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        Gd對(duì)Al-Mg合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

        2017-12-06 18:08:44安勇良尹冬松譚志強(qiáng)
        關(guān)鍵詞:細(xì)化晶界稀土

        安勇良, 尹冬松, 譚志強(qiáng)

        (黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

        Gd對(duì)Al-Mg合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

        安勇良, 尹冬松, 譚志強(qiáng)

        (黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

        為提高Al-Mg合金的力學(xué)性能,采用電阻爐熔煉制備Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的Al-Mg-Gd合金,利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和硬度計(jì)等研究Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Al-Mg合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%的Gd能夠細(xì)化鑄態(tài)Al-Mg合金的晶粒,并形成顆粒狀或短桿狀的Al-Gd化合物,提高了合金抗拉強(qiáng)度和硬度。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%時(shí),抗拉強(qiáng)度227 MPa和硬度83.0 MPa為最高。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%后,由于Al-Gd化合物形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Ы邕B續(xù)分布的粗大網(wǎng)絡(luò)狀,Gd對(duì)Al-Mg合金的強(qiáng)化效果減弱,使合金抗拉強(qiáng)度和硬度分別下降至183和79.9 MPa。

        Al-Mg; Gd; 微觀組織; 力學(xué)性能

        稀土在鋁合金中應(yīng)用很廣,常見的有La、Gd、Ce等,其對(duì)鋁合金組織和力學(xué)性能具有非常重要的作用,如稀土具有凈化作用,能夠減少鋁熔體中的氫含量、夾渣和有害氣體、雜質(zhì);稀土還具有變質(zhì)作用,能夠有效細(xì)化晶粒和枝晶,這是因?yàn)橄⊥猎乜捎行ё柚咕Я5纳L(zhǎng),提高形核效率。近年,徐佐等[1]發(fā)現(xiàn)在Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的A356.2鋁合金中,僅需要0.05%稀土元素就可以達(dá)到較好的細(xì)化變質(zhì)效果。而且Mg與稀土的混合添加可以改善Fe相形貌,減少針狀Fe相對(duì)性能的不利影響。筆者[2]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%,Al-Cu-Gd合金顯微組織得到細(xì)化,同時(shí)合金的硬度和抗拉強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率提高;李廳等[3]以混合稀土元素La和Ce作為變質(zhì)劑,探討稀土變質(zhì)對(duì)合金鑄件微觀組織和宏觀機(jī)械性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)0.3%變質(zhì)劑使鋁合金ADC12合金的微觀組織得到細(xì)化且顯微硬度提高,抵抗塑性變形能力強(qiáng),抗拉強(qiáng)度大。高士學(xué)等[4]發(fā)現(xiàn)稀土La對(duì) α-Al 相的細(xì)化和 Si 相的變質(zhì)都起到明顯作用。稀土元素還可以在鋁合金表面形成稀土轉(zhuǎn)化膜提高鋁合金的耐蝕能力。Feng Y等[5]發(fā)現(xiàn)向鋁合金Al-Mg-Sn-Hg中添加0.05%Ce,鋁合金的耐蝕性能達(dá)到最佳。同時(shí),劉政等[6]發(fā)現(xiàn)電磁攪拌也對(duì)稀土在鋁合金中的均勻分布起了很大作用。因此,筆者采用稀土中間合金Mg-30%Gd的形式,通過熔鑄法來制備Al-Mg-Gd合金,分析稀土Gd對(duì)Al-Mg合金微觀組織以及力學(xué)性能的影響,為稀土元素應(yīng)用于Al-Mg合金提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        采用SG-5-12坩堝電阻爐熔煉。將切好的鋁塊放入石墨坩堝中,并放入熔煉爐中加熱至750 ℃,直至充分熔化,再將已切好的Mg塊用金屬罩壓入金屬液。待Mg塊在金屬液中充分熔化后,加入不同質(zhì)量的Mg-30%Gd合金,750 ℃保溫15 min使其在金屬液中充分熔化、擴(kuò)散,并加入六氯乙烷精煉除去金屬液中的氣體。熔煉結(jié)束后扒渣將金屬液澆入普通砂型中,自然冷卻直至取出所得鑄件。各試樣經(jīng)200#、400#、1000#、2000#水砂紙打磨并拋光,采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF水溶液作為腐蝕劑制備金相試樣,拉伸實(shí)驗(yàn)試樣不進(jìn)行腐蝕并采用了ASTM E-8標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣。各試樣按合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別記作Al-10Mg、Al-10Mg-0.1Gd、Al-10Mg-0.3Gd 、Al-10Mg-0.5Gd。樣品的顯微組織采用Zeiss Axio Lab.A1蔡司金相顯微鏡和MX2600FE型掃描電子顯微鏡觀察,在HB-3000B布氏硬度計(jì)和CMT5305萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

