碳和碱土元素复合细化对Mg-3Al合金抗拉强度的影响

韩 栋,杜 军,李文芳

(华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640)

碳和碱土元素复合细化对Mg-3Al合金抗拉强度的影响

韩 栋,杜 军,李文芳

(华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640)

利用碳和碱土金属(Ca和Sr)对Mg-3Al合金进行单独或复合细化处理,研究其晶粒细化效果及其晶粒细化对Mg-3Al合金抗拉强度特性的影响规律。结果表明:0.2%C(质量分数,下同)、0.2%Ca及0.2%Sr均可显著细化Mg-3Al合金,而经0.2%C与0.2%Ca或0.2%Sr复合细化可进一步提高细化效果。细化后Mg-3Al合金的拉伸性能明显提高,经复合细化后合金的极限抗拉强度和断裂伸长率分别提高了20%和40%。晶粒细化影响Mg-3Al合金的断裂机制,由具有粗大解理面的解理断裂模式转变为解理和准解理的混合断裂模式。

Mg-Al合金;晶粒细化;碱土元素;碳;拉伸性能

镁合金作为最轻质的金属结构材料,被誉为21世纪的“绿色材料”,在汽车和电子领域具有广阔的应用前景[1,2],但镁合金较差的塑性变形能力及其较低的绝对强度使其应用受到一定的限制。众所周知,晶粒细化是改善金属制品强度性能的有效途径。在商用镁合金中,Mg-Al系合金占据主导地位,Mg-Al系合金晶粒细化的常见方法有碳质孕育法[3-5]和微量元素合金化法[5-7]。对于碳质孕育法,其细化机理为碳原子与铝相互作用生成大量弥散分布的Al4C3质点作为Mg晶粒的形核核心所致[4,5]。而对于微量元素合金化法,其细化作用主要是由于凝固过程中所产生的溶质偏析抑制晶粒生长有关。其中碱土元素Ca和Sr被认为是细化Mg-Al系合金晶粒的有效元素[5-7]。

根据经典的凝固理论,金属制品的晶粒尺寸可通过增加熔融液中的有效晶核数目和增大在凝固过程中的溶质偏析抑制晶粒生长两方面的综合作用加以控制[5]。显然,碳质孕育法和微量元素合金化法分别从属于上述两个方面。因此,如能对Mg-Al合金进行碳质孕育和微量元素合金化复合处理,应可获得更高的细化效果。本工作基于这一研究思路,对比研究了碳质孕育、Ca和Sr合金化及其两者综合作用对Mg-Al合金晶粒细化效果的影响,并测试经不同工艺细化处理的Mg-Al合金抗拉强度,以期对 Mg-Al合金晶粒细化剂的研制提供一定的参考。

1 实验方法

本研究所用原材料包括高纯镁、高纯铝、Al-15%(质量分数,下同)Ca和 Al-15%Sr中间合金。为使石墨粉能均匀分散到Mg-Al熔融液以实现碳质孕育,本工作利用石墨粉、镁粉、铝粉按1∶5∶4(质量比)混合并用冷等静压机压制获得含石墨的Al-Mg-C颗粒。

所细化的合金组分选定为Mg-3Al,在熔化过程中含石墨的颗粒中铝的含量及Al-15%Ca和Al-15%Sr中间合金中铝的含量均考虑在内。试样制备过程如下:将纯镁、纯铝、Al-15%Ca或 Al-15%Sr中间合金一同熔化,所用坩埚为高纯MgO(99.5%)坩埚,熔化温度为750℃。熔化后经适当搅拌后投入含石墨的Al-Mg-C颗粒,静置10min后再搅拌,再静置10min后浇铸。浇铸模具为铜模,尺寸为10mm×60mm×70mm,模具预热温度为600℃。本研究中共制备了6种样品,分别是未处理的Mg-3Al合金,及其分别经0.2%C,0.2%Ca和 0.2%Sr细化,以及 0.2%C和0.2%Ca,0.2%C和0.2%Sr复合细化处理的Mg-3Al合金。

