挤压变形Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的显微组织及力学性能

刘旭贺,刘振凯,刘希东

(河南工程学院机械工程学院,河南 郑州 451191)

镁合金是最轻的金属结构材料,特别是其中的镁锂系合金,由于Li的加入,使镁合金的密度进一步减小。随着Li含量的增加,镁锂合金的密度不断减小,日本和我国的研究人员都曾研制出可漂浮在水上的镁锂合金材料[1-2]。除超轻特性外,镁锂合金还具有高比强度和比刚度,具有塑料等高分子材料不具备的导电、导热、电磁屏蔽等性能,具有良好的加工性能,是航空航天、武器装备、交通运输以及3C电子等领域理想的结构减重材料[3-7]。

Li含量对Mg-Li合金的相组成和性能有显著影响[8]。当w(Li)<5.7%时,合金保持α-Mg的密排六方(HCP)结构;随着Li含量增加(w(Li)=5.7%～10.3%),组织结构逐渐从α-Mg单相转变为α-Mg+β-Li双相,β-Li是体心立方(BCC)结构;最后双相转变为β-Li单相(w(Li)>10.3%)。随着Li含量的增加,使得 HCP结构α-Mg的晶轴比(c/a)减小,抑制基底滑移,并有助于棱柱滑移和锥体滑移。合金的塑性增强,在适当的工艺条件下,镁锂合金能表现出超塑性[9]。虽然Li元素的添加使镁锂二元合金的强度与纯镁相比得到较大提高,但二元镁锂合金的强度仍然很低,而且二元镁锂合金在高温时容易发生蠕变失效[10]。因此通常在二元镁锂合金的基础上添加适当的合金元素并进行塑性变形加工,以提高合金的强度。

Al元素和Zn元素是镁合金中最常用的合金化元素,由此产生了众多AZ系和ZK系的镁合金,这两种元素添加到镁锂合金中也具有较好的强化效果[11]。Al在镁锂合金中具有较强的固溶强化作用,还会形成Mg17Al12、AlLi等第二相,随着铝含量的增加,合金的强度逐渐提高[12]。Zn在镁锂合金中除固溶强化作用外,其在时效过程中生成的MgLi2Zn相还将进一步提高合金的强度,产生时效硬化[13]。众多学者也都对不同成分的Mg-Li-Zn或Mg-Li-Al进行研究,并尝试在三元合金的基础上添加其他元素进行强化[14]。

另外,塑性变形也是提高镁锂合金性能的重要手段,热挤压是其最常用的塑性变形方法[15]。镁锂合金在挤压过程中变形量大,发生动态再结晶,合金的强度在加工硬化和晶粒细化的双重作用下得到提高[16-17]。挤压方式、挤压温度和挤压比都会对合金的最终性能产生影响[18]。

本试验制备了一种Mg-Li-Al-Zn合金,同时添加Al和Zn元素,并对合金进行热挤压,研究了挤压态合金的显微组织和力学性能,为系统研究和应用镁锂合金材料提供参考。

1 试验过程

本试验原材料为纯镁、纯锂、纯铝和纯锌,所用设备包括中频真空感应熔炼炉(采用氩气作为保护气体)、铸铁坩埚、低碳钢模具。熔铸得到直径为58 mm的铸锭,铸锭在真空热处理炉中进行均匀化处理,温度为260 ℃,保温时间为24 h。均匀化处理后,去除铸锭表面的氧化皮。采用ICP对铸锭进行成分测定,实际成分为Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn。

在3.5 MN卧式挤压机上对铸锭进行挤压,挤压前,将铸锭在350 ℃的加热炉中保温2 h,模具加热到350 ℃,挤压筒温度为320 ℃,挤压比约为17,得到直径为14 mm的棒材。

对挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金垂直挤压方向和平行挤压方向的两个面进行金相观察。截取合适尺寸的块状材料并镶嵌成金相试样,经过320#、600#、800#、1000#和1500#砂纸的粗磨,然后在抛光机上进行精磨,采用Cr2O3悬浊液作为抛光剂。抛光后采用2%硝酸酒精溶液侵蚀15～20 s,迅速用酒精冲洗,吹风机吹干。利用LEICA DMIRM金相光学显微镜观察合金的显微组织。

利用TTR-Ⅲ Rigaku型X射线衍射仪对合金进行物相测试,试样的测试面在测试前经过打磨和抛光,不腐蚀,测试电压为40 kV,电流为150 mA,扫描角度为20°～80°,速度为5°/min,靶材为铜靶。

