ZAM84-4Si等通道转角挤压组织与性能的研究

(太原理工大学, 山西太原 030024)

ZAM84-4Si等通道转角挤压组织与性能的研究

吴海优, 韩永, 杜强强, 李玉林, 张媛琦, 刘研, 韩富银

(太原理工大学, 山西太原 030024)

在ZAM8 4镁合金中加入质量分数为4%的Si，形成热强相Mg2Si，并通过等通道转角挤压变形改善合金组织形貌，并使晶粒细化，提高合金力学性能，等通道转角挤压前后屈服强度提高了113%，抗拉强度提高了50%，伸长率提高了201%。

镁合金; 等通道转角挤压; 组织; 力学性能; 机理

0 前言

镁合金作为最轻的结构金属材料，具有高强度，高比刚度，抗震降噪能力优，低密度和良好的电磁屏蔽性能。镁合金在航空、航天、汽车动力以及3C电子都有了很好的应用[1-2]。当合金的晶粒具有5个以上相对独立的滑移系时容易发生塑性变形[3]，而镁合金为密排六方结构，在室温下，滑移系只有3个，因此镁合金室温力学性能较差。当镁合金使用温度超过120 ℃时，蠕变性能开始变差，超过150 ℃时蠕变抗性急剧下降。现在常用的几种提高镁合金耐热[4]性能的方式有，通过添加稀土元素制备稀土镁合金[5]，稀土金属与Mg可以形成高熔点的相，从而提高其耐热性能，由于稀土元素价格昂贵，限制了其在商业上的广泛应用。通过添加廉价元素原位形成高熔点的稳定相，并使之均匀分布，从而提高性能成为目前耐热镁合金研究的重要方向。本文就是通过添加非金属元素硅，使之与镁原位形成高熔点（1 085 ℃）的Mg2Si热强相，但是Mg2Si相形态对镁合金室温力学性能有较大影响[6]，本文以ZAM84合金为基础，加入元素Si，通过等通道转角挤压工艺来改变合金组织形貌，分析等通道挤压工艺对实验合金的组织影响机理，为丰富耐热镁合金的制备工艺提供理论基础。

1 实验材料及方法

实验合金为ZAM84-4Si，名义成份为质量分数为8%Zn、4%Al、0.4%Mn、4%Si以及0.005%Be，其余为Mg。熔炼使用SXZ-5-2坩埚电阻炉加热、使用RJ-2溶剂进行覆盖和精炼。熔炼温度为750 ℃，精炼后静置20 min浇入预热到200 ℃的金属模具中制成铸锭。将熔制好的合金铸锭切割成45×12×12（mm3）挤压试样。在330 ℃下采用截面为12×12（mm2）、内交角为φ=100°、外交角为ψ=20°的等通道转角挤压（ECAP）模具进行挤压变形。

将挤压前后的试样切取拉伸片进行室温拉伸试验。并使用扫描电子显微镜（JSU-6700F）观察拉伸断口。截取挤压前后试样制备金相试样，利用5 g苦味酸+10 ml冰醋酸+78 ml无水乙醇+7 ml蒸馏水腐蚀剂腐蚀，使用CMM-20光学显微镜观察试样显微组织。使用KY2-2000型X射线衍射仪进行铸态合金物相分析。

2 实验结果与分析

2.1 ECAP对镁合金显微组织的影响

图1为ZAM84-4Si铸态的光学显微组织，图2为合金铸态的物相组成。结合XRD分析可以看到铸态组织为α-Mg镁基体、灰色块状Mg2Si相、明亮的片层状MgZn相。其中MgZn相主要呈网状分布在晶界上，Mg2Si呈多边形块状分布在晶内和晶界，其棱角尖锐。

图1 合金铸态组织

图2 铸态ZAM84-4Si合金的XRD图谱

图3为ZAM84-4Si合金等通道转角挤压1道次后的光学显微组织图，图3.a中可以看到基体α-Mg明显地细化。镁合金层错能比较低，在高温下（高于513 K）变形动态再结晶占主导地位[7]，而且其动态回复缓慢，累积的位错及变形能促进了动态再结晶的发生；镁合金变形后，变形带逐渐趋向45°偏移[8]。剪切带的存在将原来粗大的晶粒分割成细小的晶粒，同时储存了大量的能量，为发生动态再结晶储存了能量。本研究是在623 K下进行的等通道转角挤压，因此也发生了动态再结晶，如图3.b在大晶粒周围出现了许多细小的再结晶晶粒。因为α-Mg为密排六方结构，室温滑移系为3个，在挤压过程中，试样在剪切力的作用下，晶粒发生形变，在滑移面上形成大量位错，位错缠结成位错胞状结构。随着挤压的进行，不同平面的位错发生交滑移，位错胞壁出现尖锐的棱角而出现小角度的界面[9]。随着挤压的进行，晶粒发生旋转，小角度晶界进而向大角度晶界转变，形成细小的等轴晶（如图3.b所示），经过1道次等通道转角挤压，基体相α-Mg在应力下发生旋转，并细化，α-Mg与MgZn被机械碎断。图3.b中块状Mg2Si细化效果不明显，难以进一步缩小这些初晶Mg2Si相，其中，主要的原因可能是由于高温下多边形的Mg2Si比基体α-Mg的硬度高很多[10]，但Mg2Si相的棱角变钝，部分Mg2Si相内部产生裂纹。Su 等[11]和 何运斌[12]的研究也表明，等通道转角挤压变形镁合金变形机制为机械剪切与连续动态再结晶共同作用的结果。

