吳洪超，唐玲玲，趙永好

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院納米結(jié)構(gòu)材料中心，江蘇 南京 210094)

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熱處理對雙相Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金組織與性能的影響

吳洪超，唐玲玲，趙永好

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院納米結(jié)構(gòu)材料中心，江蘇 南京 210094)

分別對原始態(tài)的雙相Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金進行固溶及退火處理，通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡以及X射線衍射等方法研究合金在不同熱處理狀態(tài)下微觀組織的變化，測定了合金硬度及拉伸性能并分析了斷口。研究結(jié)果表明，經(jīng)固溶處理后合金抗拉強度明顯提高，由原來的194MPa提升到243MPa，延伸率由18%降至9%；而退火處理后其強度沒有提升，塑性反而下降。此外，合金中兩相組織與第二相分布具有明顯差異，使得各相性能及其對熱處理的反應(yīng)不同。

熱處理； 雙相鎂鋰合金； 微觀組織； 抗拉強度

1 引 言

鎂鋰合金是結(jié)構(gòu)材料中最輕的合金，其密度在1.35～1.65g/cm3，比普通鎂合金輕1/4～1/3，受到航空航天、3C、醫(yī)療等領(lǐng)域的青睞[1]。鋰元素的加入可以改變鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋰元素的含量低于5.7wt.%時，其結(jié)構(gòu)為hcp結(jié)構(gòu)α單相；當(dāng)鋰含量高于10.3wt.%時，其結(jié)構(gòu)為bcc結(jié)構(gòu)β單相；當(dāng)鋰含量介于5.7wt.%～10.3wt.%時，其合金為α+β雙相結(jié)構(gòu)[2]。此外，鋰元素的加入還降低了鎂合金的c/a值[3]，使得鎂合金中其他柱面以及錐面滑移系更加容易開動，這也使得鎂鋰合金的塑性變形能力得到顯著提升。鎂鋰合金在工業(yè)應(yīng)用中受限主要是由于強度普遍偏低，加工硬化能力弱，耐腐蝕性較差。鎂鋰合金的強化是目前研究的一個重點，而合金化是一種較為普遍的強化方式，本文采用的Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金就是加入了Al、Zn、La元素，通過細(xì)化晶粒以及固溶強化、第二相強化來使得合金的強度得到一定程度的提高[4-5]。除此之外，熱擠壓[6]、軋制[7]、等徑角擠壓[8-9]等方式也被用來改善鎂鋰合金的組織結(jié)構(gòu)，提高其綜合力學(xué)性能。

對于鎂鋰合金而言，不同的鋰含量以及合金元素的加入對鎂鋰合金的結(jié)構(gòu)性能具有極其重要的影響，合金含量的不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)以及析出相變化，因此對其微觀組織結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。熱處理又是在進行工業(yè)加工以及后續(xù)處理時必不可少的步驟，我們通過不同熱處理方式得到不同的組織結(jié)構(gòu)，進而得到組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，為后續(xù)加工處理提供一些有價值的參考。

2 實驗過程

本實驗使用原材料為Mg-8Li-4Al-3Zn-La鎂鋰合金，其實際成分經(jīng)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀測定，如表1所示。

表1 Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金實際成分

原始材料為氣體保護熔煉鑄造后經(jīng)過軋制變形處理的板材，從原始板材上切取三份10mm×20mm×80mm板條樣品，將其中兩份分別置于BTF-1200X-80SL 貝意克管式爐中進行固溶處理及退火處理(高純氮氣保護)。固溶溫度為400℃，為達到完全固溶狀態(tài)，時間為12h，隨后取出采用溫水淬火。退火處理溫度選擇400℃，保溫時間為12h，隨爐冷卻后取出樣品。樣品首先經(jīng)過粗砂紙打磨去掉表層沉積雜質(zhì)以及可能產(chǎn)生的氧化層，隨后經(jīng)過400#到1800#砂紙打磨，然后使用氧化鎂懸濁液拋光，直至表面光亮無劃痕。采用4%硝酸甲醇溶液浸蝕，至表面失去光澤變得灰暗，立即用酒精沖洗，隨后用冷風(fēng)吹干，在光學(xué)顯微鏡下進行顯微組織觀察。利用FEI Quanta 250F 掃描電子顯微鏡對其微觀形貌以及第二相分布做進一步觀察，并利用能譜儀對析出相成分進行鑒定，同時測定合金元素在相中的分布。采用Bruker D8 X射線衍射儀對合金的物相組成進行測定，掃描角度為20°～80°，掃描速度為4°/min。樣品硬度使用HMV-G 21DT硬度儀進行測定，載荷選擇980mN，保壓10s。樣品經(jīng)打磨拋光后直接進行硬度測試，樣品拋光后經(jīng)進一步腐蝕處理以便分別測定兩相硬度。合金拉伸性能使用W+B電子萬用拉伸試驗機測定，拉伸速率0.5mm/min，采用平板樣，其尺寸如圖1所示，試樣拉斷后在掃描電鏡下觀察其斷口形貌。

