-2l 8・ 稀仃金属材料与1. 第35卷 试验台金审温力学性能的测试在CSS1220型电r 万能托力试验帆上进行 每组删诚3根试样,结果采 用其平均值 高温瞬时力学性能的删试在lnstron1 l95 高温性能试验机上进行,试样在250"C下保温时间20 airn后进行拉伸试验,每组测两根 结果取其平均值。 金相试样用3%(质量分数,下同)的硝酸酒精溶 DSC.2910示茇量热分析仪L进行,台金成分分析采用 电感禚台等离子体发射光谱(ICP)分析方法。试验合 金热处理庄箱式炉中进行,温区均匀性为±5℃。 3结果与讨论 3 1 Mg-xCa.5Zn一3AI一0.2Mn合金的微观组织变化和 分析 液腐蚀。显微组织观察采用XJL.02型光学显微镜和 LEO1455VP型扫描L r显微镜(SEM)微I延成分分 圈I足砂型铸遗试验合金的微观组织照片,由图 1可以清楚地看出,随着Ca含量的增加,其组织中第 二相数赶递增。表2是试验台金的平均晶粒尺寸。从 析采用Ox ̄rd Inca型能量色散 仪(EDS)。合金组 成相分析采用x射线衍射(XRD,Cu Ka)币I微区成 分分析相结合的方法进行 X射线衍射仪 号为 D/MAX2400。什金相变点测定采Hj DSC方法在 矧2可以看出,随着Ca龠量的增加,合金晶粒明显 趟】 细化 l划I试验合金的 型微现il1纽照片 FiglMierostructures ofexperimentaI alloys{8)No】 fb No.2,(c)No.3,and(d)No4 表2试验台金的平均晶粒尺寸f割线法驯定) Table 2 Mean grain sizes of experimental allo N。l N0 2 356 8 400.3/ \ 407 8 ≥ } NI1 分别对l号军4 合金进行了DSC分析,结果 2 可以看出.1 和2 合金由两相纽成,而3 合金的XRD分析 50 —— 雨I 4号台盒dI 扣组成 埘1 见图3。表明.该台金的 耍桐组成为:cY-Mg基体和 】50 250 350 450 r(Mg 2(A1,Zn)4日)棚。r相分布在 —Mg l 界上.呈棚边 羿极不规则『佝半连续I旬4状 Tem0erature/℃ 对2 合金进行了EDS分析 结果见图4。口r以 看到,基体相不含Ca,a,b.c处的第llI相成分相近, 图2 1 至4 合金的DSC曲线 Fig 2 DSC CUI'V ̄S of sampleNo.1,No 2,No.3 andNo 4 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 杨光显等:Mg-.rCa一5Zn一3AI一0 2Mn镁合金砂 铸造圯 {和力学性能研究 2l9・ 。 (Mg) ・Mg32(AI.Zn) ̄g 。。 0 . Itl 0 0 I j【 。: o 。 60 20 40 2 -。1 一 EDS analysis results ofalloy No.4 图3 1号台金的XRD【刳l昔 Fig 3 XRD pattern of sample No 禽3 71at%一5.33at%舶Ca 耵ll 37a|%左右的Zn 站台文 献[9】分析认为,合金组织LIt a,b,c处的第_相臆为 Mg・Zn-AI—Ca复杂金属问化合物相。由阁2 I 知其熔 点约为400 3℃, 5 4 台金的SEM照片段EDS分折结粜 Fig 5 SEM photo and EDS analysis results of alloy No 4 一 EDS analysis results 0f sample No 2 2 f。 圈6 4 爵金的XRD舟潜 Fig 6 XRD spectrum of sample No 4 3号 金的相标定结果见图7 主要相组成为: AI:Ca,Mg—Zn—A1一Ca和 —Mg基体。其中,白亮的棒 目4 2号台盒[闩SEM J!cI片腱EDSl舒析结果 Fig 4 SEM photo and EDS analysis results of sample No 2 状形态为A1:ca 而耗状和骨骼状的为Mg.Zn.AI.Ca 相 EDS分析表明,其组织中Mg.Zn.AI.Ca相的含 Ca量为6a1%~7at%,其熔点为407 8"U。 4号合金的EDS和XRD分析 。i果 罔5干¨ 6。 3弓合金的分析结果与4号 flI近,予以省略 由图5 可以看m,4号合金组织-}I的第一二相仃3种形态:粒 综合分析发现,随着含Ca蜒增加,台金组织中 Mg—Zn—AI—Ca相的台ca量递增,而且相熔点在逐步提 高。