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        時(shí)效對(duì)AZ31鎂合金組織與性能的影響

        2014-07-01 06:25:50盧雅琳徐文婷

        吳 丹,盧雅琳,徐文婷

        (江蘇理工學(xué)院,江蘇 常州 213100)

        0 引言

        鎂合金材料是一種新型綠色金屬材料,也是典型的輕量化材料,其重量僅為鋁合金的2/3,用鎂合金做結(jié)構(gòu)件可以大大減輕構(gòu)件重量[1-4]。近年來,隨著紡織機(jī)械向著高速和大寬幅方向發(fā)展,重量輕、強(qiáng)度剛度好的輕合金材料被廣泛應(yīng)用于紡織設(shè)備[5-6]。鎂合金因具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、減震性能好,機(jī)械加工方便等優(yōu)點(diǎn)[7]而成為經(jīng)編機(jī)械的首選。其中AZ31鎂合金為最常用的鎂合金材料。

        合適的熱處理工藝是改善和提高鎂合金綜合性能的重要手段[8-10]。因AZ31鎂合金中有Mg17Al12相,強(qiáng)化相較少,固溶強(qiáng)化效果不明顯,所以通過時(shí)效處理改善其組織性能成為最佳選擇。此外,由于經(jīng)編機(jī)械中的針床、梳櫛等關(guān)鍵零件均為尺寸較長的薄板、異型材件,在擠壓成型之后只能通過合適的時(shí)效處理,才能保證其較好的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性。時(shí)效處理可以消除AZ3l鎂合金擠壓變形后的缺陷和殘余應(yīng)力,且時(shí)效過程中容易在晶界和接點(diǎn)處形成無畸變的再結(jié)晶晶粒和可移動(dòng)的大角晶界,發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶,使材料性能發(fā)生得以改善[10-12]。本文以紡織機(jī)械用AZ31擠壓型材為研究對(duì)象,通過合適的時(shí)效處理,使其機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu),為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)保證。

        1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

        實(shí)驗(yàn)采用擠壓的AZ31鎂合金型材為實(shí)驗(yàn)材料,其材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:Al-3.07,Mn-0.28,Zn -0.6,其余為Mg。

        實(shí)驗(yàn)所用熱處理設(shè)備為SX.5.12型箱式電阻爐,溫控精度±1℃。熱處理工藝方案如表1所示。

        表1 AZ31鎂合金熱處理工藝

        對(duì)熱處理前后的AZ31鎂合金試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試,試樣為圖1所示的骨樣狀,標(biāo)距為25 mm,厚度為2.5 mm,寬度為8 mm。

        圖1 拉伸試樣

        熱處理后的試樣經(jīng)磨樣-拋光-腐蝕,通過定量金相分析系統(tǒng)獲得微觀組織照片。在CMT-5105萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試,拉伸速度為2mm/min。在HVS21000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)上進(jìn)行顯微硬度測量,載荷為500g,保壓時(shí)間20s,每個(gè)數(shù)據(jù)測量8個(gè)點(diǎn),取平均值。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        圖2為擠壓態(tài)AZ31鎂合金的微觀組織照片,從圖中可以看出,擠壓態(tài)組織為大小不一的近球狀組織,晶界比較清晰。小晶粒為晶界清晰的球狀組織,小晶粒出現(xiàn)在大晶粒的晶界處。