利用JSM6300扫描电子显微镜观察合金的组织和断口形貌,并利用设备自带的能谱仪测试合金的微区成分。

沿挤压方向将挤压棒材加工成圆棒状拉伸试样,试样中间平行段尺寸为Φ5 mm×30 mm,在INSTRON万能试验机上进行室温拉伸测试,横梁移动速度为5 mm/min。测试3个试样,取平均值。

2 结果与分析

2.1 挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的显微组织

图1显示的是挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的显微组织。由图1可以看出,挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的组织由灰色基体和黑色化合物组成。

基体的晶粒细小,晶粒尺寸在8 μm～20 μm之间,平均晶粒尺寸为13 μm,晶粒呈等轴状,是典型的动态再结晶组织。一般来说,铸态镁锂合金的晶粒尺寸较大,且多呈树枝状。在挤压变形过程中,合金在加热状态下发生较大的塑性变形,很容易诱发动态再结晶。合金基体中分布着一些黑色的尺寸较大的物质,这些物质主要分布在晶界附近。从图1c、图1d看到,这些物质在挤压过程中沿挤压方向呈线性聚集。根据高倍的金相图片和扫描电镜照片,黑色物质是基体相和某种相组成的共晶化合物。为确定合金中元素的分布以及化合物的成分,对挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金进行了微区成分分析,分别测试了基体和不同形貌化合物的微区成分,结果如图2所示。

图2 挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的微区成分结果

由图2d可以看出,基体中的元素以Mg为主,含有少量的Zn,没有检测出Li和Al。没有检测出Li是由于Li的原子序数小,电离能过低,无法被检测出;没有检测出Al说明固溶在基体中的Al元素很少,合金中的Al元素主要形成了化合物。

由图2b、c可以看出,合金中的颗粒状化合物和共晶状化合物中均含有Mg、Al和Zn,说明这些化合物均含有Mg、Al和Zn元素,由于扫描过程中不可避免的扫描到了基体的成分,所以可以判断这些物质是含有Al元素的化合物,也可能含有Li。

根据XRD分析结果(如图3所示),检测出合金中主要含有的物相是Mg,其他的物相由于含量少,未检测出。根据相关文献,Mg-Li-Al-Zn系镁锂合金中,当w(Li)<5.7%时,合金基体为密排六方结构的α-Mg相,根据Al和Zn含量的不同,合金中可能出现AlLi相以及MgLiAl2相或MgLi2Zn等物相,AlLi相通常与基体形成共晶形貌的化合物,MgLiAl2相或MgLi2Zn等物相通常为颗粒状。因此判断本研究中挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金中组成共晶状化合物的白色物质为AlLi相,但含量较少。

图3 挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的XRD结果

2.2 挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的力学性能

图4显示的是挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金拉伸应力应变曲线。应力应变曲线在经过弹性变形阶段后,有较长的塑性变形阶段,说明材料具有较好的塑性变形能力。拉伸曲线在弹性变形阶段和塑性变形阶段之间没有明显的屈服现象。在塑性变形阶段,出现了锯齿状特征,这是拉伸变形过程中合金内部动态失稳的表现,在Li含量较低的镁锂合金中,这种现象经常存在,通常认为是在拉伸变形过程中的溶质原子的动态应变时效引起的[19]。

表1列出了拉伸测试的力学性能结果和GB/T5155-2013要求的AZ31镁合金的力学性能指标。经过拉伸测试,挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为260 MPa、234 MPa和20.7%,采用阿基米德排水法测得其密度为1.55 g/cm3。整体上,挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金不仅密度比AZ31镁合金小,而且抗拉强度、屈服强度和伸长率均比AZ31镁合金的高。与AZ31镁合金相比,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了17%、67%和195%。

2.3 断口形貌分析

图5显示的是挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金拉伸断口形貌。拉伸断口主要由韧窝组成,在韧窝边缘存在一些解理台阶,表明断裂方式是韧性断裂,这与合金具有较高的断裂伸长率结果一致，表明挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金是韧性材料,具有较好塑性变形能力。

图5 挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金拉伸断口形貌

3 结 论

1)挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金由基体α-Mg和少量的AlLi相组成,晶粒尺寸细小,为动态再结晶组织。

2)挤压态Mg-5Li-2.6Al-1.8Zn合金具有较高的力学性能,抗拉强度达到260 MPa,断裂伸长率为20.7%,断口主要由韧窝组成,材料具有较高的韧性。