王營霞

摘 要：利用噴射沉積技術(shù)制備了新型Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金，經(jīng)熱擠壓工藝得到最終試驗合金，采用維氏硬度計（OM）、掃描電鏡（SEM）、拉伸試驗等方法研究了試驗合金的力學(xué)性能。試驗結(jié)果表明：擠壓態(tài)試驗合金的硬度值為114.3HV，抗拉強(qiáng)度為450MPa，屈服強(qiáng)度為325MPa，延伸率為5%；固溶處理以后，硬度值降為95.7HV；經(jīng)時效處理以后，硬度值上升至106.3HV，抗拉強(qiáng)度變?yōu)?26MPa，屈服強(qiáng)度降至296MPa，延伸率為6%；擠壓態(tài)合金和時效態(tài)合金均為脆性斷裂。

關(guān)鍵詞：噴射沉積；鎂合金；硬度；屈服強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度

中圖分類號：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0074-03

Abstract： A new type of Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd alloy was prepared by spray deposition， and the final test alloy was obtained by hot extrusion. The mechanical properties of the alloy were studied by means of Vickers hardness tester（OM）， scanning electron microscope （SEM） and tensile test. The results show that the hardness， tensile strength， yield strength and elongation of the extruded alloy are 114.3 HV， 450 MPa， 325 MPa and 5 % respectively； after solution treatment， the hardness value decreased to 95.7 HV； after aging treatment， the hardness value increased to 106.3 HV， the tensile strength increased to 426 MPa， the yield strength decreased to 296 MPa， and the elongation reached 6 %； both extruded and aged alloys are brittle fracture.

Keywords： spray deposition； magnesium alloy； hardness； yield strength； tensile strength

由于鎂及鎂合金密度低，質(zhì)量輕，可以回收，回收率高，新型環(huán)保，比強(qiáng)度高，易切削，電磁屏蔽性能優(yōu)良，在航空航天、汽車制造、軍工制造等領(lǐng)域的用途越來越廣泛[1-2]。隨著鎂合金的普遍應(yīng)用，鎂合金的傳統(tǒng)制造工藝也面臨著巨大挑戰(zhàn)。噴射沉積制備工藝是一種新型的鎂合金制備方法[3]。該方法制備的鎂合金可以獲得純度較高、成分均勻、晶粒細(xì)小、性能優(yōu)良的鎂合金，可以避免傳統(tǒng)制造工藝中的開裂、氧化、氣孔等問題，加速鎂合金在精密制造中的應(yīng)用[3]。在噴射沉積制備過程中，加入價格便宜、性能優(yōu)良的的Ca元素和稀土元素Nd，可以細(xì)化晶粒，增加強(qiáng)度，明顯改善合計的力學(xué)性能[4-6]。

1 實(shí)驗

采用噴射沉積方法制備Mg-12.55Al-3.33Zn-0.58Ca-1.0Nd合金坯錠。在制備過程中加入氮?dú)夥乐寡趸?。然后?jīng)熱擠壓方式把合金坯錠擠壓成棒材，取心部穩(wěn)定組織，經(jīng)350℃完全退火4h后隨爐冷卻，然后制備硬度試樣及拉伸試樣，把試樣分別在515℃固溶2h后水淬，再經(jīng)180℃時效保溫12小時。利用AVK-HV維氏硬度計和S-3400掃描電子顯微鏡配套試驗拉伸機(jī)，分析熱處理工藝中鎂合金的力學(xué)性能變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金硬度變化規(guī)律

噴射沉積制備的新型鎂合金在擠壓狀態(tài)、固溶狀態(tài)、時效狀態(tài)的硬度變化規(guī)律如表1所示。

由表1可知試驗合金在各個狀態(tài)的硬度變化規(guī)律。擠壓態(tài)鎂合金在所有狀態(tài)中硬度值最大，為114.3HV，說明通過熱擠壓工藝可以使合金變得致密，明顯提高合金的硬度；經(jīng)完全退火處理后合金的硬度值有所下降，分析原因可能是退火消除了熱擠壓過程中的內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，在一定程度上使合金變得均勻。經(jīng)固溶處理后合金的硬度值急劇下降，達(dá)到了所有狀態(tài)的最低值為95.7HV，這是由于固溶使大部分硬質(zhì)相Al2Ca固溶于α-Mg基體中所致；而在時效熱處理時期，隨著Al2Ca相的再次析出，硬度值又緩慢回升，直至?xí)r效峰值106.3HV，隨后又緩慢下降。但時效峰值相對于擠壓態(tài)來說，硬度值還是略有下降。

綜上分析可知，熱擠壓試驗合金的硬度值很高；熱處理工藝雖然能改善合金的組織，但是由于Al2Ca相數(shù)量的相對減少，合金的硬度值反而下降。合金強(qiáng)度的提高主要以Al2Ca相的彌散強(qiáng)化作用為主，故熱處理工藝對于合金硬度的提高貢獻(xiàn)不大。