距浇铸试块底部20mm和侧部10mm处切割制取金相观察样品,经研磨、抛光后利用苦味酸酒精溶液腐蚀,并用Olympus BX50型号的光学显微镜观察,拍摄金相照片,并利用线截距法估计晶粒尺寸。利用线切割加工拉伸试样,其尺寸为6mm×2mm×30mm,每种样品制备5个拉伸试样,并利用AG-2000型材料测试机进行测试,拉伸速率为1mm/min。含碳晶核结构观测及其拉伸断口形貌观察均在J EOL JSM 6330F扫描电子显微镜(SEM)上进行。

2 实验结果与分析

2.1 晶粒细化效果与分析

图1所示为经不同细化方法制备的Mg-3Al合金的金相组织照片。对于未经处理的Mg-3Al合金,其晶粒尺寸约550μm(图1(a))。而经0.2%C细化后,晶粒尺寸明显细化,由550μm降低到220μm(图1(b))。对于经0.2%Ca或0.2%Sr细化的 Mg-3Al合金,其细化程度与0.2%C的细化程度相当,晶粒尺寸也约为220μm(图1(c),(d))。而从图1(e)和图1(f)可以看出,经0.2%C和 0.2%Ca或 0.2%Sr复合细化处理后Mg-3Al的晶粒尺寸进一步细化,晶粒尺寸降低至约120μm。可见,经碳和碱土金属的复合细化可显著提高Mg-Al的晶粒细化效果。

图1 经不同工艺细化的Mg-3Al合金金相组织 (a)未处理;(b)0.2%C细化;(c)0.2%Ca细化;(d)0.2%Sr细化;(e)0.2%C+0.2%Ca复合细化;(f)0.2%C+0.2%Sr复合细化Fig.1 Grain morphologies of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

对于Mg-Al系合金的碳质孕育细化,碳与Al在Mg熔体中反应生成的Al4C3颗粒作为Mg晶粒的形核核心是导致细化的主要机制[4,5]。因Al4C3极易水解[8],在金相试样制备过程中常观测到 Al-C-O颗粒[8,9],在本研究中经碳质孕育以及碳和碱土金属复合细化的样品中均可观察到Al-C-O颗粒。图2所示即为经0.2%C细化的Mg-3Al合金样品中Al-C-O颗粒的典型形貌和EDS能谱。在碳和碱土金属复合细化条件下,一方面大量Al4C3颗粒的生成可促进Mg晶粒数量的增加;另一方面在镁合金凝固过程中,因碱土金属的强烈偏析作用从而有效抑制Mg晶粒的生长,同时在固/液界面前沿形成成分过冷,并可能激活更多的形核质点,从而进一步增加有效晶核的数量[5,10]。上述因素的共同作用使得碳和碱土金属复合细化可取得更好的晶粒细化效果。

图2 经0.2%C细化处理的Mg-3Al合金中Al-C-O颗粒的典型形貌及其EDS能谱(a)Al-C-O颗粒的典型形貌;(b)EDS能谱Fig.2 SEM image of a Al-C-O particle in the Mg-3Al alloy modified by 0.2%C(a)and its typical EDS spectrum(b)

2.2 拉伸性能测试结果与分析

图3所示为经不同处理细化的Mg-3Al合金的应力-应变曲线。相对于未处理的Mg-3Al合金,经细化处理后Mg-3Al合金的强度和伸长率均有不同程度的提高。对每个样品进行了5次拉伸实验,并得到了极限抗拉强度和断裂伸长率的平均值及其误差范围,如图4所示。对于未处理的Mg-3Al合金,其极限抗拉强度和断裂伸长率分别是162MPa和 9.8%,而经0.2%C细化处理后,极限抗拉强度和断裂伸长率分别提高到约180MPa和15%;而对于分别经0.2%Ca和0.2%Sr细化的样品,其极限抗拉强度与0.2%C细化样品相当,但其断裂伸长率的提高幅度相对较低,约为12.5%。对于经0.2%C与0.2%Ca或0.2%Sr复合细化的Mg-3Al合金样品,其极限抗拉强度进一步提高,约为192MPa,但相对于0.2%C细化样品,其断裂伸长率没有明显变化,约为15%。可见,经碳和碱土元素复合细化处理后Mg-3Al合金的力学性能得到显著提高,与未处理的Mg-3Al合金相比,复合细化处理可使极限抗拉强度和断裂伸长率分别提高约20%和40%。

