热处理对大型变形高强耐热镁合金组织与性能的影响*

田治坤，张治民，于建民，于海涛，杨亚琴

(1.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051；2.装甲军代局驻太原军代室，山西 太原 030006)



热处理对大型变形高强耐热镁合金组织与性能的影响*

田治坤1，张治民1，于建民1，于海涛2，杨亚琴1

(1.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051；2.装甲军代局驻太原军代室，山西 太原 030006)

摘要：通过拉伸试验和微观组织观察，研究了固溶处理及时效处理对合金成分为Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的大型变形高强耐热镁合金微观组织和性能的影响。结果表明，合金的最佳热处理工艺为430 ℃×8 h+225 ℃×16 h。当固溶温度为430 ℃时，会发生动态再结晶，晶粒得到细化，提高了抗拉强度。经过时效，灰色LPSO相数量增多，提高了合金的力学性能。合金轴向抗拉强度为332 MPa，延伸率为11.5%；环向抗拉强度为375 MPa，延伸率为12.3%。

关键词：大型变形高强耐热镁合金；微观组织；LPSO；力学性能

镁合金具有质量轻、比强度高、振动衰减系数大和电磁屏蔽好等优点[1]，一直是被公认的环保、节能和可回收的工程材料，其废料回收利用率>85%，是一种环保型材料[2]，被誉为“21世纪绿色工程材料”[3-8]。近年来，镁合金正得到日益广泛的应用，特别是在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景[9-10]。尽管镁合金具有质量轻、比强度高、减振性、充型流动性和机械加工性好等优点，但是一般镁合金的高温强度低是限制镁合金在航天、航空和汽车等领域广泛应用的主要问题之一。当温度升高时，镁合金的强度下降很快。开发新的高性能镁合金系列是目前研究的主要趋势，但有关轻质高强耐热镁合金材料的研究较少。热处理是改善材料性能的有效途径，对镁合金热处理后的组织及力学性能进行深入研究是非常有意义的。本文通过拉伸试验和微观组织观察，研究固溶处理及时效处理对合金成分为Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的大型变形高强耐热镁合金微观组织和性能的影响，为设计具有良好高强耐热性能的Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列镁合金提供参考，以指导镁合金在军事工业上的工程应用。

1试验材料及方法

首先，选用材料为Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的镁合金铸锭，并进行与样坯相同条件的锻造处理，选取400～530 ℃作为固溶温度尝试区间，保温4 h后进行225 ℃×16 h的时效处理，车削试样后进行拉伸试验，得到抗拉强度值较高的固溶温度范围，再进一步做更细致的热处理工艺分析，从而确定最佳方案；然后正式选取材料样坯，取壳体一半并分为3个区域进行解剖(见图1)：B区为前端框区域，C区为后端框区域，A区为接近舱段中间截面位置的大面积区域，每个区域取样均分为轴向和环向等2个方向，且每个方向均匀取样3个；最后分别进行430 ℃×8 h+225 ℃×16 h处理和450 ℃×8 h+225 ℃×16 h处理。用Neophot2金相显微镜观察和记录，并对冲击前、后的镁合金试块进行微观组织分析研究。

图1　壳体分区示意图

拉伸试验在Instron3382电子拉伸机上进行，拉伸速度为2 mm/min，每个测定值取3个试样的平均值，分别测出相应的Rm、Rp0.2和δ。

2试验结果与分析

2.1Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr镁合金在不同温度下的抗拉强度

不同温度下Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr镁合金的抗拉强度如图2所示，430 ℃×8 h+225 ℃×16 h处理后，3个区域不同方向100 ℃拉伸的抗拉强度及延伸率见表1。

图2　　　　不同温度下Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr镁合金　　　的抗拉强度

拉伸区域与方向抗拉强度/MPa延伸率/%A区轴向309.67739.84A区环向321.98079.27B区轴向315.60489.65B区环向322.41528.4C区轴向305.28785.3C区环向238.46064.66

