應力應變曲線。應力應變曲線在經(jīng)過彈性變形階段后,有較長的塑性變形階段,說明材料具有較好的塑性變形能力。拉伸曲線在彈性變形階段和塑性變形階段之間沒有明顯的屈服現(xiàn)象。在塑性變形階段,出現(xiàn)了鋸齒狀特征,這是拉伸變形過程中合金內(nèi)部動態(tài)失穩(wěn)的表現(xiàn),在Li含量較低的鎂鋰合金中,這種現(xiàn)象經(jīng)常存在,通常認為是在拉伸變形過程中的溶質(zhì)原子的動態(tài)應變時效引起的[19]。

表1列出了拉伸測試的力學性能結(jié)果和GB/T5155-2013要求的AZ31鎂合金的力學性能指標。經(jīng)過拉伸測試,擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的抗拉強度、屈服強度、伸長率分別為260 MPa、234 MPa和20.7%,采用阿基米德排水法測得其密度為1.55 g/cm3。整體上,擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金不僅密度比AZ31鎂合金小,而且抗拉強度、屈服強度和伸長率均比AZ31鎂合金的高。與AZ31鎂合金相比,抗拉強度、屈服強度和伸長率分別提高了17%、67%和195%。

2.3 斷口形貌分析

圖5顯示的是擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金拉伸斷口形貌。拉伸斷口主要由韌窩組成,在韌窩邊緣存在一些解理臺階,表明斷裂方式是韌性斷裂,這與合金具有較高的斷裂伸長率結(jié)果一致，表明擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金是韌性材料,具有較好塑性變形能力。

圖5 擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金拉伸斷口形貌

3 結(jié) 論

1)擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金由基體α-Mg和少量的AlLi相組成,晶粒尺寸細小,為動態(tài)再結(jié)晶組織。

2)擠壓態(tài)Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金具有較高的力學性能,抗拉強度達到260 MPa,斷裂伸長率為20.7%,斷口主要由韌窩組成,材料具有較高的韌性。