韓 棟,杜 軍,李文芳

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣州510640)

碳和堿土元素復(fù)合細(xì)化對(duì)Mg-3Al合金抗拉強(qiáng)度的影響

韓 棟,杜 軍,李文芳

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣州510640)

利用碳和堿土金屬(Ca和Sr)對(duì)Mg-3Al合金進(jìn)行單獨(dú)或復(fù)合細(xì)化處理,研究其晶粒細(xì)化效果及其晶粒細(xì)化對(duì)Mg-3Al合金抗拉強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:0.2%C(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)、0.2%Ca及0.2%Sr均可顯著細(xì)化Mg-3Al合金,而經(jīng)0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復(fù)合細(xì)化可進(jìn)一步提高細(xì)化效果。細(xì)化后Mg-3Al合金的拉伸性能明顯提高,經(jīng)復(fù)合細(xì)化后合金的極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了20%和40%。晶粒細(xì)化影響Mg-3Al合金的斷裂機(jī)制,由具有粗大解理面的解理斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫砗蜏?zhǔn)解理的混合斷裂模式。

Mg-Al合金;晶粒細(xì)化;堿土元素;碳;拉伸性能

鎂合金作為最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料,被譽(yù)為21世紀(jì)的“綠色材料”,在汽車(chē)和電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1,2],但鎂合金較差的塑性變形能力及其較低的絕對(duì)強(qiáng)度使其應(yīng)用受到一定的限制。眾所周知,晶粒細(xì)化是改善金屬制品強(qiáng)度性能的有效途徑。在商用鎂合金中,Mg-Al系合金占據(jù)主導(dǎo)地位,Mg-Al系合金晶粒細(xì)化的常見(jiàn)方法有碳質(zhì)孕育法[3-5]和微量元素合金化法[5-7]。對(duì)于碳質(zhì)孕育法,其細(xì)化機(jī)理為碳原子與鋁相互作用生成大量彌散分布的Al4C3質(zhì)點(diǎn)作為Mg晶粒的形核核心所致[4,5]。而對(duì)于微量元素合金化法,其細(xì)化作用主要是由于凝固過(guò)程中所產(chǎn)生的溶質(zhì)偏析抑制晶粒生長(zhǎng)有關(guān)。其中堿土元素Ca和Sr被認(rèn)為是細(xì)化Mg-Al系合金晶粒的有效元素[5-7]。

根據(jù)經(jīng)典的凝固理論,金屬制品的晶粒尺寸可通過(guò)增加熔融液中的有效晶核數(shù)目和增大在凝固過(guò)程中的溶質(zhì)偏析抑制晶粒生長(zhǎng)兩方面的綜合作用加以控制[5]。顯然,碳質(zhì)孕育法和微量元素合金化法分別從屬于上述兩個(gè)方面。因此,如能對(duì)Mg-Al合金進(jìn)行碳質(zhì)孕育和微量元素合金化復(fù)合處理,應(yīng)可獲得更高的細(xì)化效果。本工作基于這一研究思路,對(duì)比研究了碳質(zhì)孕育、Ca和Sr合金化及其兩者綜合作用對(duì)Mg-Al合金晶粒細(xì)化效果的影響,并測(cè)試經(jīng)不同工藝細(xì)化處理的Mg-Al合金抗拉強(qiáng)度,以期對(duì) Mg-Al合金晶粒細(xì)化劑的研制提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究所用原材料包括高純鎂、高純鋁、Al-15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)Ca和 Al-15%Sr中間合金。為使石墨粉能均勻分散到Mg-Al熔融液以實(shí)現(xiàn)碳質(zhì)孕育,本工作利用石墨粉、鎂粉、鋁粉按1∶5∶4(質(zhì)量比)混合并用冷等靜壓機(jī)壓制獲得含石墨的Al-Mg-C顆粒。

所細(xì)化的合金組分選定為Mg-3Al,在熔化過(guò)程中含石墨的顆粒中鋁的含量及Al-15%Ca和Al-15%Sr中間合金中鋁的含量均考慮在內(nèi)。試樣制備過(guò)程如下:將純鎂、純鋁、Al-15%Ca或 Al-15%Sr中間合金一同熔化,所用坩堝為高純MgO(99.5%)坩堝,熔化溫度為750℃。熔化后經(jīng)適當(dāng)攪拌后投入含石墨的Al-Mg-C顆粒,靜置10min后再攪拌,再靜置10min后澆鑄。澆鑄模具為銅模,尺寸為10mm×60mm×70mm,模具預(yù)熱溫度為600℃。本研究中共制備了6種樣品,分別是未處理的Mg-3Al合金,及其分別經(jīng)0.2%C,0.2%Ca和 0.2%Sr細(xì)化,以及 0.2%C和0.2%Ca,0.2%C和0.2%Sr復(fù)合細(xì)化處理的Mg-3Al合金。