这说明ca在Mg,Zn ̄AI:相中存在一个溶解度区 间 当Ca景达到一个阀值后,合金组织中开始山现 第3 AI Ca 同I对说_{』j Ca的加八,抑制了r相析出, 状,棒状和层状 EDS舒析发现,梳状千u棒状的成分 大致相同,禽ca量范围在8at.%左 结合文献『9], 认为该台金相为Mg—Zn—AI.ca化台物柯,其熔点约为 423.CC 根据XRD干¨DSC竹析,呵以确定台金蛆纵 中有AI2Ca相,其彤态如 5中b点所示。 代之形成r热稳定性更高的Mg—Zn.AI,Ca相或/和 AI:Ca卡臼。 Johnson确立的溶质晶粒细化理论认为11o-121,偏 维普资讯 http://www.cqvip.com
・220 稀有金属材料与工程 第3s卷 析倾向大的溶质和有效的形核质点是晶粒细化不可少 的两因素。溶质偏折使生长晶粒的液固表面前沿, 生 成分过冷区,从而阻碍r晶粒生长.并提供了激活成 分过冷l 内形核质点的驱动力; 性,将这3种合金固溶温度都定为350 ̄C。考虑到镁 台金原千扩散能力弱,第二相的充分溶解需较长时 问 则将保温时间定为l7 h。为防止铸件过烧,采取 了分段加热方式,在300℃下保温2.5 h,然后再逐步 升温到同溶温度。保温到时后.将试样直接淬于70T2 ~80'C热水中, 8足上述工艺条件下试验合金的淬火组织。可 一 图7 3号台垒的相形志照片 Fig 7 Morphologies of differenl phase in al ̄.oy No 3 以看到,1号合金343℃淬火组织中 相基本消失,见 图8a 『fi『其350℃淬火组织如图8b所示,在晶界汇合 处发生了多边化熔汇,晶界明显粗化,这是典型的过 烧特缸 】 2弓合金固溶处理后,组织中仅留下少量 未溶Mg.Zn.AI—Ca相。3号合盘中粒状和细小的Mg+ zn.AI.ca相大部分消失,粗大骨骼状Mg.Zn.AI.Ca相 变细,AI:Ca相则完全未溶 4号台金组织的变化和3 号合金致。 溶质元素的作用可以用牛K抑制因子(Growth Restriction Factor,G 求表示 : GRF=∑ , 一1) 1 (2) 式中,m 为_l|元相图中液相线亲斗率,c 为溶质元素原 始含最 是溶质分凝因数 表3是根据二元相图确 定的镁台金中Zr,Ca,Sr等溶质元素的生睦抑制系数 m( 一1)。由表3口' 看到,与Sr,Ce,Y元素十口比. Zr.Ca的GRF值较高,所以Ca的品粒细化作用较强 这在其它镁台金盘¨AZ9I.As21,AS4l中部得到了验 证lI]】 表3镁台金中Zr,Ca,Sr,Ce.Y等溶质元素的m,^ 及生长抑制系数脚I^一I’… ‘ Table 3 Growth restriction parameter mI^I for alloying element Zr,Ca,Sr,Ce,Y in magnesium… 罔8 l号台金在334C.350T2固溶温度 剌2 至4号 合盘在350"(2问溶后淬火的 组织肌片 Fig g Microstructures of quenched samples after annealing 3 2试验合金的固溶处理和组织变化 Mg.Zn.A】系合金具仃较强的周溶强化效果,因此 对】号至4号试验台金托力试棒进行r圊溶处理 根 at 334"C forl 7 hfa1No1、and annealing at 350"C or【7 h:(b)No 1.(c)No 2 (d)No.f3.and(e)No.4 据圈2的DSC分析…J线可矢¨.1 合宝的周柏线温度 约为356.8℃。由此制定rl曲种 溶温度,分别为343 C,350"(2 而2号、3号和4号台企的崮相线温度分 热处理组织的如此变化,恰恰是因为添加Ca抑 制1广r相析出代之形成了高熔点的Mg—Zn.AI.Ca相/ 或和Al2ca相所致。这从另一侧面说明,Ca添加量越 大.试验合金组织的热稳定性越高。 别为400 3℃.407 8℃和423.6℃。考虑到实验的可比 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 杨光昱等:Mg-xCa.5Zn-3A1.0.2Mn镁合金砂型箜 墓 堂垡堂 壅 : 3.3试验合金的力学性能变化及分析 表4是试验合金铸态和固溶处理态的室温力学性 能。可以看到,随着Ca量增加,合金铸态室温力学 性能逐步降低。1号合金在343℃固溶处理后,合金的 和 得到大幅提升,分别达到245 MPa和12.1%。