从图2中可以看出，在固溶温度为430～480 ℃时，抗拉强度值较大。从表1中可以看出，A、B、C三区之间的100 ℃拉伸抗拉强度相差不大。本文选取C区试样分别在430、440、450和460 ℃这4个温度进行8 h的固溶处理，并在70 ℃的热水中冷却，随后进行225 ℃×16 h时效处理。室温拉伸后抗拉强度及延伸率的平均值如图3所示。

图3　C区不同固溶温度下室温拉伸抗拉强度和延伸率

从图3可以看出，随着固溶温度的增加，环向抗拉强度先降低，然后在450 ℃时略微增加，轴向抗拉强度先略微增加，随后在440 ℃后降低，而延伸率在430 ℃时维持在较高水平；因此，当固溶温度为430 ℃时，抗拉强度和延伸率都达到了较高的水平。100 ℃拉伸时也可以参考上述结果。

2.2不同热处理状态下镁合金样坯微观组织变化

镁合金样坯在不同热处理状态下的微观组织如图4所示。由图4可以看出，未经过固溶处理的镁合金内部包含α-Mg基体、灰色条纹状LPSO相和黑色粒状析出相(见图4a)；经过430 ℃固溶处理后，可以看到晶粒变小(见图4d)，发生了动态再结晶，使得晶粒细化，但是其成分可能不同，同时在晶界处生成一种块状的第二相，而粒状的析出相明显减少，LPSO相没有明显变化；当固溶温度达到450 ℃时，发生了动态再结晶使得晶粒细小而均匀(见图4b)，比图4d中进行的更充分；晶界处的析出相基本完全溶解到基体中，第二相数量明显增多；当进行时效处理后(见图4c)，与固溶处理后的合金组织相比，基体晶粒呈现出深浅不一的颜色状态，而相组成基本与固溶处理后的一致，但是在相同时效温度下随着固溶温度的升高，晶粒处的第二相及LPSO明显减少，甚至有消失的趋势。由此可知，固溶温度为430 ℃时比450 ℃时力学性能更好。

图4　镁合金样坯在不同固溶温度下处理的微观组织

3结语

通过上述分析，可以得出如下结论。

1)未经过固溶处理的镁合金内部包含α-Mg基体、灰色条纹状LPSO相和黑色粒状析出相。

2)当固溶温度为430 ℃时会发生动态再结晶，晶粒得到细化，晶界处生成一种块状第二相，粒状析出相明显减少，固溶温度升高，晶粒更加细化，提高了合金的力学性能。

3)时效处理后固溶温度高的LPSO相和第二相数量减少，降低了合金的力学性能。

参考文献

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[2] 房大庆,邓庆东,王宇,等.Mg-1.5Mn-1.5Y-3Sn合金显微组织及力学性能研究[J].新技术新工艺,2013(6):108-112.

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[10] 钟皓,刘培英.镁及镁合金在航空航天中的应用及前景[J].航空工程与维修,2002(4):41-42.

* 山西省自然科学基金项目(2012011022-3)

责任编辑郑练

Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Large Deforming and Heat-resisting Magnesium Alloys

TIAN Zhikun1, ZHANG Zhimin1, YU Jianmin1, YU Haitao2, YANG Yaqin1

(1.School of Materials Science & Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Taiyuan Military Representative Office of Armored Military Representative Bureau, Taiyuan 030006, China)

Abstract：The influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of large deforming and heat-resisting magnesium was studied by tensile test and microstructure observation. The major conclusions can be drawn as following: the optimum heat treatment process is 430 ℃×8 h+225 ℃×16 h. When the solid solution temperature is 430 ℃, the dynamic recrystallization is happend which can improve the tensile strength. After the aging treatment, the number of LPSO increases, which can improve the mechanical properties of the alloy. The tensile strength of the axial direction is 332 MPa, and the elongation is 11.5%. The tensile strength circumferential direction is 374 MPa, and the elongation is 12.3%.

Key words:large deforming and heat-resisting magnesium alloys, microstructure, LPSO, mechanical properties

中图分类号：TG 146.2

文献标志码:A

收稿日期：2015-11-05

作者简介：田治坤(1990-)，女，硕士研究生，主要从事轻合金的变形与强韧化等方面的研究。