距澆鑄試塊底部20mm和側(cè)部10mm處切割制取金相觀察樣品,經(jīng)研磨、拋光后利用苦味酸酒精溶液腐蝕,并用Olympus BX50型號(hào)的光學(xué)顯微鏡觀察,拍攝金相照片,并利用線截距法估計(jì)晶粒尺寸。利用線切割加工拉伸試樣,其尺寸為6mm×2mm×30mm,每種樣品制備5個(gè)拉伸試樣,并利用AG-2000型材料測(cè)試機(jī)進(jìn)行測(cè)試,拉伸速率為1mm/min。含碳晶核結(jié)構(gòu)觀測(cè)及其拉伸斷口形貌觀察均在J EOL JSM 6330F掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 晶粒細(xì)化效果與分析

圖1所示為經(jīng)不同細(xì)化方法制備的Mg-3Al合金的金相組織照片。對(duì)于未經(jīng)處理的Mg-3Al合金,其晶粒尺寸約550μm(圖1(a))。而經(jīng)0.2%C細(xì)化后,晶粒尺寸明顯細(xì)化,由550μm降低到220μm(圖1(b))。對(duì)于經(jīng)0.2%Ca或0.2%Sr細(xì)化的 Mg-3Al合金,其細(xì)化程度與0.2%C的細(xì)化程度相當(dāng),晶粒尺寸也約為220μm(圖1(c),(d))。而從圖1(e)和圖1(f)可以看出,經(jīng)0.2%C和 0.2%Ca或 0.2%Sr復(fù)合細(xì)化處理后Mg-3Al的晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化,晶粒尺寸降低至約120μm?？梢?jiàn),經(jīng)碳和堿土金屬的復(fù)合細(xì)化可顯著提高M(jìn)g-Al的晶粒細(xì)化效果。

圖1 經(jīng)不同工藝細(xì)化的Mg-3Al合金金相組織 (a)未處理;(b)0.2%C細(xì)化;(c)0.2%Ca細(xì)化;(d)0.2%Sr細(xì)化;(e)0.2%C+0.2%Ca復(fù)合細(xì)化;(f)0.2%C+0.2%Sr復(fù)合細(xì)化Fig.1 Grain morphologies of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

對(duì)于Mg-Al系合金的碳質(zhì)孕育細(xì)化,碳與Al在Mg熔體中反應(yīng)生成的Al4C3顆粒作為Mg晶粒的形核核心是導(dǎo)致細(xì)化的主要機(jī)制[4,5]。因Al4C3極易水解[8],在金相試樣制備過(guò)程中常觀測(cè)到 Al-C-O顆粒[8,9],在本研究中經(jīng)碳質(zhì)孕育以及碳和堿土金屬?gòu)?fù)合細(xì)化的樣品中均可觀察到Al-C-O顆粒。圖2所示即為經(jīng)0.2%C細(xì)化的Mg-3Al合金樣品中Al-C-O顆粒的典型形貌和EDS能譜。在碳和堿土金屬?gòu)?fù)合細(xì)化條件下,一方面大量Al4C3顆粒的生成可促進(jìn)Mg晶粒數(shù)量的增加;另一方面在鎂合金凝固過(guò)程中,因堿土金屬的強(qiáng)烈偏析作用從而有效抑制Mg晶粒的生長(zhǎng),同時(shí)在固/液界面前沿形成成分過(guò)冷,并可能激活更多的形核質(zhì)點(diǎn),從而進(jìn)一步增加有效晶核的數(shù)量[5,10]。上述因素的共同作用使得碳和堿土金屬?gòu)?fù)合細(xì)化可取得更好的晶粒細(xì)化效果。

圖2 經(jīng)0.2%C細(xì)化處理的Mg-3Al合金中Al-C-O顆粒的典型形貌及其EDS能譜(a)Al-C-O顆粒的典型形貌;(b)EDS能譜Fig.2 SEM image of a Al-C-O particle in the Mg-3Al alloy modified by 0.2%C(a)and its typical EDS spectrum(b)