2 号至4号合金固溶处理后,合金的力学性能分别亦有 不同程度的提升。而2号合金中Mg-Zn-AI-Ca相的溶 解量较大,则其强化效果比3号、4号合金好。 表4试验合金的室温力学性能 Table 4 Mechanical properties of sand-cast specimen at room temperature+组织出现过烧,未测量 表5是试验合金在固溶处理后的250 ̄C高温瞬时 力学性能。可以看到,随着合金中ca量增加,合金 的 。。和 。随之稳步提高,而塑性则随之下降。 表5试验合金的250℃高温力学性能 Table 5 Mechanical properties at 250℃of quenched sand-cast specimen 高温下镁合金晶粒内部对蠕变变形的阻碍远比晶 界的阻碍作用小【14,15],所以合理控制晶界上第二相对 提高基体的耐高温性能非常关键。如果在试验合金中 加入能形成热稳定性比r相高的金属间化合物的元 素,就可改善其高温性能。Ca的加入,首先抑制了合 金中r相析出,代之形成了高熔点的Mg.Zn.AI.Ca相 或/和Al2Ca相,所以晶界上存在的Mg.Zn.AI.Ca相或 /和AI2Ca相,在250℃下能起到稳定晶界、防止晶界 滑移的作用。同时,这些热稳定相在晶界上断续或连 续分布会使高温下晶界处溶质扩散速度降低,增强合 金的高温晶界强度。其次, 由图2可以看到Ca的加 入,使合金基体相开始熔化温度上移,基体相热稳定 性也因之提高。第三,固溶处理使得部分Mg-Zn-AI-Ca 相在基体中溶解,Ca溶入基体,这能够阻碍位错的攀 移,而位错攀移一般被认为控制着镁合金高温下第二 阶段的蠕变速度【l 。 可以看到,随着Ca量增加,组织中第二相总量 增加并且其分布趋于将基体晶粒封闭割裂开来。此时 第二相的割裂作用相对于晶粒细化作用而言,割裂作 用占主导地位,所以尽管试验合金因加Ca细化,但 其室温拉伸强度却不升反降,塑性下降。 4 结 论 11 Mg.5Zn.3AI.0.2Mn砂型铸造合金的主要相组 成为6-Mg基体和 Mg32(AI,Zn)49)相。r相半连续分 布在6-Mg晶界上。在343℃固溶17 h后淬火,合金 完全转变为固溶体,力学性能最佳,trb=245 MPa, 12%。 2)当Ca加入量为0.43%时,合金相组成为 .Mg 和Mg.Zn.AI.Ca相。当Ca量分别为0.95%,1.80%时, 相组成为Al2Ca,Mg-Zn-AI-Ca和 -Mg。随着Ca量增 加,AI2Ca相比例增大,合金组织明显细化。 3)随着ca量增加,合金铸态室温力学性能(trb 和 )呈下降趋势。而固溶处理态合金的 0。和 则稳步提高,塑性下降。 参考文献 References t 【l】Brulower P M.Die Casting Engineering[J],1997,4l(3):68 【2】Polmear I J.Materials Science and Technology[J],1 994,l 0(1) l 【3】LouAA.InternationalMaterials Reviews[J],2004,49(1):l3 [4】Lou Shusun(陆树荪),Gu Kaidao(顾开道),Zheng Laisu(郑来 苏1.Foundry andMelting ofNonferrous Alloys(有色铸造合金 及熔炼)【M】.Beijing:Defense Industry Press,1983 【5】Yan Yunqi(闫蕴琪),Zhang Tingjie(张廷杰),Deng Qu(邓炬), Zhu Lian(周廉1.Rare Metals Materials and Engineering(稀 有金属材料与工程)【J],2004,33(6):561 【6】Mordlike B L.Journal foMaterials Processing Technology[J], 2001,117:391 【7】Luo A A,Michael P Balogh,Bob R Powel1.Metallurgical and Materials Transactions J],2002,33A(3):567 【8】Yang Guangyu(杨光昱),Hao Qitang(郝启堂),Qie Wanqi(介 万奇). e Chinese Journal ofNonferrous Metals(中国有色金 属学报)【J】,2005,l5(4):614 【9】Zhan