图3 经不同工艺细化的Mg-3Al合金的应力-应变曲线(a)未处理;(b)0.2%C细化;(c)0.2%Ca细化;(d)0.2%Sr细化;(e)0.2%C+0.2%Ca复合细化;(f)0.2%C+0.2%Sr复合细化Fig.3 The typical curves of tensile strengthvstensile strain for the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

众所周知,极限抗拉强度和伸长率的提高与断裂机制密切相关。对于镁合金,因其具有密排六方结构,其断裂机制主要以脆性的解理或准解理断裂为主[11,12]。图5所示为本研究所制备的六种样品的拉伸断口SEM照片。对于未细化的Mg-3Al合金,其断口形貌(图5(a))主要由光滑解理面(标记为A)以及带有河流花样的粗糙解理面(标记为B)组成。可见对于晶粒相对粗大的Mg-3Al合金,其断裂机制主要为解理断裂。河流花样代表两个不在同一平面上的解理裂纹通过与主解理面相垂直的二次解理形成了解理台阶,而对于光滑解理面,则表明晶粒取向可能已经与主拉伸轴取向成直角,导致断裂很容易在一个独立的解理面上扩展。

图4 经不同工艺细化的Mg-3Al合金的抗拉断裂强度和断裂应变 (a)未处理;(b)0.2%C细化;(c)0.2%Ca细化;(d)0.2%Sr细化;(e)0.2%C+0.2%Ca复合细化;(f)0.2%C+0.2%Sr复合细化Fig.4 Ultimate tensile strength and elongation to failure of the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

图5 经不同工艺细化的Mg-3Al合金拉伸断口形貌的SEM照片 (a)未处理;(b)0.2%C细化;(c)0.2%Ca细化;(d)0.2%Sr细化;(e)0.2%C+0.2%Ca复合细化;(f)0.2%C+0.2%Sr复合细化Fig.5 SEM images of the tensile fracture surfaces for the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

对于经0.2%C细化的Mg-3Al合金,其拉伸断口(图5(b))上很难观察到光滑解理面。断口主要由带细河流花样的小解理面以及具有明显剧塑性变形的准解理面(标记为C)组成。图5(c),(d)所示分别为经0.2%Ca和0.2%Sr细化的Mg-3Al合金拉伸断口形貌,与0.2%C细化的Mg-3Al合金拉伸断口形貌相比,经0.2%Ca或0.2%Sr细化的合金断口中带剧塑性变形的准解理面相对较少,其断口主要由带河流花样的大解理面组成,这可能是由于Ca或Sr加入后合金中形成少量含有Ca或Sr的脆性合金相所致[6,7]。对于经0.2%C与0.2%Ca或0.2%Sr复合细化的Mg-3Al合金,其拉伸断口形貌(图5(e),(f))与0.2%C细化的合金断口形貌相似,主要由带河流花样的解理面和一些具有剧塑性变形的准解理面区域组成。该断裂特征表明Mg-3Al合金经碳细化或碳与碱土元素复合细化后,因其细小的晶粒尺寸使其断裂机制转变为准解理和解理断裂的混合模式,从而保证了经细化后合金的高强度和高延伸性能。

3 结论

(1)Mg-3Al合金经0.2%C细化处理后其晶粒尺寸显著降低,而进一步复合0.2%Ca或0.2%Sr,可使Mg-3Al合金晶粒尺寸进一步细化。

(2)相对于未细化的Mg-3Al合金,经细化后合金的强度和伸长率均有不同程度的提高。经0.2%C与0.2%Ca或0.2%Sr复合细化后处理的合金极限抗拉强度和断裂伸长率分别提高了约20%和40%。

(3)对于未细化的Mg-3Al合金,其断裂机制主要为具有粗大解理面的解理断裂,而经0.2%C或0.2%C与碱土元素(0.2%Ca或0.2%Sr)复合细化后,断裂机制转变为解理和准解理断裂的混合模式,断口主要由带细河流花样的小解理面和剧塑性变形的准解理面组成。

[1] 陈礼清,赵志江.从镁合金在汽车及通讯电子领域的应用看其发展趋势[J].世界有色金属,2004,(5):12-20.