2.2 拉伸性能測(cè)試結(jié)果與分析

圖3所示為經(jīng)不同處理細(xì)化的Mg-3Al合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。相對(duì)于未處理的Mg-3Al合金,經(jīng)細(xì)化處理后Mg-3Al合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有不同程度的提高。對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行了5次拉伸實(shí)驗(yàn),并得到了極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的平均值及其誤差范圍,如圖4所示。對(duì)于未處理的Mg-3Al合金,其極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別是162MPa和 9.8%,而經(jīng)0.2%C細(xì)化處理后,極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高到約180MPa和15%;而對(duì)于分別經(jīng)0.2%Ca和0.2%Sr細(xì)化的樣品,其極限抗拉強(qiáng)度與0.2%C細(xì)化樣品相當(dāng),但其斷裂伸長(zhǎng)率的提高幅度相對(duì)較低,約為12.5%。對(duì)于經(jīng)0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復(fù)合細(xì)化的Mg-3Al合金樣品,其極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高,約為192MPa,但相對(duì)于0.2%C細(xì)化樣品,其斷裂伸長(zhǎng)率沒(méi)有明顯變化,約為15%。可見(jiàn),經(jīng)碳和堿土元素復(fù)合細(xì)化處理后Mg-3Al合金的力學(xué)性能得到顯著提高,與未處理的Mg-3Al合金相比,復(fù)合細(xì)化處理可使極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高約20%和40%。

圖3 經(jīng)不同工藝細(xì)化的Mg-3Al合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)未處理;(b)0.2%C細(xì)化;(c)0.2%Ca細(xì)化;(d)0.2%Sr細(xì)化;(e)0.2%C+0.2%Ca復(fù)合細(xì)化;(f)0.2%C+0.2%Sr復(fù)合細(xì)化Fig.3 The typical curves of tensile strengthvstensile strain for the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

眾所周知,極限抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的提高與斷裂機(jī)制密切相關(guān)。對(duì)于鎂合金,因其具有密排六方結(jié)構(gòu),其斷裂機(jī)制主要以脆性的解理或準(zhǔn)解理斷裂為主[11,12]。圖5所示為本研究所制備的六種樣品的拉伸斷口SEM照片。對(duì)于未細(xì)化的Mg-3Al合金,其斷口形貌(圖5(a))主要由光滑解理面(標(biāo)記為A)以及帶有河流花樣的粗糙解理面(標(biāo)記為B)組成?？梢?jiàn)對(duì)于晶粒相對(duì)粗大的Mg-3Al合金,其斷裂機(jī)制主要為解理斷裂。河流花樣代表兩個(gè)不在同一平面上的解理裂紋通過(guò)與主解理面相垂直的二次解理形成了解理臺(tái)階,而對(duì)于光滑解理面,則表明晶粒取向可能已經(jīng)與主拉伸軸取向成直角,導(dǎo)致斷裂很容易在一個(gè)獨(dú)立的解理面上擴(kuò)展。

圖4 經(jīng)不同工藝細(xì)化的Mg-3Al合金的抗拉斷裂強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變 (a)未處理;(b)0.2%C細(xì)化;(c)0.2%Ca細(xì)化;(d)0.2%Sr細(xì)化;(e)0.2%C+0.2%Ca復(fù)合細(xì)化;(f)0.2%C+0.2%Sr復(fù)合細(xì)化Fig.4 Ultimate tensile strength and elongation to failure of the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

圖5 經(jīng)不同工藝細(xì)化的Mg-3Al合金拉伸斷口形貌的SEM照片 (a)未處理;(b)0.2%C細(xì)化;(c)0.2%Ca細(xì)化;(d)0.2%Sr細(xì)化;(e)0.2%C+0.2%Ca復(fù)合細(xì)化;(f)0.2%C+0.2%Sr復(fù)合細(xì)化Fig.5 SEM images of the tensile fracture surfaces for the samples of the Mg-3Al alloy without treatment(a)and refined by 0.2%C(b),0.2%Ca(c),0.2%Sr(d),0.2%C combined with 0.2%Ca(e)or 0.2%Sr(f)