圖1 拉伸試樣尺寸(單位 mm)Fig.1 Tensile sample size (mm)

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 原始態(tài)鎂鋰合金的微觀結(jié)構(gòu)

從圖2(a)中可以看到，Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金由白色的α相以及黑色的β相組成，在β相中存在團絮狀物質(zhì)和黑色顆粒狀結(jié)構(gòu)，α相晶粒較大，一般在100μm左右，在部分區(qū)域也有較小晶粒，約20μm；從圖3中看出β相晶粒尺寸約為20μm。從圖2(b)可以看出，沿著軋制方向兩相均被拉長。從圖3中看出，α相較為光滑，有較少的顆粒狀析出，條狀以及大塊狀析出主要集中在相界、晶界處，β相內(nèi)有較多細(xì)小析出相彌散分布，其中也有部分塊狀析出，這就是在β相光學(xué)顯微圖中看到的團絮結(jié)構(gòu)。

圖2 原始態(tài)合金顯微組織圖 (a) 軋制面; (b) 縱截面Fig.2 Microstructure of original Mg-8Li-4Al-3Zn-La alloy(a) rolled plane; (b) longitudinal section

圖3 原始態(tài)合金軋制面掃描圖像Fig.3 Original alloy SEM image of rolled plane

如圖4所示，通過XRD分析可以發(fā)現(xiàn)，Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金中除了主要的兩相α和β外，由于加入了合金元素Al、Zn、La，還形成了三種析出相：MgAlLi2、AlLi、Al2La，為進一步確認(rèn)各種析出相的形態(tài)及分布，進一步做了EDS分析。如圖5所示，通過EDS分析我們發(fā)現(xiàn)分布在相界面處的大塊狀(譜圖8)以及條狀(譜圖7)析出物為Al2La相。由于EDS無法檢測到Li元素，結(jié)合XRD結(jié)果與EDS分析，判斷彌散分布在β相內(nèi)的小顆粒為MgAlLi2相(譜圖11)，而β相內(nèi)的一些大塊狀析出物為AlLi相(譜圖9)，Zn元素主要是以固溶態(tài)分布在兩相之中。

圖4 原始態(tài)合金XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of original alloy

圖5 析出相成分分析圖 Fig.5 Composition of the precipitates

圖6 (a) 退火態(tài)合金SEM圖像; (b) 固溶態(tài)合金SEM圖像Fig.6 (a)SEM image of annealed alloy; (b) SEM image of solid-solutioned alloy

3.2 熱處理后鎂鋰合金的微觀結(jié)構(gòu)

圖6(a)是退火處理后鎂鋰合金的微觀結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，β相中的細(xì)小顆粒消失，隨之出現(xiàn)的是較多的大塊狀析出物。如圖7，通過與原始態(tài)XRD對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過退火處理后，MgAlLi2相的峰明顯減弱，幾乎不再出現(xiàn)，但是AlLi相的峰明顯增強，這說明，在退火處理時發(fā)生了MgAlLi2向AlLi相的轉(zhuǎn)變，β相中出現(xiàn)的大塊狀析出即為AlLi相。退火溫度高達400℃，首先Al、Zn等元素會固溶進入基體，在隨后的爐冷過程中又重新析出，但是這是個熱相變過程， MgAlLi2相是一種不穩(wěn)定相，在溫度高于70℃左右就會變?yōu)榉€(wěn)定的AlLi相[10]，因此在整個退火過程中，析出的是AlLi相。

圖7 合金三種不同狀態(tài)的XRD對比圖譜Fig.7 XRD patterns of three different conditions

圖6(b)為固溶態(tài)合金的微觀結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，除了α與β相外，只在相界與β相內(nèi)存在少量塊狀析出，通過XRD分析發(fā)現(xiàn)，固溶后MgAlLi2及AlLi相全部固溶到基體中[10]，剩下的只有Al2La相。這是由于Al2La相的熔點高達1405℃，因此400℃下Al2La相較難溶入基體，EDS分析同樣證實了殘余下來的析出物為Al2La，如圖8所示。從圖9可以看出，除了相內(nèi)部發(fā)生變化之外，原本合金縱截面被拉長的結(jié)構(gòu)也基本成為等軸狀，這說明，在400℃長時間熱處理后，鎂鋰合金的變形組織得到了有效的回復(fù)。

圖9 固溶態(tài)合金的微觀形貌圖 (a) 軋制面; (b) 縱截面Fig.9 Microstructure of solid solution alloy (a) rolled plane;(b) longitudinal section

