(太原理工大學(xué), 山西太原 030024)

ZAM84-4Si等通道轉(zhuǎn)角擠壓組織與性能的研究

吳海優(yōu), 韓永, 杜強強, 李玉林, 張媛琦, 劉研, 韓富銀

(太原理工大學(xué), 山西太原 030024)

在ZAM8 4鎂合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的Si，形成熱強相Mg2Si，并通過等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形改善合金組織形貌，并使晶粒細化，提高合金力學(xué)性能，等通道轉(zhuǎn)角擠壓前后屈服強度提高了113%，抗拉強度提高了50%，伸長率提高了201%。

鎂合金; 等通道轉(zhuǎn)角擠壓; 組織; 力學(xué)性能; 機理

0 前言

鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，具有高強度，高比剛度，抗震降噪能力優(yōu)，低密度和良好的電磁屏蔽性能。鎂合金在航空、航天、汽車動力以及3C電子都有了很好的應(yīng)用[1-2]。當(dāng)合金的晶粒具有5個以上相對獨立的滑移系時容易發(fā)生塑性變形[3]，而鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下，滑移系只有3個，因此鎂合金室溫力學(xué)性能較差。當(dāng)鎂合金使用溫度超過120 ℃時，蠕變性能開始變差，超過150 ℃時蠕變抗性急劇下降?，F(xiàn)在常用的幾種提高鎂合金耐熱[4]性能的方式有，通過添加稀土元素制備稀土鎂合金[5]，稀土金屬與Mg可以形成高熔點的相，從而提高其耐熱性能，由于稀土元素價格昂貴，限制了其在商業(yè)上的廣泛應(yīng)用。通過添加廉價元素原位形成高熔點的穩(wěn)定相，并使之均勻分布，從而提高性能成為目前耐熱鎂合金研究的重要方向。本文就是通過添加非金屬元素硅，使之與鎂原位形成高熔點（1 085 ℃）的Mg2Si熱強相，但是Mg2Si相形態(tài)對鎂合金室溫力學(xué)性能有較大影響[6]，本文以ZAM84合金為基礎(chǔ)，加入元素Si，通過等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝來改變合金組織形貌，分析等通道擠壓工藝對實驗合金的組織影響機理，為豐富耐熱鎂合金的制備工藝提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

實驗合金為ZAM84-4Si，名義成份為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%Zn、4%Al、0.4%Mn、4%Si以及0.005%Be，其余為Mg。熔煉使用SXZ-5-2坩堝電阻爐加熱、使用RJ-2溶劑進行覆蓋和精煉。熔煉溫度為750 ℃，精煉后靜置20 min澆入預(yù)熱到200 ℃的金屬模具中制成鑄錠。將熔制好的合金鑄錠切割成45×12×12（mm3）擠壓試樣。在330 ℃下采用截面為12×12（mm2）、內(nèi)交角為φ=100°、外交角為ψ=20°的等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）模具進行擠壓變形。

將擠壓前后的試樣切取拉伸片進行室溫拉伸試驗。并使用掃描電子顯微鏡（JSU-6700F）觀察拉伸斷口。截取擠壓前后試樣制備金相試樣，利用5 g苦味酸+10 ml冰醋酸+78 ml無水乙醇+7 ml蒸餾水腐蝕劑腐蝕，使用CMM-20光學(xué)顯微鏡觀察試樣顯微組織。使用KY2-2000型X射線衍射儀進行鑄態(tài)合金物相分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 ECAP對鎂合金顯微組織的影響

圖1為ZAM84-4Si鑄態(tài)的光學(xué)顯微組織，圖2為合金鑄態(tài)的物相組成。結(jié)合XRD分析可以看到鑄態(tài)組織為α-Mg鎂基體、灰色塊狀Mg2Si相、明亮的片層狀MgZn相。其中MgZn相主要呈網(wǎng)狀分布在晶界上，Mg2Si呈多邊形塊狀分布在晶內(nèi)和晶界，其棱角尖銳。

圖1 合金鑄態(tài)組織

圖2 鑄態(tài)ZAM84-4Si合金的XRD圖譜

圖3為ZAM84-4Si合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓1道次后的光學(xué)顯微組織圖，圖3.a中可以看到基體α-Mg明顯地細化。鎂合金層錯能比較低，在高溫下（高于513 K）變形動態(tài)再結(jié)晶占主導(dǎo)地位[7]，而且其動態(tài)回復(fù)緩慢，累積的位錯及變形能促進了動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生；鎂合金變形后，變形帶逐漸趨向45°偏移[8]。剪切帶的存在將原來粗大的晶粒分割成細小的晶粒，同時儲存了大量的能量，為發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶儲存了能量。本研究是在623 K下進行的等通道轉(zhuǎn)角擠壓，因此也發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，如圖3.b在大晶粒周圍出現(xiàn)了許多細小的再結(jié)晶晶粒。因為α-Mg為密排六方結(jié)構(gòu)，室溫滑移系為3個，在擠壓過程中，試樣在剪切力的作用下，晶粒發(fā)生形變，在滑移面上形成大量位錯，位錯纏結(jié)成位錯胞狀結(jié)構(gòu)。隨著擠壓的進行，不同平面的位錯發(fā)生交滑移，位錯胞壁出現(xiàn)尖銳的棱角而出現(xiàn)小角度的界面[9]。隨著擠壓的進行，晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，小角度晶界進而向大角度晶界轉(zhuǎn)變，形成細小的等軸晶（如圖3.b所示），經(jīng)過1道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓，基體相α-Mg在應(yīng)力下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并細化，α-Mg與MgZn被機械碎斷。圖3.b中塊狀Mg2Si細化效果不明顯，難以進一步縮小這些初晶Mg2Si相，其中，主要的原因可能是由于高溫下多邊形的Mg2Si比基體α-Mg的硬度高很多[10]，但Mg2Si相的棱角變鈍，部分Mg2Si相內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。Su 等[11]和 何運斌[12]的研究也表明，等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形鎂合金變形機制為機械剪切與連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶共同作用的結(jié)果。

