Zn含量对Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金组织和力学性能的影响

李慧中, 刘洪挺, 陈健美, 王海军, 梁霄鹏

(1.湖南涉外经济学院机械工程学院,长沙 410205;2.中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙 410083）

Zn含量对Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金组织和力学性能的影响

李慧中1,2, 刘洪挺2, 陈健美1, 王海军2, 梁霄鹏1,2

(1.湖南涉外经济学院机械工程学院,长沙 410205;2.中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙 410083）

采用显微硬度和力学性能测试及金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等分析手段,研究了Zn含量对Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金挤压以及时效处理后合金组织和力学性能的影响。结果表明,在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加 Zn元素,有利于细化合金晶粒,提高挤压态的强度。未添加Zn的合金T5态晶粒尺寸约为25μ m,添加1%(质量分数,下同）Zn后,晶粒尺寸约为15μ m,Zn含量为3%时,晶粒尺寸约为10μ m。当Zn含量为1%时,合金挤压态和时效态的抗拉强度分别为337MPa,397MPa,屈服强度分别为128MPa,148MPa,伸长率分别为10.0%,5.0%,具有较好的综合性能。

Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金;Zn元素;挤压-时效;显微组织;力学性能

镁及镁合金是目前密度最低的金属结构材料,具有高的比强度和比刚度,很好的抗磁性,高的电负性和导热性,良好的消震性和切削加工性能。但镁合金的强度不高,特别是高温性能较差,大大限制了其应用领域[1,2]。由于 Gd,Y元素在镁合金中具有较大的固溶度(分别为23.5%(质量分数,下同）和12.6%）,在稀土镁合金的研发中,Mg-Gd-Y系合金作为最有希望获得热处理强化的镁合金已日益引起各国研究界的关注,成为镁合金研究的热点[3,4]。YAO,Mordike和He研究表明,经过热变形和时效处理后,Mg-Gd-Y-Zr系合金的室温力学性能和高温力学性能以及抗高温蠕变性能,都高于 WE54,WE43和QE22镁合金[5～8]。已有研究报道:向镁合金中添加Zn元素可以提高合金的耐蚀性和力学性能[9]。Mg-Gd-Y-Zr系合金为时效强化型合金,时效析出相的形态对合金的力学性能有较大影响,Yang等人研究了Mg-9Gd-3Y-0.6Zn-0.5Zr合金时效过程相的变化及其对合金力学性能的影响,发现过饱和固溶体的分解过程为:α′-Mg(S.S.S.S）→β′′→β′→β1→β,其中纳米级的亚稳定相β′′和 β′对室温抗拉强度有很大的贡献[10]。但是不同的 Zn含量对 Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金组织与性能的影响的研究还未见详细报道。本工作通过在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加不同含量的Zn元素来探讨Zn对Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金挤压及时效后的组织和力学性能的影响规律。

1 实验材料及方法

实验合金的化学成分如表1所示,合金采用高纯 Mg、纯 Zn、Mg-31.72%Y 合金、Mg-30.47%Gd合金、Mg-31.16%Zr合金,使用不锈钢坩埚在井式电阻炉中熔炼。在熔炼和浇注时采用SF6+CO2混合气体进行保护,熔炼温度为 780～800℃,合金溶液在750℃静置10 min,后浇于钢制模具中。铸锭经430℃/2h+510℃/16h均匀化处理后,在300T油压机上进行挤压,挤压温度为450℃,挤压比为12,挤压速率为1m/min。挤压后棒材在200℃下进行0～108h等温时效处理。金相试样用5g苦味酸 +100mL酒精 +5mL乙酸 +10mL蒸馏水溶液腐蚀后在XJP-6A型金相显微镜上观察;合金室温拉伸力学性能在CSS-44100电子万能试验机测定,按GB6397—1986标准统一制成 φ 5mm的短比例试样,拉伸速率为2mm/min;用HVS-1000型数显显微硬度计测量实验合金硬度,试验力为4.9N,加载15s;采用Sirion200场发射扫描电镜进行相观察;用离子减薄制备透射样品,在TecnaiG220透射电镜上进行观察;物相分析在 D/MAX2500型X射线衍射仪上进行。

表1 试验合金化学成分(质量分数/%）Table 1 chemical composition of test alloys(mass fraction/%）

2 实验结果

2.1 合金时效特性

由于Mg-RE合金为可显著时效强化的合金,用挤压方式生产的镁合金热处理既可采用T5(人工时效）处理,也可以采用T6(固溶淬火 +人工时效）处理[6,11],而含 Zr的 Mg-RE合金挤压后,若进行固溶处理,由于固溶处理温度较高,其再结晶晶粒将会迅速长大,降低合金力学性能。在T5热处理时,挤压变形过程中产生的位错,亚结构有利于析出相弥散析出,往往用T5处理就可以满足合金强度和塑性的要求[12]。本实验合金经450℃挤压后直接进行T5热处理。