        2 結(jié)果與分析

        2.1顯微組織

        2.1.1 金相顯微組織

        圖1為Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的Al-Mg合金放大200倍觀察到的顯微組織形貌。

        a Al-10Mg

        b Al-10Mg-0.1Gd

        c Al-10Mg-0.3Gd

        d Al-10Mg-0.5Gd

        由圖1可知,圖1a為未添加稀土Gd的Al-Mg合金顯微組織,可知鋁鎂合金的晶粒較清晰且粗大。由圖1b和1c可知,加入稀土Gd后,鑄造鋁鎂合金的晶粒尺寸和形狀都發(fā)生了明顯變化,枝晶得到明顯細(xì)化,晶界處析出相增多,晶粒細(xì)化效果也越來越明顯。圖1d為添加了0.5%Gd的Al-Mg合金顯微組織,與圖1c相比,其晶粒沒有進(jìn)一步細(xì)化,尺寸反而更加粗大??梢姰?dāng)稀土Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí),Gd對(duì)Al-Mg合金的晶粒細(xì)化作用減弱。

        2.1.2 掃描電鏡顯微組織

        為研究試樣中不同相的成分,對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%Gd 的Al-Mg-Gd合金進(jìn)行組織成分分析,合金析出相(十字星位置)和基體(矩形框區(qū)域)的SEM 圖像如圖2所示,其具體成分見表1。在Al-Mg合金中加入0.1%的稀土Gd后在晶粒內(nèi)彌散析出球形或類球形的第二相粒子,主要成分為Al-Gd化合物。

        圖2 Al-10Mg-0.1Gd合金微觀組織SEM能譜成分點(diǎn)

        Fig.2MicrostructureandSEMpointanalysisofAl-10Mg-0.1Gdalloys

        由表1中合金基體成分可知,晶內(nèi)成分為Al和Mg,而沒檢測(cè)到Gd元素,說明基體相主要是Al,其中含有少量的Mg。Al-10Mg-0.1Gd合金中的Gd全部以第二相的形式析出并集聚在晶界處,該相聚集在晶界處能有效的阻礙晶界運(yùn)動(dòng),起到強(qiáng)化晶粒的作用。

        表1 Al-10Mg-0.1Gd合金成分

        2.2力學(xué)性能

        2.2.1 抗拉強(qiáng)度

        利用CMT5305萬能拉伸機(jī)測(cè)試各試樣的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)稀土Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度由172 MPa增加到195 MPa,當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至0.3%時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步增大到227 MPa,此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度為最大值,表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。當(dāng)稀土Gd的加入量進(jìn)一步提高到0.5%時(shí),其抗拉強(qiáng)度急劇下降至183 MPa。

        添加稀土Gd能夠不同程度的改善鋁鎂合金的力學(xué)性能,這與Gd對(duì)合金的顯微組織的影響有關(guān)。分析可知,稀土Gd在鋁鎂合金中主要形成Al-Gd化合物分布于晶界處,在凝固過程中,這些溶質(zhì)原子富集于固液界面,就會(huì)增大相界面的成分過冷度,以此達(dá)到促進(jìn)基體均勻形核,細(xì)化晶粒的目的。另一方面,在鋁鎂合金中加入適量Gd,形成以顆粒狀和短桿狀形態(tài)分布于晶界處的Al-Gd化合物,起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),釘扎晶界的作用,從而使Al-Mg合金的抗拉強(qiáng)度增大,表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。

