轧制变形量对LAZ1201镁锂合金显微组织及力学性能的影响

贾玉鑫，黄金亮，冯 剑，于慎东

（河南科技大学1.材料科学与工程学院；2.有色金属共性技术河南省协同创新中心，洛阳471023；3.洛阳中重设备工程工具有限责任公司，洛阳471003）

0 引 言

镁合金具有密度小、散热性好、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能佳及原料丰富等优点，在航空航天、汽车、3C产业等领域已有较长的应用历史［1-2］。但镁合金为密排六方晶体（HCP）结构，塑性变形能力较差，这在很大程度上限制了它的使用性能和应用范围。将锂加入镁合金后，不仅可使合金的密度进一步降低，而且还可使其晶体结构从HCP转变成体心立方（BCC），从而使其加工性能得到很大改善［3］。

目前，对变形镁锂合金的研究主要集中在两个方面：一是从材料制备工艺优化入手改善合金的加工性能和力学性能；二是研究有动态回复和动态再结晶过程的热加工工艺，比如挤压、锻造、轧制及ECAP（等通道转角挤压）［4-9］等工艺。β单相镁锂合金具有较高的热传导系数，在室温～200℃，其热传导系数大于480W·（m·K）-1［10］。虽然对镁锂合金的研究已经很多，但仍需进一步深入和完善。作者试图在对镁锂二元合金密度影响不大的前提下，通过添加微量合金元素（铝和锌）制备出了Mg-12Li-0.5Al-1Zn合金，研究轧制变形量与合金组织、性能之间的关系。

1 试样制备与试验方法

试验所用原料为纯镁、纯铝、纯锌（纯度均大于99.9%）和镁锂中间合金（锂质量分数为25%）。采用ZG（JL0.025-50-2.5）型真空熔炼炉在氩气保护气氛下进行熔炼，熔炼温度为740℃，待合金原料完全熔融后，降温至720℃，保温15min后浇注到钢模中得到 Mg-12Li-0.5Al-1Zn（LAZ1201）合金铸锭；然后在该合金铸锭上切取尺寸为10mm×60mm×60mm的试样，经300℃×24h均匀化退火后，在260℃进行变形量分别为30%，50%，70%的轧制变形，轧制分多道次进行，每道次轧制压下量均为1mm，每道次间进行300℃×15min的中间退火。

按照 GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法》，在AG-I250KN型精密万能试验机上进行室温拉伸试验，沿轧制方向取样，试样为片状非标准拉伸试样，试样标距尺寸为23mm×6mm×2mm，如图1所示，拉伸速度为1mm·min-1；采用Olympus PMG3型光学显微镜观察不同状态合金的显微组织，金相试样先用草酸溶液（4g草酸＋96mL蒸馏水）腐蚀10s，再用4%（体积分数）硝酸酒精溶液腐蚀5s；使用Philip X′pertmpdpro型X射线衍射仪对合金进行物相分析；采用QUANTA 450型扫描电镜观察拉伸断口形貌。

图1 拉伸试样的形状和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile sample

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

从图2中可以看出，铸态合金的组织由树枝状晶组成；随着轧制变形量的增大，铸造缺陷逐渐消除，晶粒逐渐细化，并沿轧制方向拉长；当变形量为30%时，晶粒得到一定程度的细化，组织呈纤维状，但晶粒大小仍不均匀；随着变形量进一步增大，发生了不完全动态再结晶，晶粒进一步细化，第二相均匀地分布在晶粒内。动态再结晶的驱动力不仅与温度有关，与轧制变形量也有很大关系。由于热加工过程中动态回复随时在进行，能量随时释放，当轧制变形量较小时，储存能的积累不足以驱动再结晶，所以晶粒的尺寸没有太大变化；当变形量较大时，储存能足以引起再结晶，再结晶后晶粒变得细小且排列紧密［10］。

2.2 XRD谱

从图3中可以看出，随着变形量的增大，合金的相结构并没有发生变化，轧制态合金均主要由β相和Mg17Al12相组成；另外，衍射峰强度却有所变化，（110）、（220）衍射峰强度逐渐减弱，（200）衍射峰强度逐渐增强，这说明轧制过程中晶体结构发生了择优取向，造成织构形态不一样，这对力学性能的提高很有利。另外，由于镁锂合金发生了时效和过时效，合金相发生了β→Li2MgAl→AlLi的转变，故检测到Li2MgAl和AlLi相的存在。弥散分布在晶内的Li2MgAl相具有时效强化作用。

2.3 力学性能

从表1中可以看出，不同状态的试验合金均具有很高的室温塑性；铸态合金的抗拉强度和伸长率分别为138MPa和40%；随着变形量的增大，合金的抗拉强度逐渐升高，伸长率则是先大幅升高，然后有下降的趋势；当变形量为30%时，抗拉强度和伸长率分别为153MPa，50%，比铸态的分别增加了15MPa和31.6%；变形量继续增大至70%时，抗拉强度达到166MPa。轧制变形后，合金中的铸造缺陷消失以及动态再结晶导致的晶粒细化，对合金强度及伸长率的提高起了很大作用。而在较大变形量下轧制后，强度大幅增加，塑性开始变差，这是因为此时位错比较容易在晶体中塞积，位错密度的增大和位错间的交割都会突然加大，所以加工硬化也会随之突然增加，从而导致强度提高，塑性下降［11］。

2.4 断口形貌

从图4中可以发现，不同状态合金的拉伸断口上均存在大量的等轴韧窝，属于典型的韧性断裂。铸态合金拉伸断口中的韧窝较浅，局部存在少量解理断面，宏观上呈现韧性断裂，并且可以观察到铸态缺陷，如图4（a）所示。因此，铸态合金没有表现出优异的力学性能。当变形量为30%时，拉伸断口中的韧窝密集排列，并且韧窝细小、较深，如图4（b）所示；当变形量继续增加时，断口中存在明显的韧窝和撕裂棱，但韧窝逐渐变浅，如图4（c～d）。这些断口特征与表1中力学性能的变化一致。

图2 铸态及不同轧制变形量下合金的显微组织Fig.2 Microstructure of as-cast alloy and as-rolled alloy with different rolling deformations：（a）as-cast；（b）deformation of 30%；（c）deformation of 50%and（d）deformation of 70%

图3 铸态及不同轧制变形量下合金的XRD谱Fig.3 XRD patterns of as-casted alloy and as-rolled alloy with different rolling deformations

表1 铸态及不同轧制变形量下合金的力学性能Tab.1 Mechanical properties of as-cast alloy and as-rolled alloy with different rolling deformations

图4 铸态及不同轧制变形量下合金室温拉伸断口的SEM形貌Fig.4 SEM images of room temperature tensile fracture of as-cast alloy and as-rolled ally with different rolling deformations：（a）as-casted；（b）deformation of 30% ；（c）deformation of 50%and（d）deformation of 70%

3 结 论

（1）LAZ1201合金为单相β合金，轧制过程中相成分没有发生变化；随着轧制变形量的增大，合金发生了不完全动态再结晶，晶粒在一定程度上有所细化。

（2）随着变形量的增大，合金的抗拉强度逐渐升高，伸长率率则是先大幅提高，然后有所下降；轧制变形量为70%时，抗拉强度可达166MPa；轧制变形量为30%时，塑性最好，伸长率可达50%。

（3）铸态和轧制态合金的室温拉伸断口上均存在大量等轴韧窝，为韧性断裂。

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