图1为三种合金挤压变形后在200℃的时效硬化曲线。由图可见,在时效初期,随着时间的推移,各合金硬度呈上升趋势,其中合金1和2,硬度值迅速上升,合金3则缓慢上升;在时效24h时,合金1硬度达到峰值,合金2在32h时达到硬度峰值,合金3到72h才出现硬度峰值,三种合金的峰值硬度分别为123HV,131HV和104HV;合金硬度达峰值后,随着时间的延长其硬度值开始呈下降趋势,进入过时效阶段。所以,各合金时效过程均经历了欠时效、峰值时效和过时效过程,并且随着Zn含量的增加,合金达到峰值的时间延长,当Zn含量为1%时,合金的峰值硬度最高,较未添加Zn的合金增加8HV;当Zn含量为3%时,合金的峰值硬度较未添加 Zn的合金低19HV。

图1 挤压态合金200℃时效硬度曲线Fig.1 Aging curves of the extruded samples at 200℃

2.2 合金力学性能

表2为合金挤压态和T5峰值时效态的室温拉伸力学性能。可见,添加1%Zn的合金挤压态的抗拉强度和屈服强度较未添加Zn的合金分别提高29MPa和11MPa;添加3%Zn的合金的抗拉强度和屈服强度较未添加Zn的合金分别提高12MPa和4MPa。各合金挤压态的伸长率均大于10%,表现出良好的塑性。经T5处理后合金的抗拉强度和屈服强度较挤压态均有较大程度的提高,但伸长率均降低较明显。其中合金1的抗拉强度,屈服强度和伸长率分别达370MPa,131MPa和6.4%,抗拉强度和屈服强度较挤压态提高62MPa和14MPa,伸长率降低5.0%。添加1%Zn的合金T5态的抗拉强度和屈服强度较未添加Zn的合金分别提高27MPa和17MPa;添加3%Zn的合金的抗拉强度和屈服强度较未添加Zn的合金分别提高5MPa和7MPa。可见,Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加1%时,其挤压态和T5态具有较好的力学性能。

表2 实验合金室温拉伸性能Table 2 Tensile properties of the alloys tested at room temperature

2.3 金相分析

各合金峰值时效时的金相显微组织如图2所示。由图可以看出,各合金晶粒都呈等轴状,并且随着Zn含量的增加晶粒逐渐细化。未添加Zn的合金平均晶粒大小约为25 μ m(图2a）,添加1%Zn的合金平均晶粒大小约为15 μ m(图2b）,添加3%Zn的合金平均晶粒约为 10 μ m(图 2c）。

2.4 XRD分析

对各合金峰值时效试样进行XRD分析,结果如图3所示。峰值时效时,各合金中除了 α-Mg基体外,均含有富稀土的 Mg24Y5和 Mg5(Gd,Y）相,在添加Zn的合金中还出现少量Mg4Zn7相的衍射峰,所以在添加Zn的Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr的合金中主要生成Mg24Y5相、Mg5(Gd,Y）相和Mg4Zn7相,Zn主要以Mg4Zn7相的形式在合金中存在。

图2 挤压后合金峰值时效时纵截面金相显微组织 (a）合金1;(b）合金2;(c）合金3Fig.2 OM images of the peak-aged sample(longitudinal direction）(a）alloy 1;(b）alloy 2;(c）alloy 3

图3 合金峰值时效时XRD图谱Fig.3 X-ray diffraction pattern of peak-ageing specimens

2.5 扫描电镜分析

不同Zn含量的合金峰值时效态扫描电镜分析如图4所示。由图可见,各合金中的第二相沿加工方向呈流线形分布,并且随着Zn含量的增加,该第二相的数量逐渐增加,结合X射线分析可知,这些第二相为 Mg24Y5相、Mg5(Gd,Y）相和 Mg4Zn7相。同时各合金中随机分布有细小的方块状粒子(如图4a所示）。根据文献[13]可知,这些方块相为含有Mg,Gd和Y元素的相。

2.6 透射电镜分析

图5为各合金峰值时效态的TEM明场像及其对应的衍射斑点。由图可见,合金峰值时效时,组织中均析出了大量弥散分布的凸透镜状的 β′相。添加1%Zn的合金中的 β′相较未添加Zn的合金更加细小弥散,并且体积分数增大(如图5a,b）。而添加3%Zn的合金中,时效析出的 β′相数量减少且体积增大(图5c）。在添加Zn的合金2和合金3中存在一种呈层叠状分布的粗大物质(如图5g和 h）,根据相关文献可知,这种物质为长周期堆垛结构(LPS）[14],由图5g可见,添加1%Zn的合金中的LPS 结构 ,长约为 0.8 μ m,宽约为 0.4 μ m;而在添加了3%Zn的合金中的LPS结构(图5h）,长约为 4.5 μ m,宽约为 3 μ m。可见 ,Zn 含量过高时,合金中形成的LPS结构尺寸增大。