        圖2 擠壓態(tài)AZ31鎂合金的微觀組織

        2.1 微觀組織分析

        圖3為AZ31鎂合金在不同熱處理工藝條件下的微觀組織照片。圖3(a)中為時(shí)效溫度200℃、保溫2h的試樣組織。從圖中可以看出,沿粗大晶粒晶界有許多組織細(xì)小的再結(jié)晶晶粒出現(xiàn),平均晶粒尺寸有所減小。圖3(b)為在200℃、保溫3h時(shí)效后試樣的微觀組織照片,與圖3(a)相比,組織大小形貌變化不大。圖3(c)、(d)為時(shí)效溫度為225℃、保溫時(shí)間分別為2h和3h的試樣組織,可以看出,圖3(c)中組織由細(xì)小均勻的小晶粒組成,晶界不清晰,組織均勻性稍好。隨著保溫時(shí)間的延長,晶粒明顯長大,三角晶界處仍有少量再結(jié)晶組織,如圖3(d)所示。比較圖3(a)和3(c)可以看出,當(dāng)保溫時(shí)間均為2h時(shí),隨著時(shí)效溫度的升高,三角晶界處的再結(jié)晶晶粒逐漸長大,晶粒趨于均勻、圓整。3(e)、(f)、(g)為時(shí)效溫度250℃下分別保溫0.5h、1h和2h的微觀組織。可以看出,此溫度下的組織均勻細(xì)小,隨著保溫時(shí)間的延長,微觀組織更加細(xì)小和均勻化,尤其當(dāng)保溫時(shí)間為2h時(shí),大量再結(jié)晶晶粒沿晶界出現(xiàn),晶界比較清晰,說明250℃時(shí)效溫度下,合金發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶,保溫時(shí)間越長,再結(jié)晶進(jìn)行得越充分和完全。比較圖3(a)、(c)、(g)可以看出,隨著時(shí)效溫度的升高,材料發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶,再結(jié)晶數(shù)目越來越多,說明隨著溫度的升高,靜態(tài)再結(jié)晶由不完全向完全再結(jié)晶發(fā)展。比較圖3(e)、(i)、(g)可以看出,當(dāng)時(shí)效溫度為250℃時(shí),平均晶粒尺寸較大,隨著溫度升高到275℃時(shí),晶粒發(fā)生了再結(jié)晶,平均晶粒尺寸減小,當(dāng)溫度升高到300℃時(shí),再結(jié)晶晶粒長大,平均晶粒尺寸顯著增大。說明時(shí)效溫度為275℃時(shí)較為合適。

        圖3 退火工藝對(duì)AZ31鎂合金微觀組織的影響

        總的來說,在低溫條件下(小于250℃),隨著時(shí)效溫度的升高,晶粒尺寸逐漸減小;高溫條件下(大于250℃),隨著時(shí)效溫度的升高,晶粒先減小后繼續(xù)增大。試樣在時(shí)效處理的過程中發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象。

        2.2 時(shí)效工藝參數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響

        按照?qǐng)D1加工AZ31鎂合金拉伸試樣,并進(jìn)行力學(xué)性能測試。圖4所示為時(shí)效溫度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響。可以看出:當(dāng)時(shí)效溫度由200℃升高到250℃時(shí),材料的抗拉強(qiáng)度顯著增大,且增幅較大,當(dāng)溫度繼續(xù)升高到300℃時(shí),抗拉強(qiáng)度稍有增大,增幅明顯減小。圖5為250℃時(shí)效溫度下保溫時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響,可以看出:隨著保溫時(shí)間的延長,材料抗拉強(qiáng)度逐漸增大,當(dāng)保溫時(shí)間超過1 h,保溫時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響不顯著,增幅不大。

        圖4 時(shí)效溫度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響

        圖5 時(shí)效時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響

        綜合比較時(shí)效后的微觀組織照片和力學(xué)性能數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn),對(duì)AZ31鎂合金而言,進(jìn)行275℃x0.5h時(shí)效處理后,其組織細(xì)化、力學(xué)性能最佳。所以,275℃ ×0.5h為AZ31鎂合金最佳熱處理方案。

        3 結(jié)論

        (1)在200℃ ~300℃范圍內(nèi),進(jìn)行時(shí)效處理,晶粒細(xì)化較為明顯。其中在275℃保溫0.5h處理,晶粒均勻且尺寸較小。

        (2)當(dāng)時(shí)效溫度小于275℃時(shí),AZ31鎂合金板材抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高顯著增大,增幅較大;當(dāng)時(shí)效溫度大于275℃,抗拉強(qiáng)度的增幅較小,變化不太顯著。

        (3)隨著保溫時(shí)間的延長,AZ31鎂合金板材抗拉強(qiáng)度逐漸增大,但當(dāng)保溫時(shí)間超過1h,材料抗拉強(qiáng)度的變化趨于穩(wěn)定。

        (4)275℃ ×0.5h為AZ31鎂合金擠壓板材最佳熱處理方案。

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