劉素清，李偉婷，蘇亞飛，房大慶，柴 琨，喬振鑫

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué) 晉城校區(qū)，山西 晉城 048011）

鎂合金具有高比強(qiáng)度、比剛度、減振性、導(dǎo)熱性、可切削加工性和可回收性，被稱為21 世紀(jì)最具開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色”工程材料；其在汽車、計(jì)算機(jī)、通訊及航天等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大[1]。AZ 系合金具有均衡的機(jī)械性能和優(yōu)良的鑄造性能等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的鎂合金之一[2]。Zr 作為合金化元素（細(xì)化晶粒）被廣泛運(yùn)用于鎂合金開發(fā)和研究，本課題以AZ91 鎂合金為研究對(duì)象，利用金屬模鑄造工藝制備鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：0.3%，0.6%，0.9%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金試樣，探討研究鋯對(duì)鑄態(tài)AZ91 鎂合金組織和力學(xué)性能的影響。為研究高性能鎂合金提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及配比

實(shí)驗(yàn)所用的鎂合金為AZ91 鎂合金鑄錠，通過線切割機(jī)切割的AZ91 小塊，每爐稱重300 g（四份）；鋯粉按表1 確定的合金配比稱重。

表1 合金試樣配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備：中頻感應(yīng)爐；線切割機(jī)，金相拋光機(jī)；掃描電鏡；硬度計(jì)，拉伸試驗(yàn)機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 合金試樣的制備

制備1、2、3、4 號(hào)四組試樣，為了更準(zhǔn)確比較，試樣是在相同熔煉設(shè)備、澆注溫度、鑄模條件下重熔取樣。

1 號(hào)試樣的制備：將切好的300 g AZ91 鎂合金小塊放入預(yù)熱的坩堝里并放至中頻爐，熔煉過程要通入保護(hù)氣體氬氣防止鎂燃燒，熔化過程要進(jìn)行表面浮渣工作；700 ℃左右時(shí)，加入精煉劑，進(jìn)行為時(shí)6 min 的精煉，精煉后升溫到780 ℃左右停止加熱，靜置30 min 左右，等溫度降至680 ℃左右時(shí)，將其澆入至φ16 mm 的長棒形金屬模型中，待溫度降到室溫后，取出試樣，裝袋貼標(biāo)簽。

2、3、4 號(hào)試樣步驟同上，在730 ℃左右分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，0.6%，0.9%的Zr 粉，攪拌，升溫至780 ℃左右停止加熱，靜置，溫度降至680 ℃左右時(shí)澆注。制備三組試樣。

1.3.2 拉伸試樣的制備

實(shí)驗(yàn)所用的鎂合金拉伸試樣是長棒形試樣經(jīng)截切、車削等工序，形成如圖1 所示的圓棒形試樣。

圖1 圓棒形的試樣簡(jiǎn)圖

1.3.3 顯微組織樣品

1）把澆注成型的試棒用線切割機(jī)切出需要的雙面平行的試樣；

2）經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕等處理的鎂合金試樣，在掃描電鏡（SEM）下觀察合金組織形貌、晶粒狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 顯微組織分析

2.1.1 鑄態(tài)AZ91 鎂合金的掃描電鏡圖

采用掃描電鏡對(duì)四個(gè)鎂合金試樣進(jìn)行了組織觀察，如圖2、3、4、5 所示。

2.1.2 顯微組織分析與討論

AZ91 鎂合金在鑄態(tài)下的顯微組織如圖2 所示?？梢?，鑄態(tài)AZ91 鎂合金的組織為樹枝狀，晶粒粗大，呈現(xiàn)離異共晶組織形貌，其中大塊灰白色晶粒為先共晶α-Mg 固溶體，在先共晶α-Mg 固溶體的晶界上的灰黑色相是非平衡凝固產(chǎn)生的β-Mg17Al12和α-Mg 的離異共晶體，即共晶組織中的α-Mg 依附在原有的先共晶α-Mg 相上，β-Mg17Al12相則以不規(guī)則的形狀分布在晶界上。