图3 ZAM84-4Si等通道转角挤压1道次光学显微组织图

2.2 室温拉伸结果

图4为ZAM84-4Si合金变形前后的室温单轴拉伸曲线，图5为ZAM84-4Si合金铸态拉伸断口。可以看出合金的屈服强度从铸态48 MPa变形后提高到102 MPa，抗拉强度从172 MPa提高到262 MPa，伸长率从1.43%提高到4.3%。从图1中可看出，ZAM84-4Si合金铸态基体α-Mg晶粒粗大，晶界上MgZn呈连续网状，Mg2Si呈块状且棱角尖锐，对基体产生割裂作用，在受力时易形成应力集中。再加上α-Mg为密排六方结构，室温下滑移系少，仅限于基面{0001}＜1120＞滑移，不易产生交滑移，当位错在基面滑移遇到第二相MgZn和Mg2Si时产生塞积，由于α-Mg基体晶粒粗大，塞积的位错数量多，这样在第二相周围产生很大的应力集中，特别是在块状Mg2Si尖角处极易形成裂纹源，裂纹源的形成可使钉扎的位错得到松弛，降低了加工硬化效果，因此屈服强度很低，只有48 MPa。随着外力增加，位错大量产生并滑移，位错移动遇到裂纹消失的同时使裂纹进一步长大扩展，这样裂纹沿基体α-Mg与第二相（MgZn相和Mg2Si相）间的界面扩展，尤其是裂纹容易沿α-Mg与块状Mg2Si界面快速扩展，如图5所示为铸态合金拉伸试验断口，箭头所指就是裂纹沿α-Mg与Mg2Si相界面扩展断裂形成的断裂界面。由于裂纹的快速扩展使铸态合金的抗拉强度较低（172 MPa），伸长率只有1.43%。

在等通道转角挤压过程中，晶粒得到细化，晶界增多，位错在晶界处积累，在拉伸过程中位错的塞积阻碍了位错滑移。同时，MgZn相得由于机械碎断而由原来的连续网状细化为短杆状和颗粒状，减小了应力集中，尤其是Mg2Si相虽没细化，但块状棱角被钝化，减小了对基体的割裂作用，因而等通道转角挤压使ZAM84-4Si合金力学性能提升，合金的屈服强度提高了113%，抗拉强度提高了50%。但是由于合金中块状Mg2Si相没细化为颗粒状，性能仅有一定的提升，特别是伸长率仅达到4.3%。

图4 ZAM84-4Si合金变形前后室温单轴拉伸曲线

图5 ZAM84-4Si合金拉伸试验断口

3 结论

(1) 等通道转角挤压α-Mg基体和Mg-Zn相得到明显细化，其细化机理为机械剪切与连续动态再结晶共同作用的结果。而块状Mg2Si只有边缘处出现破碎钝化，可能是在高温下多边形的Mg2Si颗粒比α-Mg基体的硬度高很多。

(2) 等通道转角挤压使合金屈服强度提高了113%，抗拉强度提高了50%，伸长率仅达到4.3%

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Microstructures and mechanical properties of ZAM84-4Si magnesium alloy after ECAP

WU HaiYou, HAN Yong, DU QiangQiang, LI YuLin, ZHANG YuanQi, LIU Yan, Han FuYin
(Taiyuan University of Technology, Taiyuan, 030024, Shanxi, China)

It was investigated that an addition of 4% mass fraction silicon to the ZAM84 magnesium alloy, an thermal-stable phase Mg2Si formed. Equal channel angular pressing was employed to refine the microstructure, thus improving mechanical properties. After equal channel angular pressing, the proof strength increased by 113%, the ultimate tensile strength increased by 50%, while the elongation increased to 4.3%..

magnesium alloy; equal channel angular pressing; microstructure; mechanical properties, mechanism

TG146.22；

A；

1006-9658（201 6）04-0028-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.007

国家青年基金(51301118); 山西省青年基金（20031039）

2016-01-18

稿件编号: 1601-1221

吴海优（1990—），男，硕士．主要从事铸造材料研究.