Al对Mg-5%Cu合金显微组织及力学性能的影响

李向平，黄晓锋，2，冯 凯，王鹏飞，张少辉

（1.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050；2.兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州 730050）

Al对Mg-5%Cu合金显微组织及力学性能的影响

李向平1，黄晓锋1，2，冯 凯1，王鹏飞1，张少辉1

（1.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050；2.兰州理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州 730050）

通过光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪及万能力学试验机等研究了不同Al含量（1%、3%、5%）对Mg-5%Cu合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：在Mg-5%Cu合金中添加Al元素后，显微组织得到明显细化；当Al含量为5%时，其主要相组成为α-Mg基体相、β-Mg17Al12相、Al2Cu相和AlCuMg三元相；随着Al含量的增加，合金的抗拉强度逐渐上升，Mg-5%Cu-5%Al合金的抗拉强度最高，为192MPa；而伸长率呈逐渐下降的趋势。

铝；Mg-5%Cu合金；显微组织；力学性能

镁合金是最轻的工程金属结构材料，具有低密度、较高的比强度和比刚度、较好的阻尼减震性能和电磁屏蔽性能，切削加工性能良好，易回收利用等优点，在汽车、电子、家电、通信、仪表以及航空航天等领域的应用日益增多，被誉为“21 世纪绿色工程金属”[1～3]，有着很乐观的应用前景。但是，与钢、铝等传统的金属材料相比，到目前为止对镁的研究还远远不够。近些年来，国内外出现了研究开发镁基材料的热潮，其中，对镁的合金化的研究是很重要的一个方面。镁的合金化是改善镁合金的力学性能、工艺性能、阻燃性、耐蚀性的有效手段[4]。

在Mg-Al合金中加入Cu可改善铸件的韧性及固溶处理特性，可在室温和高温下表现较为良好的力学性能。研究表明，Cu的加入能够显著提高Mg-Al合金的固相线温度，能够在更高的温度下进行固溶处理，使较多的合金元素固溶于合金中，增强了随后的时效强化效果，而且Cu还能显著提高合金的延展性[5，6]。对于Mg-Cu二元合金来说，Cu含量在5%左右时，具有较好的铸造力学性能（σb=142MPa，δ=4.5%）。Al是镁合金中最常用、最有效的合金化元素，随着Al含量的增加合金的铸造性能得到改善，并且具有优异的力学性能，但Al含量也不宜过高，否则将导致合金变形能力下降[7～9]。因此，本实验在Mg-5%Cu基体合金中加入（1%、3%、5%）的Al元素后，研究在金属型铸造工艺条件下的显微组织和力学性能的变化规律。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验所用的原材料为99.9%的纯镁、纯铝和纯铜，配制合金如表1所示。实验合金在7.5kW井式坩埚电阻炉中进行熔炼，用 KSW-12-12A恒温控制箱控制电炉温度 ，并采用RJ-2熔剂保护。坩埚、钟罩、浇勺等工具在使用前先预热至200℃左右，在表面涂以一定厚度的涂料，然后烘干待用。熔炼过程通入氩气进行保护，待Mg和Cu熔化后，在680℃时将预热好的纯铝加入熔体中，当温度升至720℃采用C2Cl6进行精炼、扒渣，静置15～20min，待炉温降至705℃时浇注到预热的金属型模具中，分别得到Mg-5%Cu-1%Al、Mg-5%Cu-3%Al和Mg-5%Cu-5%Al三种合金。

表1 试验合金的成分（wB/%）

1.2 试验方法

在岛津AG-10TA型万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为1mm/min，每组3个试样取平均值，试样尺寸如图1所示；在浇注成ø15mm×100mm的棒料上取ø15mm×10mm的小试样，经预磨和抛光后，用8%的硝酸水溶液腐蚀，在MeF-3型光学显微镜上进行显微组织观察；采用JSM-6700F型扫描电镜对显微组织和拉伸断口形貌进行观察；利用Rigaku D/max2400型X射线衍射仪（XRD）进行物相分析；采用EDAX能谱仪进行微区成分分析。

