楊建東

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089)

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熱處理對(duì)Y變質(zhì)Mg-7Al合金組織及力學(xué)性能的影響

楊建東

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089)

摘要：通過(guò)對(duì)Y變質(zhì)后的Mg-7Al合金進(jìn)行固溶和時(shí)效處理，研究熱處理對(duì)Y變質(zhì)后合金組織及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，固溶和時(shí)效對(duì)高熔點(diǎn)的Al2Y相均無(wú)明顯影響。而時(shí)效處理后β-Mg17Al12相以層片狀和點(diǎn)狀共存的方式再次析出，改善了其原本粗大的網(wǎng)狀形貌，且隨時(shí)效溫度升高，層片狀β-Mg17Al12相數(shù)量減少，而點(diǎn)狀析出量增多，因此，時(shí)效后合金力學(xué)性能得到提高。

關(guān)鍵詞：熱處理，鎂合金，Y變質(zhì)，β-Mg17Al12相，力學(xué)性能

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料[1]，具有比強(qiáng)度、比剛度高，抗震減震能力和電磁屏蔽效果佳，易加工成形和回收利用等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，高比強(qiáng)度、比剛度使得鎂合金應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)可提高燃油率、降低CO2排放[4]，另外，鎂合金可被應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、電子等工業(yè)領(lǐng)域[5]，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。雖然鎂合金得到一定程度的應(yīng)用，但其應(yīng)用廣泛性仍遠(yuǎn)不如鋁合金，其原因主要是鎂合金還存在著絕對(duì)強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[6-7]。研究表明Mg-Al合金鑄態(tài)組織中存在共晶β-Mg17Al12相，可顯著影響鎂合金的力學(xué)性能[8-9]。稀土元素微合金化和通過(guò)熱處理進(jìn)行組織優(yōu)化是提高鎂合金力學(xué)性能的有效途徑[10]。固溶處理可以使鎂合金中的β溶解在基體中，形成飽和的α相固溶體，從而對(duì)鎂合金產(chǎn)生一定強(qiáng)化作用，另外時(shí)效處理也是改善鎂合金性能的主要強(qiáng)化手段，時(shí)效過(guò)程中析出的彌散β-Mg17Al12相分布的狀態(tài)和形狀會(huì)對(duì)合金的組織及力學(xué)性能有很大影響，所以固溶和時(shí)效處理對(duì)于鎂合金的研究有著很重要的意義。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

Mg和Al以純金屬錠形式加入，Y以Mg-30%Y中間合金形式加入。原材料經(jīng)打磨去除表面污物后，按93∶7的質(zhì)量稱(chēng)量后放入到坩堝中熔化，在720℃澆注出Y含量分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鎂合金試樣。對(duì)Mg-7Al合金進(jìn)行400℃×8h的固溶處理，并用冷水冷卻。隨后分別進(jìn)行200℃×6h和250℃×6h的時(shí)效處理，并隨爐冷卻。采用Nikon Epiphot光學(xué)顯微鏡和JSM-6700F掃描電鏡觀察合金顯微組織，并用掃描電鏡附帶的OXFORD INCA能譜儀進(jìn)行成分分析，采用XRD-7000S型X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行物相分析。在HT-2042計(jì)算伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其拉伸力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1固溶處理對(duì)Mg-7Al合金微觀組織的影響

圖1所示為金屬型Mg-7Al合金400℃×8h固溶處理后水冷的顯微組織，其中左列為固溶組織，右列為固溶后晶界腐蝕的組織。由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)8h的固溶處理，枝晶偏析現(xiàn)象基本得到消除，與鑄態(tài)組織相比，原本由于非平衡凝固存在于晶界的離異共晶β-Mg17Al12相幾乎完全溶解，而通過(guò)擴(kuò)散未完全固溶進(jìn)入α-Mg基體晶格的小部分Al元素以細(xì)小顆粒狀的β-Mg17Al12相形式均勻彌散分布在基體和晶界處，且加入Y的Mg-7Al合金固溶后β-Mg17Al12相減少且分布更均勻。

(a)、(a′)：Mg-7Al；(b)、(b′)：Mg-7Al-0.1Y；(c)、(c′)：Mg-7Al-0.3Y；(d)、(d′)：Mg-7Al-0.5Y；(e)、(e′)：Mg-7Al-0.7Y；(f)、(f ′)： Mg-7Al-0.9Y