Zhang,Alain Couture.Scripta Materialia[J],l994,39(1) 45 【l 0】Easton Mark,St John David.Metallurgical and Materials 维普资讯 http://www.cqvip.com ・222・ Transactions 【J],1999,30A(6):l613 稀有金属材料与工程 Metallurgy Industry Press,l 966 第35卷 【ll】Tamura Yousuke,Kono Norio,Motegi Tetsuichi.Journal of Japan Institute fLioght Metal[J],1998,48:l85 【12】Liu Zili( ̄tJ子利),Shen Yifu(沈以赴),Li Ziquan(李子全). 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Handbook of Magnesium Alloys(镁合金手册)【M】.Beijing: Study on the Microstructures and Mechanical Properties of Mg-xCa-5Zn-3AI-0.2Mn Sand-Casting Alloy Yang Guangyu,Jie Wanqi,Hao Qitang (College ofMaterials Science and Engineering,Northwestern Polytechnic University,Xi’an 710071,China) Abstract:As sand。cast microstructure of Mg-5Zn-3A1-0.2Mn magnesium alloy contains -Mg and f(Mg32(A1,Zn)49)phases.The f phase is fully dissolved into -Mg matrix after annealed at 343"C for 1 7 h.Meanwhile the room temperature mechanical properties reach the maximum values,i-e o-一.,b 245 MPa, 1 2%.By adding Ca into the experimental alloyf phase is gradually replaced by Mg.Zn.A1.Ca ,complex compound when Ca content is 0.43wt%,or AI2Ca and Mg-Zn-A1-Ca compound and t%Mg when Ca content was over 095wt%. .With the increase of Ca content,the grain of -Mg is refined apparently but the room temperature mechanical properties(Db and ) decrease gradually.The room temperature mechanical properties slightly increase when the Ca modiied alloys are quenched aftfer annealed at 350*C for 17 h,and meanwhile o。and cr62520。increase with the increase ofCa content .Key words:microstructures;mechanical properties;casting magnesium alloy;the strength at high temperature;annealing Biography:Yang Guangyu,Candidate for Ph.D.,College of Materials Science and EngineeringNorthwestern Polytechnic University, ,Xi’an 7 1 007 1,P R.China,Tel:0086-29-88494276,E-mail:seniorygy.student@sina.com
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