3 讨论

在Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金中添加适量的Zn元素,能显著细化合金变形后的再结晶晶粒(如图2所示）。一方面由于Zn与Mg及稀土元素(Gd,Y）形成稳定的金属间化合物Mg4Zn7,该化合物为合金再结晶晶粒的形成提供了有利的位置,可形成的再结晶晶粒数量增多,有利于晶粒细化;另一方面添加Zn元素以后合金中形成的LPS结构[14],可抑制再结晶晶粒的长大,由于晶粒细化的作用使得合金强度提高。然而,当Zn元素含量过高时(3%）,合金中形成的粗大的含Zn化合物数量增多(如图4c所示）,挤压变形后,这些化合物沿加工方向分布,材料继续变形时易成为裂纹萌生之处,同时粗大的含Zn化合物消耗了强化相Zn的含量,使得合金的强度降低。

由于Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金为时效强化型合金,合金时效过程中析出的纳米级的 β′′及 β′相能提高室温抗拉强度[11]。其中 α-Mg基体中析出的细小弥散的 β′相对合金强度的提高起主要作用[16],该相能有效地阻碍位错的滑移。根据奥罗万(E Orwan）机制,位错绕过析出相时所需增加的切应力(即强化值）与该相的体积分数及相的大小有关。体积分数愈大,强化值愈大;当体积分数一定时,强化值与析出相的大小成反比,相愈细小则强化值愈大。峰值时效时,合金1中析出的细小 β′相使得其抗拉强度较挤压态提高了62MPa。添加了1%Zn的合金2中,由于峰值时效时析出了更为细小弥散的β′相(如图5b所示）,有效阻碍了位错的滑移从而得到较高的力学性能,其抗拉强度及屈服强度较合金1分别提高了27MPa和17MPa。

细小的LPS结构也是含Zn元素的Mg-Gd-Y-Zr合金中强化相[15]。合金2中,细小的LPS结构(图5g）有利于合金强度的提高,但随Zn含量的增加,LPS结构粗化 (图5h）,该结构抢夺Mg基体中的稀土元素(Gd,Y）,导致Gd,Y在Mg基体中固溶量减少,从而引起 β′相析出量减少并粗化(图5c）,使得合金强度下降;同时,大量粗大的LPS结构的形成降低了Mg基体中溶质原子(Gd,Y）的浓度,进而降低了 β′相析出的梯度能,使其析出驱动力降低,从而延缓了含Zn合金达到峰值时效的时间。

4 结论

(1）Zn元素能细化Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金挤压后的晶粒,随着Zn含量的增加晶粒逐渐细化。未添加Zn元素的合金T5态的晶粒大小约为25 μ m,添加1%Zn 的约为 15 μ m,添加 3%Zn 的约为10 μ m 。

(2）Zn元素有利于提高Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金挤压态力学性能。添加1%Zn的合金挤压态抗拉强度和屈服强度较未加Zn的合金分别提高29MPa和11MPa。

(3）Zn元素推迟了Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr合金T5处理时达到峰值时效的时间。合金1硬度在时效24h时达到峰值,合金2在32h时达到硬度峰值,合金3到72h才出现硬度峰值,三种合金的峰值硬度分别为123HV,131HV和104HV。添加1%Zn能显著提高合金T5态的力学性能,其抗拉强度和屈服强度分别为397MPa和148MPa。当 Zn含量过高时,合金强度明显降低。

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Effects of Zn Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr Alloy

LI Hui-zhong1,2, LIU Hong-ting2, CHEN Jian-mei1, WANG Hai-jun2, LIANG Xiao-peng1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Hunan International Economics University,Changsha 410205,China;2.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering,Ministry of Education,Central South University,Changsha 410083,China.）

Effects of Zn addition on the microstructure and mechanical properties of Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr(mass fraction/%,the same below）alloy during extrusion and following isothermal aging at 200℃were investigated using digital micro-hardness testing,mechanical testing,optical microscopy(OM）,scanning electron microscopy(SEM）,transimission electron microscopy(TEM）,X-ray diffraction(XRD）.The results showed that Zn obviously refined grains of the alloy,and improved mechanical properties of the as-extruded alloys.In T5 condition the average grains of the alloy without Zn addition were about 25 μ m;the average grains of the alloys with 1%Zn addition and 3%Zn addition were about 15 μ m and 10 μ m,respectively.For the alloy with1%Zn addition in the-extruded and aged states,the values of tensile strength reached 337 MPa and 397 MPa,yield strength reached 128 MPa and 148 MPa,and the ductility rate reached 10.0%and 5.0%respectively,the better comprehensive properties were exhibited.

Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr alloy;element Zn;extruded-aging;microstructure;mechanical properties

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.5.002

TG146.1TG146.2

A

1005-5053(2011）05-0006-06

2010-02-01;

2011-06-21

中国博士后基金资助项目(20070420828）;中南大学博士后基金资助项目(2007-8）

李慧中(1968—）,男,博士,副教授,(E-mail）lhz606@mail.csu.edu.cn。