為了鑒別圖1中黑色點(diǎn)狀顆粒及塊狀的物相，對(duì)固溶后的Mg-7Al-0.5Y合金試樣進(jìn)行掃描分析，結(jié)果如圖2所示，表1為圖2中白色顆粒a、b的能譜分析。

圖2中的白色顆粒對(duì)應(yīng)圖1(d)中的黑色顆粒。由所列數(shù)據(jù)可以判斷，圖2中呈大塊狀的亮白色顆粒應(yīng)為Al2Y相，而點(diǎn)狀的暗白色小顆粒為小部分未溶入和水冷過(guò)程中再次析出的β-Mg17Al12相。文獻(xiàn)表明[11]，Al2Y相熔點(diǎn)為1400℃，本次試驗(yàn)固溶處理溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該相的分解溫度，因此固溶處理對(duì)Al2Y相無(wú)明顯影響。

圖2　400℃×8h固溶處理后Mg-7Al-0.5Y合金SEM照片

ElementsPointsabMg54.18—Al45.8241.23Y—58.77Total100.00100.00

圖3為鑄態(tài)與固溶態(tài)Mg-7Al-0.5Y合金的XRD分析結(jié)果，分別對(duì)其基體組織做能譜分析，結(jié)果如表2所示。從XRD圖譜分析結(jié)果可以看出，固溶態(tài)Mg-7Al-0.5Y合金XRD圖譜中沒(méi)有β-Mg17Al12相的衍射峰，此結(jié)果與圖1(d)所示的金相組織分析結(jié)果一致；而由表2可見(jiàn)，Mg-7Al-0.5Y合金基體中的Al含量由鑄態(tài)時(shí)的4.50%升至固溶處理后的7.20%，基本上形成了過(guò)飽和固溶體。

圖3　Mg-7Al-0.5Y合金鑄態(tài)和固溶處理態(tài)的衍射圖譜對(duì)比

元素鑄態(tài)400℃×8h固溶Mg95.5092.80Al4.507.20總和100.00100.00

對(duì)固溶水淬后的Mg-7Al-0.5Y合金進(jìn)行面掃描分析，結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為Mg-7Al-0.5Y合金的高倍掃描照片，圖4(b)為圖4(a)視場(chǎng)下的Al元素的面掃描分布圖，可以看出，經(jīng)過(guò)固溶處理后，β-Mg17Al12相分解出的Al元素已比較均勻地?cái)U(kuò)散分布在α-Mg基體中。

(a)SEM照片；

(b)Al元素的面分布

2.2T6處理對(duì)Mg-7Al合金微觀組織的影響

圖5所示為Mg-7Al合金在400℃固溶8h水冷處理后，進(jìn)行200℃/250℃、6h時(shí)效處理的顯微組織照片。由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，原本溶入α-Mg中的Al元素又重新以β-Mg17Al12相的形式析出，且形態(tài)各不相同，主要呈連續(xù)及不連續(xù)兩種分布。在晶界處析出的β-Mg17Al12相呈層片狀不連續(xù)分布，與基體有一定位相關(guān)系，而在晶內(nèi)析出的β-Mg17Al12相則呈顆粒狀連續(xù)分布。由圖可見(jiàn)，250℃時(shí)效處理后的Mg-7Al合金不連續(xù)析出相數(shù)量比200℃時(shí)效處理后的少得多，而晶內(nèi)連續(xù)析出相的數(shù)量卻相對(duì)增多。

(a)Mg-7Al/200；(a′)Mg-7Al/250；(b)Mg-7Al-0.1Y/200；(b′)Mg-7Al-0.1Y/250；(c)Mg-7Al-0.3Y/200；(c′)Mg-7Al-0.3Y/250；(d)Mg-7Al-0.5Y/200；(d′)Mg-7Al-0.5Y/250；(e)Mg-7Al-0.7Y/200；(e′)Mg-7Al-0.7Y/250；(f)Mg-7Al-0.9Y/200；(f ′)Mg-7Al-0.9Y/250

