环境艺术用镁合金的合金化研究

轩德军，沈 婷

(马鞍山师范高等专科学校 艺术设计系,安徽 马鞍山 243000)

环境艺术与人们的工作、生活和休闲娱乐息息相关,尤其是随着近年来国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高,现实生活中人们对于各类环境艺术质量的要求也在逐年提高,许多城市规划和设计、雕塑和艺术品等作为环境艺术的一部分,也在呈现多角度融合和发展的特征。镁合金作为21世纪密度最轻的金属结构材料,由于具有比强度高、散热好和耐冲击载荷作用优异等特性而在环境艺术领域具有较好的发展前景[1]。尤其是随着节能减排意识的不断增强,具有密度轻、比强度和比刚度高等特点的Mg-Zn-Zr合金迎来了较大的发展机遇,通过对其进行微合金化处理可以进一步提升其综合性能而更适宜现代化市场的需求[2]。本文通过添加不同含量的Y的方法,对Mg-Zn-Zr合金进行微合金化设计,并研究Y含量对合金的显微组织和力学性能的影响,以期开发出高性能环境艺术用镁合金并推广其工业化应用。

1 材料与方法

试验选材为稀土Y微合金化的低Zn的Mg-Zn-Zr合金,通过合金成分优化设计,配制了4种不同Y含量的压铸Mg-Y-Zn-Zr合金,化学成分经过电感耦合等离子发射光谱测试,其主要元素的质量分数如表1。

表1 试验合金的化学成分Table 1 Chemical compositions of experimental alloys 单位：%

金相试样经过打磨和抛光处理后,在OLYMPUS-3型金相显微镜下观察不同状态下的试样的显微组织,腐蚀试剂为5.0 mL冰醋酸+5.0 g苦味酸+10.0 mL蒸馏水+80.0 mL乙醇的混合溶液;X射线物相分析结果采用德国D-8型X射线衍射仪进行,扫描角度在20°～80°之间;拉伸力学性能测试按照国标GB228—2002执行,在MTS-809型电子万能拉伸机上进行测试,每组试样取3根,获得抗拉强度、屈服强度和延伸率的测试的结果,并以其平均值作为测试最终结果。

2 结果与分析

图1为添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的金相显微组织测试结果。可以看出,在Mg-Zn-Zr合金中添加稀土元素Y后,合金的晶粒尺寸得到明显细化。在未添加Y的合金中,Mg-Zn-Zr合金的晶粒尺寸约为70 μm;当合金中添加质量分数1%Y时,Mg-0.7Zn-0.3Zr-1Y合金的晶粒尺寸约为46 μm;当合金中添加质量分数2%Y时,Mg-0.7Zn-0.3Zr-2Y合金的晶粒尺寸约为40 μm;当合金中添加质量分数3%Y时,Mg-0.7Zn-0.3Zr-3Y合金的晶粒尺寸约为32 μm。此外,在未添加Y的合金中,晶粒内部和晶界处并未发现组织缺陷或者明显的粗大初生相产生[3],内部组织相对均匀,Y元素较好地固溶于合金基体中;在合金中添加Y元素后,晶界处开始出现尺寸和分布不同的第二相组织,且随着Y含量的增加,第二相组织逐渐粗化。

图1 Y对合金金相显微组织的影响Fig.1 The effects of Y on the OM microstructure of alloys

图2为添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的平均晶粒尺寸统计结果。图中可以看出,随着Mg-Zn-Zr合金中Y元素的增加,合金的晶粒尺寸不断减小。但是从变化曲线可以看出,在合金中添加质量分数1%Y后的合金的晶粒尺寸的降低幅度较大,此后随着Y含量的增加,合金的晶粒尺寸减小幅度不断降低,曲线趋于平缓。由此可以推断随着Y含量的继续增加,晶粒尺寸最终将趋于一稳定水平。

图2 Y对合金晶粒尺寸的影响Fig.2 The effects of Y on the grain size of the alloys

图3为添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的X射线物相分析结果。图中可以看出,随着Y含量的增加,合金中出现了新相组织。在未添加Y的合金中,Mg-Zn-Zr合金为单相组织,主要含有α-Mg相,这一点与前续的在晶内和晶界处没有发现第二相组织保持一致;当在合金中添加质量分数1%Y后,在晶界上可以发现少量的第二相;随着Y质量分数继续增加至2%和3%以后,合金中晶界处的第二相逐渐增多,经过XRD检测分析以后,合金中出现Mg24Y5相[4]。因此,随着Y含量的增加,合金中将逐渐出现Mg24Y5相,对合金的组织与性能产生重要的影响。

图3 不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的X射线物相分析结果Fig.3 XRD spectra of Mg-Zn-Zr alloys

图4为添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的力学性能的测试结果。图中可以看出,随着Y含量的增加,合金的抗拉强度、屈服强度逐渐增加,而伸长率先增加后减小,当合金中添加质量分数1%Y时,伸长率取得最大值。当合金中添加质量分数1%Y时,合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率的增加率分别为14.5%、68%和22%;当合金中添加质量分数2%Y时,合金的抗拉强度和屈服强度增加率分别为0.6%和2.8%,而伸长率降低;当合金中添加质量分数3%Y时,合金的抗拉强度和屈服强度趋于不变,而伸长率降低。可能的原因在于合金中添加Y后,使得合金产生了固溶强化和细晶强化的作用,合金的强度得到提高;当添加质量分数2%Y以后,晶粒的细化效果和晶界处的粗化所引起的弱化效果相抵消[5-6],合金的强度增加幅度减小,而伸长率降低。

图4 不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金对力学性能的影响Fig.4 The effects of Y on mechanical property of Mg-Zn-Zr alloys

图5为添加不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的拉伸断口切片的金相组织。从图中可以看出,不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的拉伸断口的金相组织存在显著的差异,当未添加Y的合金中,经过拉伸试验后,拉伸断口的裂纹是随着晶界扩展而形成的;当合金中添加质量分数1%Y后,拉伸断口裂纹主要是以沿着晶界扩展和沿着层片状组织扩展而形成的,其中前者占据绝大部分,后者只有少量;当合金中添加质量分数2%Y后,拉伸断口裂纹主要以沿着晶界扩展、沿着层片状组织扩展和沿着第二相扩展三种形式存在[7],其中又以沿着第二相扩展为主;当合金中添加质量分数3%Y后,合金的裂纹扩展又转变为沿着晶界第二相扩展[8]。在合金中Y含量不断增加的过程中,合金裂纹扩展的途径逐渐从沿着晶界扩展转变为沿着第二相扩展。

图5 不同Y含量的Mg-Zn-Zr合金的常温拉伸断口切片的金相组织Fig.5 Fracture morphology of Mg-Zn-Zr alloys with the different Y contents

3 结论

1)在Mg-Zn-Zr合金中添加稀土元素Y后,合金的晶粒尺寸得到明显细化;随着Mg-Zn-Zr合金中Y元素的增加,合金的晶粒尺寸不断减小。

2)在合金中添加质量分数1%Y后,在晶界上可以发现少量的第二相;随着Y质量分数继续增加至2%和3%后,合金中晶界处的Mg24Y5相逐渐增多。

3)随着Y含量的增加,合金的抗拉强度、屈服强度逐渐增加,而伸长率先增加后减小,当合金中添加质量分数1%Y时,伸长率取得最大值。

4)合金中Y含量不断增加的过程中,合金裂纹扩展的途径逐渐从沿着晶界扩展转变为沿着第二相扩展。