圖3 ZAM84-4Si等通道轉(zhuǎn)角擠壓1道次光學(xué)顯微組織圖

2.2 室溫拉伸結(jié)果

圖4為ZAM84-4Si合金變形前后的室溫單軸拉伸曲線，圖5為ZAM84-4Si合金鑄態(tài)拉伸斷口。可以看出合金的屈服強度從鑄態(tài)48 MPa變形后提高到102 MPa，抗拉強度從172 MPa提高到262 MPa，伸長率從1.43%提高到4.3%。從圖1中可看出，ZAM84-4Si合金鑄態(tài)基體α-Mg晶粒粗大，晶界上MgZn呈連續(xù)網(wǎng)狀，Mg2Si呈塊狀且棱角尖銳，對基體產(chǎn)生割裂作用，在受力時易形成應(yīng)力集中。再加上α-Mg為密排六方結(jié)構(gòu)，室溫下滑移系少，僅限于基面{0001}＜1120＞滑移，不易產(chǎn)生交滑移，當(dāng)位錯在基面滑移遇到第二相MgZn和Mg2Si時產(chǎn)生塞積，由于α-Mg基體晶粒粗大，塞積的位錯數(shù)量多，這樣在第二相周圍產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，特別是在塊狀Mg2Si尖角處極易形成裂紋源，裂紋源的形成可使釘扎的位錯得到松弛，降低了加工硬化效果，因此屈服強度很低，只有48 MPa。隨著外力增加，位錯大量產(chǎn)生并滑移，位錯移動遇到裂紋消失的同時使裂紋進一步長大擴展，這樣裂紋沿基體α-Mg與第二相（MgZn相和Mg2Si相）間的界面擴展，尤其是裂紋容易沿α-Mg與塊狀Mg2Si界面快速擴展，如圖5所示為鑄態(tài)合金拉伸試驗斷口，箭頭所指就是裂紋沿α-Mg與Mg2Si相界面擴展斷裂形成的斷裂界面。由于裂紋的快速擴展使鑄態(tài)合金的抗拉強度較低（172 MPa），伸長率只有1.43%。

在等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程中，晶粒得到細化，晶界增多，位錯在晶界處積累，在拉伸過程中位錯的塞積阻礙了位錯滑移。同時，MgZn相得由于機械碎斷而由原來的連續(xù)網(wǎng)狀細化為短桿狀和顆粒狀，減小了應(yīng)力集中，尤其是Mg2Si相雖沒細化，但塊狀棱角被鈍化，減小了對基體的割裂作用，因而等通道轉(zhuǎn)角擠壓使ZAM84-4Si合金力學(xué)性能提升，合金的屈服強度提高了113%，抗拉強度提高了50%。但是由于合金中塊狀Mg2Si相沒細化為顆粒狀，性能僅有一定的提升，特別是伸長率僅達到4.3%。

圖4 ZAM84-4Si合金變形前后室溫單軸拉伸曲線

圖5 ZAM84-4Si合金拉伸試驗斷口

3 結(jié)論

(1) 等通道轉(zhuǎn)角擠壓α-Mg基體和Mg-Zn相得到明顯細化，其細化機理為機械剪切與連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶共同作用的結(jié)果。而塊狀Mg2Si只有邊緣處出現(xiàn)破碎鈍化，可能是在高溫下多邊形的Mg2Si顆粒比α-Mg基體的硬度高很多。

(2) 等通道轉(zhuǎn)角擠壓使合金屈服強度提高了113%，抗拉強度提高了50%，伸長率僅達到4.3%

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Microstructures and mechanical properties of ZAM84-4Si magnesium alloy after ECAP

WU HaiYou, HAN Yong, DU QiangQiang, LI YuLin, ZHANG YuanQi, LIU Yan, Han FuYin
(Taiyuan University of Technology, Taiyuan, 030024, Shanxi, China)

It was investigated that an addition of 4% mass fraction silicon to the ZAM84 magnesium alloy, an thermal-stable phase Mg2Si formed. Equal channel angular pressing was employed to refine the microstructure, thus improving mechanical properties. After equal channel angular pressing, the proof strength increased by 113%, the ultimate tensile strength increased by 50%, while the elongation increased to 4.3%..

magnesium alloy; equal channel angular pressing; microstructure; mechanical properties, mechanism

TG146.22；

A；

1006-9658（201 6）04-0028-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.007

國家青年基金(51301118); 山西省青年基金（20031039）

2016-01-18

稿件編號: 1601-1221

吳海優(yōu)（1990—），男，碩士．主要從事鑄造材料研究.