[2] DU J D,HAN W J,PENG Y H.Life cycle greenhouse gases,energy and cost assessment of automobiles using magnesium from Chinese Pidgeon process[J].Journal of Cleaner Production,2010,18(2):112-119.

[3] 张世军,黎文献,余琨.添加含碳熔剂细化镁合金晶粒的方法[J].特种铸造及有色合金,2002,(4):18-20.

[4] WANG Z H,KANG YL,ZHAO H J,et al.Grain refinement of Mg-Al magnesium alloys by carbon inoculation[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2006,16(S3):1851-1854.

[5] ST JOHN D H,MA Q,EASTON M A,et al.Grain refinement of magnesium alloys[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2005,36(7):1669-1679.

[6] BAIJ,SUN Y S,XUN S,et al.Microstructure and tensile creep behavior of Mg-4Al based magnesium alloys with alkaline-elements Sr and Ca additions[J].Materials Science and Engineering A,2006,419(1/2):181-188.

[7] ZENG X Q,WANG Y X,DING W J,et al.Effect of strontium on the microstructure,mechanical properties,and fracture behavior of AZ31 magnesium alloy[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2006,37(4):1333-1341.

[8] LU L,DAHLE A K,STJOHN D H.Grain refinement efficiency and mechanism of aluminium carbide in Mg-Al alloys[J].Scripta Materialia,2005,53(5):517-522.

[9] TAMURA Y,YANO E,MOTEGI T,et al.Effect of carbon powder on grain refinement of an AZ91E magnesium alloy[J].Materials Transactions,2003,44(1):107-110.

[10] LEE Y C,DAHLE A K,ST JOHN D H.The role of solute in grain refinement of magnesium[J].Metallurgical Materials Transactions A,2000,31(11):2895-2906.

[11] SRNIVASAN A,PILLAI U T S,PAI B C.Microstructure and mechanical properties of Si and Sb added AZ91 magnesium alloy[J].Metallurgical Materials Transactions A,2005,36(8):2235-2243.

[12] KOIKE J,KOBAYASHI T,MU KAI T,et al.The activity of non-basal slip systems and dynamic recovery at room temperature in fine-grained AZ31B magnesium alloys[J].Acta Materialia,2003,51(7):2055-2065.

Effects of Grain Refinement on Tensile Properties of Mg-3Al Alloy Modified by Carbon and Alkaline-earth Elements

HAN Dong,DU Jun,LI Wen-fang
(School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The Mg-3Al alloy was modified by 0.2%C(mass fraction)and/or alkaline-earth elements of 0.2%Ca or 0.2%Sr to refine its grain size.The effect of grain refinement on the tensile properties of the Mg-3Al alloy was investigated.The results show that higher grain refining efficiency can be obtained for the Mg-3Al alloy modified by the combination of carbon and alkaline-earth elements.Compared to the Mg-3Al alloy without any treatment,the tensile properties of the Mg-3Al alloy are remarkably improved after being modified by the combination of carbon and a little addition of alkalineearth elements.The ultimate tensile strength and elongation to failure are improved by about 20%and 40%,respectively.After being refined either by carbon or by the combination of carbon and a little addition of alkaline-earth elements,the main fracture mechanism is changed from cleavage mode with large cleavage planes for the unrefined Mg-3Al alloy to mixed mode of cleavage and quasi-cleavage fracture.The fracture surfaces are almost composed of small cleavage planes with thin river patterns and quasi-cleavage planes with severe plastic deformation.

Mg-Al alloy;grain refinement;alkaline-earth element;carbon;tensile property

TG146.2+2

A

1001-4381(2011)05-0021-05

国家自然科学基金项目(50901034);华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(2009ZM0305);广东省自然科学基金项目(05300139)

2010-02-01;

2010-11-13

韩栋(1986—),男,硕士研究生,从事金属表面工程及轻合金强化方面研究工作,联系地址:广东省广州市华南理工大学五山校区材料学院金属系(510640),E-mail:99handong@163.com

杜军(1975—),男,博士,副教授,主要研究方向:轻合金强化及其表面改性,联系地址:广东省广州市华南理工大学五山校区8号楼材料学院金属系(510640),E-mail:tandujun@sina.com