3.3 熱處理后合金的力學(xué)性能

圖10顯示的硬度是在不區(qū)分α與β相的情況下的測定值，從圖中可以看出，經(jīng)過固溶處理后其硬度明顯提升，由64HV提高到78HV，而退火態(tài)合金硬度沒有明顯變化。這是由于在固溶處理后，合金元素大量溶入基體，產(chǎn)生固溶強化效果，而退火態(tài)合金并沒有產(chǎn)生顯著的溶質(zhì)原子溶入基體。圖11為分別測定固溶態(tài)與原始態(tài)α和β相的硬度值，從圖中可以看出，原始態(tài)合金的α相硬度比β相硬度高，這是因為β相為Li的固溶體，本身較鎂基體軟一些，雖然里面彌散分布第二相，但是其硬度依然低于α相。固溶之后β相硬度顯著提高，并超過α相的硬度。這是由于在固溶前α相中就很少有第二相分布，但是β相中有大量第二相，固溶之后β相中的第二相大量固溶導(dǎo)致其硬度顯著提高。

圖10 三種狀態(tài)合金的硬度Fig.10 Hardness of the alloys in three conditions

圖11 原始態(tài)與固溶態(tài)中兩相的硬度Fig.11 Hardness of α and β phase in original and solid solution condition

圖12 合金三種狀態(tài)下工程應(yīng)變曲線Fig.12 Tensile engineering stress-strain curve of alloys in three conditions

圖12給出了合金三種狀態(tài)的拉伸曲線，固溶后其抗拉強度由194MPa提升到243MPa，但是延伸率由原來的18%減小到9%，而退火態(tài)的抗拉強度與原始態(tài)接近，但是其延伸率下降到10%左右。固溶處理后，由于強烈的固溶強化，使得晶格產(chǎn)生較大的畸變，位錯在滑移過程中受到更大的阻礙，使得其屈服強度顯著提高，同時也伴隨著延伸率的下降。退火處理后沒有產(chǎn)生強化效果，但是對于第二相的分布產(chǎn)生較大影響，使得之前彌散分布的狀態(tài)變得集中，第二相由細(xì)小的MgAlLi2相變成大塊的AlLi相[10]，更容易在析出相界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，這使得合金延伸率大大降低。

3.4 鎂鋰合金的斷口分析

圖13給出了三種狀態(tài)下合金的斷口形貌。每種合金的斷口均由兩種不同斷裂方式組成，分別對應(yīng)其α相與β相。原始態(tài)合金斷口由較深韌窩以及解理特征區(qū)域構(gòu)成，固溶后其韌窩變小，并出現(xiàn)一些解理平臺；退火之后的樣品斷口除了看到一些解理面之外，還看到較大的剪切面，這是由于在應(yīng)力較大情況下導(dǎo)致的β相剪切的產(chǎn)生。

圖13 三種狀態(tài)合金的斷口形貌 (a)原始態(tài);(b)固溶態(tài); (c)退火態(tài)Fig.13 Fractographs of the alloys (a)original; (b)solid solution; (c)anneal

4 結(jié) 論

1. Mg-8Li-4Al-3Zn-La合金由α-Mg相、β-Li相、MgAlLi2相、AlLi相、Al2La相組成，其中MgAlLi2相、AlLi相、Al2La相均為較小析出相，主要分布在晶界、相界以及β相內(nèi)；

2. 經(jīng)過12小時400℃熱處理后，經(jīng)初始軋制的拉長相回復(fù)到等軸態(tài)；

3. 固溶處理后β相中第二相固溶到基體中，使得β相硬度顯著提高；固溶處理后合金強度提升至243MPa，斷裂延伸率下降至9%；

4.退火處理后合金強度略微下降，延伸率降至10%左右，這是由于在退火過程中，其析出相發(fā)生變化，原來的強化相MgAlLi2相轉(zhuǎn)變?yōu)锳lLi相，并在相界附近生成大塊析出，導(dǎo)致延伸率降低。

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Effects of Thermal Treatment on the Microstructures and Mechanical Properties of Mg-8Li-4Al-3Zn-La Alloy

WU Hongchao， TANG Lingling， ZHAO Yonghao

(Nano Structural Materials Center, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The dual-phase alloy Mg-8Li-4Al-3Zn-La was subject to homogenization and aging treatments. The microstructures and phase were characterized by optical microscope, scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The hardness and tensile properties as well as fracture characteristics of the alloys were also measured and analyzed. The results show that the tensile strength is increased from 194 MPa to 243 MPa after solid solution treatment, and the elongation to failure decreases from 18% to 9%. After aging, the tensile strength changes slightly, but the elongation to failure decreases greatly. Moreover, the mechanical properties of individual phase have distinct differences due to the different distribution of second phases in the alloy.

heat-treatment； dual-phase Mg-Li alloy； microstructure； tensile strength

1673-2812(2017)02-0190-05

2015-11-17；

2016-02-29

國家重大基礎(chǔ)科學(xué)研究資助項目(2012CB932203)，杰出青年科學(xué)基金資助項目(51225102)

吳洪超(1991-)男，碩士，主要從事鎂鋰合金微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究。E-mail：hcwu5315@163.com。

趙永好(1971-)男，博導(dǎo)，教授，主要從事塊體納米金屬材料的制備及其力學(xué)性能、變形機理、結(jié)構(gòu)表征、相變規(guī)律和熱穩(wěn)定性研究。E-mail：yhzhao@mail.njust.edu.cn。

TG146.2+2

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.005