2 结果与讨论

2.1 合金的显微组织分析

图2为不同铝含量的Mg-5%Cu合金的铸态显微组织。Mg-5%Cu-XAl合金的组织主要由白色的基体相和在晶界上呈网络状分布的黑色的第二相组成，第二相的数量随着铝含量的增加而增多，晶间第二相粗化，合金晶粒随着铝含量的增加而逐渐细化。对于亚共晶的Mg-Al合金，随着铝含量的增加，α-Mg晶粒尺寸明显减小，主要是由于Al的生长抑制因子（GRF）值较小，所以Al含量较低时，在生长的晶粒表面前沿难以产生较大的成分过冷，因此其晶粒细化能力较弱[6]，随着Al含量的增加，晶粒细化显著。

图3是Mg-5%Cu-5%Al合金的XRD图谱。结果表明，当Al含量为5%时，合金显微组织主要由α-Mg基体（包括初生α-Mg和共晶α-Mg）和以离异共晶方式析出的β相（Mg17Al12）（β相基本上是以粒状和短棒状形态存在于晶界，少量位于晶内），另外还有少量Al2Cu相和在晶界或者晶内分布的点、块状的AlCuMg三元相组成。

图4和表2、图5和表3，图6和表4分别为三种实验合金 Mg-5%Cu-1%Al、Mg-5%Cu-3%Al和 Mg-5%Cu-5%Al的EDS分析结果，其中a点成分均为基体相成分，其Cu的含量很低。图4中当铝含量为1%时，基体中的Al含量为0，其原因有如下两个：一方面是合金中加入的Al含量较少，另一方面是Al与Cu或Mg形成了共晶相。由XRD分析结果（图3）及对能谱分析结果（图6和表4）可进一步得知，当Al含量为5%时，试验合金主要由基体α-Mg相（a点），主要沿晶界分布、少量位于晶内的白色β-Mg17Al12相和Al2Cu相（b点）以及在晶界或者晶内分布的点、块状的AlCuMg三元相（c点）组成。

表2 Mg-5%Cu-1%Al合金的能谱分析结果（wB/%）

表3 Mg-5%Cu-3%Al合金的能谱分析结果（wB/%）

表4 Mg-5%Cu-5%Al合金的能谱分析结果（wB/%）

2.2 力学性能

拉伸试验结果如图7所示，随着铝含量的增加，合金的抗拉强度逐渐增大，当铝含量为5%时，合金的抗拉强度为192MPa。这是因为随铝含量的增加，合金中第二相的数量增多，且大多数以半连续网状形式存在，第二相强化效果明显增强。同时合金的晶粒尺寸逐渐变小，合金中强化相也能有效地形成位错纠缠，从而导致合金抗拉强度明显提高。

同时，随着铝含量的增加，合金的伸长率逐渐降低，当铝含量为5%时，合金的伸长率为3.38%，主要是由于生成的β-Mg17Al12相数量较多，并且较粗大，粗大金属间化合物相内部及其与基体的界面处易出现裂纹，从而导致合金伸长率下降[10]；而且由于β-Mg17Al12相是一种脆性相，具有割裂基体的作用，从而限制合金变形能力。

2.3 拉伸断口形貌

图8为Mg-5%Cu-XAl铸态合金拉伸断口形貌。由于镁合金为密排六方结构，其滑移系较少，只能进行非常有限的宏观变形，解理断裂是镁合金最常见的断裂方式。从图中可以看出，当铝含量为1%时，合金拉伸断口形貌特征为具有解理小刻面和由解理台阶形成的河流花样，还可以观察到少量的韧窝，合金的塑性较好。随着铝含量的进一步增加，当铝含量为3%和5%时，合金的断口形貌存在解理面和解理台阶并混有撕裂棱，在有的解理面上还可以看到细小的二次裂纹，局部小刻面上可以看到解理河流，这是密排六方晶体结构金属典型的断裂方式，呈混合断裂机制。由于铸态拉伸断口呈现丰富的撕裂棱，而这种解理断裂特征必然导致合金的塑性下降[1，11]，从而解释了随着Al含量的增加，合金的伸长率呈下降的趋势。