Mg-7Al合金時(shí)效處理時(shí)，Al原子從過(guò)飽和的α-Mg基體中以β-Mg17Al12相的形式析出，使得α-Mg固溶體的飽和度降低。雖然該相會(huì)以?xún)煞N方式析出，然而由于缺陷在晶界處比晶內(nèi)多，使Al原子在該處擴(kuò)散較容易，因此β-Mg17Al12相易在晶界處析出長(zhǎng)大，故β-Mg17Al12相常常先在晶界處非連續(xù)析出，隨著時(shí)效過(guò)程的延續(xù)，慢慢在晶內(nèi)連續(xù)析出。有研究表明[12]：溫度的變化顯著地影響著β-Mg17Al12相的析出行為，β-Mg17Al12相在溫度較高時(shí)為連續(xù)析出，而隨著溫度的降低，β-Mg17Al12相會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)析出，且其形核和生長(zhǎng)在時(shí)效溫度較低(150℃)時(shí)均需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。由此可知，不連續(xù)析出的β-Mg17Al12相會(huì)隨著溫度的降低而增多。

2.3熱處理對(duì)Mg-7Al合金力學(xué)性能的影響

表3給出了4種狀態(tài)下的變質(zhì)Mg-7Al合金抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σ0.2和延伸率δ的變化情況，由表3可知，在Y加入量相同時(shí)，固溶和時(shí)效處理后的Mg-7Al合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于鑄態(tài)，而固溶后Mg-7Al合金的屈服強(qiáng)度相比鑄態(tài)有所下降，但時(shí)效處理后的屈服強(qiáng)度有所提高。固溶和時(shí)效處理后的Mg-7Al合金，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均在0.5% Y處到達(dá)最大值，說(shuō)明Y對(duì)Mg-7Al合金的變質(zhì)效果并不受固溶和時(shí)效處理的影響。

表3　Mg-7Al合金的力學(xué)性能

在微觀組織上，影響屈服強(qiáng)度的主要因素為β-Mg17Al12相的形態(tài)、數(shù)量及分布情況，在固溶處理時(shí)，原本網(wǎng)狀的β-Mg17Al12相溶解進(jìn)基體α-Mg中，使得其不能對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用，宏觀表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度低于鑄態(tài)，而β-Mg17Al12相因呈脆硬狀，故其的溶解又降低了對(duì)α-Mg基體的切割作用，使得塑性提高，增加了延伸率；而Al原子溶入基體，生成了過(guò)飽和α-Mg固溶體，固溶強(qiáng)化占主導(dǎo)，提高了合金的抗拉強(qiáng)度。時(shí)效處理時(shí)從過(guò)飽和的α-Mg基體中再次析出的β-Mg17Al12相形貌有了根本變化，相比于鑄態(tài)的粗大網(wǎng)狀形貌，時(shí)效處理后的β-Mg17Al12相在晶界處以層片狀的形式非連續(xù)析出及在晶內(nèi)以顆粒狀的形式連續(xù)析出，且析出的尺寸與鑄態(tài)時(shí)相比也要細(xì)小的多，分布也更均勻，有利于合金力學(xué)性能的提高，致使合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有顯著的提高。

3結(jié)論

(1)Mg-7Al合金在400℃×8h固溶處理后，β-Mg17Al12相幾乎全部溶入α-Mg基體中，而高熔點(diǎn)的稀土化合物Al2Y相在試驗(yàn)溫度下不能分解和固溶，所以前后未有變化。

(2)固溶后的時(shí)效處理使β-Mg17Al12相從過(guò)飽和α-Mg中以不連續(xù)和連續(xù)共存的方式再次析出，在合金晶界上析出的多呈不連續(xù)的層片狀，在晶內(nèi)析出的則多是連續(xù)的細(xì)小點(diǎn)狀，且時(shí)效溫度越高，層片狀的β-Mg17Al12相析出量越少。變質(zhì)劑Y有推遲和抑制合金時(shí)效過(guò)程的作用。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TG 146.2

Effect of Heat Treatment on the Microstructures and Mechanical Properties of Y-modificated Mg-7Al Alloy

YANG Jian-dong

(Xi’an Vocational and Techincal College，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Abstract：In this paper，solid solution and aging treatment were carried out on Y-modificated Mg-7Al alloy，and the effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties were investigated. The results showed that solid solution and aging teratment had no significant effect on Al2Y phase with high melting point，while β-Mg17Al12phase precipitated again in the form of lamella and dot after aging treatment，improving its original bulky net-work morphology，and with the aging temperature increased，the number of lamella β-Mg17Al12phase decreased，while that of dot precipitation increased，therefore，the mechanical properties of the alloy were improved after aging treatment.

Key words：heat treatment，magnesium alloy，modifier Y，β-Mg17Al12phase，mechanical property