圖2 不含鋯的AZ91 鑄態(tài)鎂合金SEM 照片

圖3 鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的SEM 照片

圖4 鋯含量為0.6%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的SEM 照片

圖5 鋯含量為0.9%的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的SEM 照片

從圖3-圖5 可以看出隨Zr 添加量的增加，鎂合金中的Mg17Al12相逐漸細(xì)化，由連續(xù)粗大的網(wǎng)狀和樹枝狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒕鶆虻念w粒狀分布；當(dāng)Zr添加量為0.6%時(shí)，Mg17Al12相尺寸最小，分布最均勻，也似有一些等軸晶形成。

鎂合金中添加Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的鑄態(tài)AZ91 顯微組織，與圖4 鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的相比，組織細(xì)化不明顯，可能是Zr 與合金熔體中的Mg17Al12相或Al 元素等其他相反應(yīng)生成Al-Mg-Zr等三元相，減少了異質(zhì)形核核心的數(shù)目，使得初生α-Mg 相的一次枝晶可以充分生長，延長了枝晶相互接觸碰撞的時(shí)間，從而導(dǎo)致α-Mg 枝晶顯著粗化[4]。本次實(shí)驗(yàn)沒有進(jìn)行化學(xué)成分定量分析。

Zr 可能細(xì)化鎂合金晶粒的機(jī)理[10]：哈爾濱工程大學(xué)陳增，張密林等研究發(fā)現(xiàn)，在包晶溫度下鋯在鎂中的固溶度為0.6%，液態(tài)鎂結(jié)晶時(shí)，Zr 首先以α-Zr 的質(zhì)點(diǎn)析出，α-Zr 與鎂的晶格常數(shù)非常接近（Zr 的晶格常數(shù)為a=0.323×10-9m，c=0.514×10-9m；Mg 的晶格常數(shù)為a=0.320×10-9m，c=0.520×10-9m）由于二者晶格點(diǎn)陣錯(cuò)配度特別小，所以在包晶溫度下液態(tài)金屬中的鋯可以作為異質(zhì)形核核心使鎂晶粒顯著細(xì)化；此外，Zr 與氧的親和力較強(qiáng)，能形成氧化鋯質(zhì)點(diǎn)也能細(xì)化晶粒。

晶粒細(xì)化是改善鎂合金變形結(jié)構(gòu)特征、提高鎂合金力學(xué)性能的重要途徑。目前得到普遍認(rèn)可的觀點(diǎn)是只有澆注時(shí)溶于液體金屬中的鋯才對(duì)晶粒有細(xì)化作用[10]。

2.2 Zr 對(duì)鑄態(tài)AZ91 力學(xué)性能的影響

2.2.1 合金的硬度

表2 試樣的硬度

采用布氏硬度測(cè)量?jī)x對(duì)鎂合金進(jìn)行硬度測(cè)試。表2 是通過布氏硬度儀測(cè)量的含Zr 量分別為0.3%、0.6%、0.9%的鑄態(tài)AZ91 的布氏硬度值，每組試樣測(cè)三組，取平均值，由表2 可知Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的鑄態(tài)AZ91 的硬度平均值最大（51.4），當(dāng)Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，硬度反而減小。

圖6 試樣的硬度曲線

圖6 通過表2 硬度值繪制，從圖中可以看出，AZ91 鎂合金隨著Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加其硬度值的變化趨勢(shì)。隨著Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加鑄態(tài)鎂合金的硬度提高，當(dāng)Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定值后硬度反而減小。

2.2.2 拉伸試驗(yàn)

在微型控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)1.2.3.4 號(hào)試樣（每種試樣三根）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為室溫，拉伸應(yīng)變速率為5×10-2s-1.利用自動(dòng)采集系統(tǒng)記錄相應(yīng)的拉伸數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成位移-載荷圖，據(jù)此確定計(jì)算合金的抗拉強(qiáng)度σb，通過測(cè)量拉伸試樣變形前與拉伸斷裂后的直徑計(jì)算斷面收縮率ψ（每組試樣算三組數(shù)據(jù)，求平均值）。結(jié)果見表3 與圖7、圖8.