對(duì)于經(jīng)0.2%C細(xì)化的Mg-3Al合金,其拉伸斷口(圖5(b))上很難觀察到光滑解理面。斷口主要由帶細(xì)河流花樣的小解理面以及具有明顯劇塑性變形的準(zhǔn)解理面(標(biāo)記為C)組成。圖5(c),(d)所示分別為經(jīng)0.2%Ca和0.2%Sr細(xì)化的Mg-3Al合金拉伸斷口形貌,與0.2%C細(xì)化的Mg-3Al合金拉伸斷口形貌相比,經(jīng)0.2%Ca或0.2%Sr細(xì)化的合金斷口中帶劇塑性變形的準(zhǔn)解理面相對(duì)較少,其斷口主要由帶河流花樣的大解理面組成,這可能是由于Ca或Sr加入后合金中形成少量含有Ca或Sr的脆性合金相所致[6,7]。對(duì)于經(jīng)0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復(fù)合細(xì)化的Mg-3Al合金,其拉伸斷口形貌(圖5(e),(f))與0.2%C細(xì)化的合金斷口形貌相似,主要由帶河流花樣的解理面和一些具有劇塑性變形的準(zhǔn)解理面區(qū)域組成。該斷裂特征表明Mg-3Al合金經(jīng)碳細(xì)化或碳與堿土元素復(fù)合細(xì)化后,因其細(xì)小的晶粒尺寸使其斷裂機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理和解理斷裂的混合模式,從而保證了經(jīng)細(xì)化后合金的高強(qiáng)度和高延伸性能。

3 結(jié)論

(1)Mg-3Al合金經(jīng)0.2%C細(xì)化處理后其晶粒尺寸顯著降低,而進(jìn)一步復(fù)合0.2%Ca或0.2%Sr,可使Mg-3Al合金晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化。

(2)相對(duì)于未細(xì)化的Mg-3Al合金,經(jīng)細(xì)化后合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有不同程度的提高。經(jīng)0.2%C與0.2%Ca或0.2%Sr復(fù)合細(xì)化后處理的合金極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了約20%和40%。

(3)對(duì)于未細(xì)化的Mg-3Al合金,其斷裂機(jī)制主要為具有粗大解理面的解理斷裂,而經(jīng)0.2%C或0.2%C與堿土元素(0.2%Ca或0.2%Sr)復(fù)合細(xì)化后,斷裂機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫砗蜏?zhǔn)解理斷裂的混合模式,斷口主要由帶細(xì)河流花樣的小解理面和劇塑性變形的準(zhǔn)解理面組成。

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Effects of Grain Refinement on Tensile Properties of Mg-3Al Alloy Modified by Carbon and Alkaline-earth Elements

HAN Dong,DU Jun,LI Wen-fang
(School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The Mg-3Al alloy was modified by 0.2%C(mass fraction)and/or alkaline-earth elements of 0.2%Ca or 0.2%Sr to refine its grain size.The effect of grain refinement on the tensile properties of the Mg-3Al alloy was investigated.The results show that higher grain refining efficiency can be obtained for the Mg-3Al alloy modified by the combination of carbon and alkaline-earth elements.Compared to the Mg-3Al alloy without any treatment,the tensile properties of the Mg-3Al alloy are remarkably improved after being modified by the combination of carbon and a little addition of alkalineearth elements.The ultimate tensile strength and elongation to failure are improved by about 20%and 40%,respectively.After being refined either by carbon or by the combination of carbon and a little addition of alkaline-earth elements,the main fracture mechanism is changed from cleavage mode with large cleavage planes for the unrefined Mg-3Al alloy to mixed mode of cleavage and quasi-cleavage fracture.The fracture surfaces are almost composed of small cleavage planes with thin river patterns and quasi-cleavage planes with severe plastic deformation.

Mg-Al alloy;grain refinement;alkaline-earth element;carbon;tensile property

TG146.2+2

A

1001-4381(2011)05-0021-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50901034);華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2009ZM0305);廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(05300139)

2010-02-01;

2010-11-13

韓棟(1986—),男,碩士研究生,從事金屬表面工程及輕合金強(qiáng)化方面研究工作,聯(lián)系地址:廣東省廣州市華南理工大學(xué)五山校區(qū)材料學(xué)院金屬系(510640),E-mail:99handong@163.com

杜軍(1975—),男,博士,副教授,主要研究方向:輕合金強(qiáng)化及其表面改性,聯(lián)系地址:廣東省廣州市華南理工大學(xué)五山校區(qū)8號(hào)樓材料學(xué)院金屬系(510640),E-mail:tandujun@sina.com