2.2 拉伸試驗結(jié)果分析

噴射沉積制備的新型鎂合金在擠壓狀態(tài)、時效狀態(tài)的拉伸結(jié)果變化規(guī)律如表2所示。

由上表可以看出：室溫拉伸時，擠壓態(tài)和時效態(tài)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都比較高，這是因為擠壓態(tài)與時效態(tài)的組織都比較細(xì)密；而時效態(tài)與擠壓態(tài)相比，抗拉強(qiáng)度略微降低，屈服強(qiáng)度也降低，是因為固溶使Al2Ca相大量溶入α-Mg基體中，在時效過程中只有部分析出，彌散強(qiáng)化效果減弱所致。與此同時，時效態(tài)相對于擠壓態(tài)來說，兩者的延伸率只上升了1%，這與抗拉強(qiáng)度降低基本相符合。進(jìn)行時效處理時，固溶處理獲得的過飽和固溶體在人工時效過程中發(fā)生分解并析出第二相。結(jié)合試驗合金的硬度變化規(guī)律可知，擠壓態(tài)的第二相數(shù)量多，硬度值很高，則抗拉強(qiáng)度也很大；經(jīng)過515℃固溶2h以后，大量第二相溶入基體中，在時效12h時只有部分析出，故第二相彌散強(qiáng)化效果減弱。

2.3 斷口形貌分析

磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)件失效的三種主要形式，其中斷裂對于合金材料的使用過程危害最大。在應(yīng)力作用以及其他熱處理過程中，金屬材料可能會發(fā)生以下兩種斷裂的情況：被分成兩個或者更多部分的稱為完全斷裂；內(nèi)部存在裂紋的則稱為不完全斷裂。研究金屬材料發(fā)生完全斷裂（簡稱斷裂）的宏觀、微觀特征，分析金屬材料斷裂機(jī)理，尤其是材料內(nèi)部無裂紋存在時，分析裂紋如何形成與擴(kuò)展的，研究材料斷裂的力學(xué)條件以及內(nèi)外影響因素，對于使用鎂合金材料進(jìn)行安全設(shè)計及應(yīng)用，具有很大意義。

圖1為擠壓態(tài)微觀組織形貌圖，由圖（a）可以觀察到：擠壓態(tài)斷口有極少數(shù)量類似韌窩的深坑，斷口有較大浮凸，是斷裂過程中大顆粒的Al2Ca相整體分離出去的結(jié)果。雖然Al2Ca相能增加試驗合金的硬度，令其抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，但是由于一些Al2Ca相大顆粒與基體的結(jié)合力相對較弱，容易與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚集就形成顯微裂紋，在進(jìn)行拉伸試驗的時候斷裂首先在此處發(fā)生，沿著Al2Ca相與基體的界面處斷裂，形成SEM圖片上類似韌窩的深坑。而正是由于這些微裂紋的存在，才會導(dǎo)致合金的塑、韌性下降。由圖1（b）可以看到在斷口表面有少量的橢圓形韌窩，還可以看到有大量的撕裂棱分布在斷裂解理面上，而且還有大量沿晶刻面存在，說明在外加壓力的作用下，擠壓態(tài)合金發(fā)生了沿晶斷裂，這主要是由于大量的第二相分布在基體上，破壞了晶界的連續(xù)性所致。但是在兩個斷口上都沒有看到裂紋的存在，說明裂紋還來不及擴(kuò)展就發(fā)生了突然斷裂，說明擠壓態(tài)的斷裂方式為脆性斷裂。

圖2為時效態(tài)的斷口微觀形貌圖。從整個斷口的微觀形貌來看，時效態(tài)合金相比于擠壓態(tài)合金的微觀組織比較均勻而且細(xì)密。和擠壓態(tài)合金一樣，在時效態(tài)合金的斷口SEM圖上看不到微裂紋，說明時效態(tài)合金在外力作用下也是發(fā)生了突然斷裂，說明時效態(tài)合金也是脆性斷裂。

圖2（a）對比于圖1（a）其表面深坑數(shù)量減少，這是由于熱處理過程使合金的組織分布均勻化，時效過程使晶粒和第二相顆粒細(xì)化、均勻分布的原因。同時由圖2（b）可以觀察到大量細(xì)小的Al2Ca相以點(diǎn)狀彌散分布在α-Mg基體中。這很好地解釋了合金在固溶過程中第二相的回溶，在時效過程中再次脫溶析出，均勻分布在基體上，起到時效強(qiáng)化的作用。由于熱處理工藝使Al2Ca相和其它顆粒相在基體上彌散分布，減少了其在晶界處偏聚而引起的晶界破壞，所以其塑性和韌性略有增加。但是在時效過程中，Al2Ca相只有部分析出，所以時效態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度相比擠壓態(tài)還是略有所下降。

3 結(jié)論

噴射沉積制備的Mg-Al-Zn-0.58Ca-1.0Nd合金試樣，經(jīng)熱擠壓、固溶處理、時效處理后，合金中的力學(xué)性能變化不明顯，均為脆性斷裂。

參考文獻(xiàn)：

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