表3 合金的力學(xué)性能

圖7 抗拉強(qiáng)度曲線圖

圖8 斷面收縮率曲線

由表3 和圖7 可以看出，Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)AZ91 鑄態(tài)鎂合金的抗拉強(qiáng)度最大，為185.17 MPa.說明隨著鋯含量的增大，可使AZ91 鑄態(tài)鎂合金的抗拉強(qiáng)度提高，但是當(dāng)鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.9%時(shí)，AZ91鑄態(tài)鎂合金的抗拉強(qiáng)度反而減小。

由圖8 可以看出鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)的AZ91鑄態(tài)鎂合金試樣的斷面收縮率最大。

從本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果看0.6%Zr 的鑄態(tài)AZ91 鎂合金的力學(xué)性能最好；Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鑄態(tài)AZ91 鎂合金的力學(xué)性能影響的準(zhǔn)確拐點(diǎn)，需要在0.6%～0.9%Zr 之間的鎂合金再做相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 分析與討論

在本實(shí)驗(yàn)條件下鋯含量為0.6%的鑄態(tài)AZ91抗拉強(qiáng)度最大，為185.17 MPa，硬度平均值最大（51.4）.說明鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的鑄態(tài)AZ91 的力學(xué)性能最好。

根據(jù)Hall-Petch 公式[5]，

式中：σ0—單晶體屈服強(qiáng)度；

K—Petch 斜率；

d—晶粒直徑。

得到鎂合金的屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系為：減小晶粒的尺寸，可以明顯的提高鎂合金的屈服強(qiáng)度。據(jù)文獻(xiàn)資料[6-7]研究表明，對(duì)于擁有著密排六方結(jié)構(gòu)的鎂合金而言，晶粒的細(xì)化作用對(duì)強(qiáng)度的提高要比其自身結(jié)構(gòu)對(duì)其影響大很多。

隨著Zr 含量的適量增加，第二相的組織顆粒變得越來越細(xì)小并且彌散程度更加均勻，鑄態(tài)AZ91鎂合金的晶粒得到進(jìn)一步的細(xì)化，因而晶界增多，能夠有效的阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，大大的增強(qiáng)合金的抵抗變形的能力，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度[3，8，9]。

在細(xì)晶強(qiáng)化的時(shí)候，滑移的傳遞非常重要，而晶界對(duì)滑移的傳遞具有阻礙作用，晶界的前方存在應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中會(huì)使得更多滑移系被激活，滑移系的激活會(huì)導(dǎo)致合金的整體變形更加均勻，從而使合金強(qiáng)度和韌性等性能提高[9]。因此對(duì)密排六方結(jié)構(gòu)的鎂合金來說，晶粒強(qiáng)化效果將會(huì)更加明顯。因此，人們一般通過細(xì)化晶粒來獲得高強(qiáng)鎂基合金[5，10]。

3 結(jié)論

本文主要研究了Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，0.6%，0.9%的鑄態(tài)AZ91 的顯微組織和力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

1）Zr 元素的適量加入，能夠有效細(xì)化鑄態(tài)AZ91 鎂合金的晶粒，可提高鑄態(tài)AZ91 鎂合金的室溫抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率，但當(dāng)Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值后晶粒的細(xì)化效果將變差，室溫抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率反而減??；

2）本次實(shí)驗(yàn)中Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)鑄態(tài)AZ91 鎂合金性能最佳，關(guān)于Zr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鑄態(tài)AZ91 鎂合金的力學(xué)性能影響的準(zhǔn)確拐點(diǎn)還需要再做實(shí)驗(yàn)深入研究確定。