3 结论

（1）在Mg-5%Cu合金中添加Al元素后，随着Al含量的增加，合金中第二相的数量增加，同时合金的晶粒尺寸逐渐变小，当Al含量为5%时，合金铸态组织主要由α-Mg基体相、β-Mg17Al12相、Al2Cu相和AlCuMg三元相组成。

（2）随着合金中Al元素添加量的增加，合金的抗拉强度逐渐增大，伸长率逐渐减小，当合金中铝含量为5%时，其抗拉伸强度和伸长率分别为192MPa和3.38%。

[1]黄晓锋，朱凯，曹喜娟，等.锌对Mg-3%Al合金铸态显微组织和力学性能的影响[J].机械工程材料，2009，33（10）：50-52.

[2]袁卫华，张兴军，杨淑启，等.Y对Mg-Zn合金组织和力学性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2008，28（8）：649-650.

[3]黄晓锋，曹喜娟，阎峰云，等.钇对Mg-5Zn-2Al合金组织和力学性能的影响[J].中国稀土学报，2009，27（4）：552-555.

[4]张喜燕，姜锋，赵敏，等.Mg-Al-Zn合金的成分、组织与性能的关系研究[J].重庆工学院学报，2003，17（6）：6-7.

[5]李萧，刘江文，罗承萍，等.铸造ZC62镁合金的时效行为[J].金属学报，2006，42（7）：733-738.

[6]郝启堂，杨光昱，介万奇，等.Mg-Al-Cu系砂型铸造镁合金组织和性能研究[J].稀有金属材料与工程，2007，36（4）：671-673.

[7]黄晓锋，冯凯，谢锐.锌对Mg-6Al合金显微组织和力学性能的影响[J].机械工程材料，2010，34（12）：9-12.

[8]ZOU Hong-hui，ZENG Xiao-qin，ZHAI Chun-quan，DING Wen-jiang.The effects of yttrium element on the microstructure and mechanical properties of Mg-5%Zn-2%Al alloy[J].Material science＆Engineering A，2005，402：142-148.

[9]YUAN Guang-yin，SUN Yang-shan，DING Weng-jiang，et al.Effect of bismuth and antimony additions on the microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy[J].Material science＆Engineering A，2001，A308:38-44.

[10]黄晓锋，曹喜娟，朱凯，等.Al/Zn比对Mg-Al系镁合金组织及力学性能的影响[J].铸造，2008，57（9）：938-941.

[11]张宇辉，高德明，张洪军，等.Mg-Al-Zn-Mn系铸造镁合金力学性能研究[J].特种铸造及有色合金，2005，25（9）：517-519.

Effect of Al on Microstucture and Mechanics Properties of Mg-5%Cu Alloys

LI XiangPing1，HUANG XiaoFeng1,2，FENG Kai1，WANG PengFei1，ZHANG ShaoHui1
(1.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,GanSu China 2.Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing the Ministry of Education Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,GanSu China）

The effects of Al content(1、3、5%)on microstructure，mechanics properties of Mg-5%Cu alloy have been investigated by OM，XRD，SEM,EDAX and universal testing machine.The results have shown that the microstructure was refined significantly owing to the Al addition to Mg-5%Cu alloy；the microstructure of the alloy with Al addition of 5%contained α-Mg、β-Mg17Al12、Al2Cu and AlCuMg phases；the tensile strength of alloy increased gradually as the Al content increased，Mg-5%Cu-5%Al had the highest tensile strength 192MPa while elongation showed a decreasing trend.

Al；Mg-5%Cu alloy；Microstructure；Mechanics property

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）06－4

973前期研究专项（项目编号：2010CB635106），甘肃省高等学校基本科研项目

2011－07－10

2011－105

李向平（1986-），男，硕士研究生，主要从事镁合金的研究