        2.2.2 硬度

        在鋁鎂合金中加入稀土Gd對(duì)合金的硬度也產(chǎn)生了較為明顯的影響。表2中顯示了每組試樣表面三個(gè)位置的硬度和平均硬度。

        表2Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的Al-Mg合金硬度

        Table 2 Hardness of Al-Mg alloys with differentGd contents MPa

        由表2可知,當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí),鋁鎂合金的硬度有所提高,繼續(xù)增加Gd到0.3%,其硬度上升至最大83 MPa。這說明隨著稀土Gd增多,合金組織得到細(xì)化,單位面積內(nèi)的晶界增多,位錯(cuò)增多同時(shí)晶界處析出連續(xù)相增多,從而使鋁鎂合金硬度增強(qiáng)。在Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%~0.5%,隨Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,鋁鎂合金的硬度明顯的下降。這表明當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.3%后,基體中殘留了較多的Al-Gd化合物,而Al-Gd化合物熔點(diǎn)高、脆性大,且尺寸較大,它們?cè)诰Ы鐓^(qū)域密集分布,會(huì)對(duì)晶界強(qiáng)度造成不利影響,削弱Gd對(duì)合金的強(qiáng)化效果。

        3 結(jié) 論

        (1)稀土Gd在Al-Mg合金中主要以Al-Gd化合物的形式分布于枝晶間,并可以細(xì)化Al-10Mg合金晶粒。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí),短桿狀轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮倪B續(xù)的網(wǎng)狀形態(tài)。

        (2)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)稀土Gd添加可以提高Al-Mg合金力學(xué)性能。當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%增加至0.3%時(shí),Al-10Mg合金的抗拉強(qiáng)度和硬度最大,當(dāng)Gd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí),Al-Mg合金的晶粒粗化,抗拉強(qiáng)度和硬度有所下降。

        [1] 徐 佐, 吳大勇, 李振宇, 等. Mg與稀土Ce混合添加對(duì)A356.2鋁合金組織與性能的影響[J]. 鑄造, 2016, 65(9): 855-859.

        [2] 安勇良, 尹冬松, 黃永杰. Gd對(duì)Al-Cu-Gd合金微觀組織與力學(xué)性能的影響[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 26(4): 402-404.

        [3] 李 廳, 余 忠, 章 凱, 等. 混合稀土鑭鈰對(duì)再生鋁合金 ADC12 的影響[J]. 有色金屬工程, 2017, 7(2): 26-29.

        [4] 高士學(xué), 孫躍軍, 高艷靜. 稀土 La 對(duì) A356 鋁合金組織及硬度的影響[J]. 熱加工工藝, 2016, 45(5): 81-83.

        [5] Feng Y, Li X, Wang R, et al. Influence of cerium on microstructures and electrochemical properties of Al-MgSn-Hg anode materials for seawater battery[J]. J Rare Earths, 2015, 33(9): 1010-1015.

        [6] 劉 政, 羅浩林, 白光珠. 電磁攪拌頻率對(duì)半固態(tài)A356鋁合金初生α相和鈰分布的影響[J]. 中國(guó)稀土學(xué)報(bào), 2015, 33(3): 328-335.

        (編校王 冬)

        EffectofGdonmicrostructureandmechanicalpropertiesofAl-Mgalloy

        AnYongliang,YinDongsong,TanZhiqiang

        (School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

        This paper is aimed at improving the mechanical properties of Al-Mg alloy castings. The research involves preparing Al-Mg alloy containing different Gd contents by a resistance furnace; and investigating the effect of rare earth elements Gd content of the Al-Mg alloy on the microstructure and mechanical properties using optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, a universal tensile tester, hardness testing instruments. The results show that Gd with the mass fraction ranging from 0.1% to 0.3% and 0.5% can refine the grain of Al-Mg alloy and form the Al-Gd compound in granular or short rod shape, thus contributing to an improved tensile strength and hardness of the alloy; Gd with the mass fraction of 0.3% provides the highest strength and hardness; Gd with the mass fraction of 0.5% gives a decreased strengthening effect on Al-Mg alloy due to the change of Al-Gd compound form into a coarse network with continuous distribution along the grain boundary, resulting in the tensile strength and hardness of the alloy going down to 183 MPa and 79.9 MPa, respectively.

        Al-Mg; Gd; microstructure; mechanical property

        10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.019

        TG146.21

        2095-7262(2017)06-0670-04

        A

        2017-06-12

        黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GC13A104)

        安勇良(1982-),男,吉林省吉林人,講師,博士研究生,研究方向:輕合金材料的制備、設(shè)計(jì)、計(jì)算及納米功能化,E-mail: ylanhust@163.com。

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