Mg-9Zn-xAl合金的显微组织和力学性能

张少辉，黄晓锋，冯 凯，陈建波，吕 峥

（兰州理工大学，兰州 730050）

Mg-9Zn-xAl合金的显微组织和力学性能

张少辉，黄晓锋，冯 凯，陈建波，吕 峥

（兰州理工大学，兰州 730050）

借助金相显微镜、扫描电镜、能谱分析仪、显微硬度计及电子万能试验机等研究了Mg-9Zn-xAl（x=2%、4%、6%）合金的显微组织和力学性能。试验结果表明：随着Al含量的增加，晶粒尺寸呈不断减小的趋势，合金中的第二相由断续状分布向连续网状转变；当Al含量为2%和4%时，合金主要由α-Mg基体相、τ-Mg32（Al，Zn）49相和 MgZn 相组成，当 Al增加到 6%时，合金主要由 α-Mg基体相、τ-Mg32（Al，Zn）49相和少量Mg5Zn2A12相组成。抗拉强度随着Al含量的增加呈先增大后减小的趋势，当Al含量为4%时，抗拉强度为171MPa；伸长率和硬度随着Al含量的增加而逐渐增加，当Al含量为6%时，硬度为133HV。

Mg-Zn-Al合金；显微组织；力学性能

镁合金具有重量轻、比强度高、振动衰减系数大等优点，被誉为21世纪最具有发展前景的“绿色”工程材料，广泛应用于航空航天、电子工业、光学仪器制造、国防等领域，尤其应用在汽车制造业中[1-4]。目前的镁合金主要有 Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn、Mg-Zr、Mg-RE和Mg-Li等系列，其中Mg-Al系合金应用最为广泛，但高温抗蠕变性能差，影响了在更广泛领域的应用。Mg-Zn-Al系合金中有Mg32（Al，Zn）49和MgZn等耐热相，比Mg17Al12相具有更高的熔点和热稳定性，从而使合金高温蠕变抗力提高[5]。目前，Mg-Zn-Al系镁合金的研究在Zn、Al比及Zn、Al元素添加量上做了大量的研究[6，7]。本文在已有的研究基础上，研究了不同Al含量（x=2%、4%、6%）对Mg-9Zn合金的显微组织和室温力学性能的影响，为后期合金开发做基础。

1 试验方法

实验采用镁、锌和铝，纯度均为99.9%，配置不同成分合金见表1。将原材料放入SG-75-10井式坩埚电阻炉中熔炼，用KSW-3恒温控制箱控制电炉温度，熔炼过程中采用RJ-2熔剂保护，并以氩气为保护气体。待合金熔化后在730℃精炼、搅拌、除渣以及静置20min后浇入预热好的金属模具中，型腔尺寸为15mm×150mm。经加工后的试样在微机控制电子万能试验机上进行抗拉强度和伸长率力学性能测试，拉伸试样尺寸（mm）如图1所示，拉伸速度为1mm/min，每组3个，结果取其平均值。利用显微硬度计对试样进行硬度测试。金相试样用4%硝酸酒精腐蚀，在MEF-3光学显微镜上观察其组织。微观组织利用JSM-6700F扫描电镜及能谱EDS分析，拉伸断口形貌利用SEM观察。

表1 实验合金的成分（wB/%）

2 实验结果

2.1 显微组织

图2为Mg-9Zn合金中添加不同铝含量的铸态金相显微组织。从图2可以看出，随着A1含量的增加，合金的显微组织逐渐变小，且第二相增多。当Al含量为2%时，合金的显微组织为明显的树枝晶，树枝晶比较粗大，第二相在晶界和枝晶主干间呈断续分布，如图2（a）所示；当Al含量从4%增加到6%时，合金的显微组织变得更加细小，同时第二相由断续状向连续网状转变，如图 2（b）和（c），这与杨明波等[8]的研究结果相同。

添加Al含量的不同对镁合金的铸态显微组织产生了较大影响，当Al含量为2%时，一定量的Al加入促进了非平衡凝固的形核，使得α-Mg为发达的树枝晶；当Al含量为4%时，过多的Al在枝晶间或枝晶臂间与Mg和Zn发生反应，形成新的物相在晶界析出，阻碍二次枝晶的长大，使得枝晶组织变小；当Al含量增加为6%时，随着Al的进一步加入，一部分Al起到细化形核的作用，另一部分Al在枝晶间或枝晶臂间与Mg和Zn生成新的物相抑制了树枝晶的长大,从而合金的组织变得更加细小。

图 3（a）、（b）、（c）和表 2、3、4 分别为 Mg-9Zn 合金中添加不同Al含量（2%、4%、6%）的SEM照片和EDS分析结果。基于Mg-Zn-Al三元合金相图，并结合杨明波等[8]和 ZHANG 等[9，10]的研究结果，Zn 与 Al质量比大于2时，Mg-Zn-Al三元合金平衡凝固过程中将会发生 L→α-Mg+Mg32（Al，Zn）49+MgZn 三元共晶反应，结合表2和3中EDS分析结果，当Al含量为2%和4%时，共晶相主要是颗粒状和块状的Mg32（Al，Zn）49（图3（b）①）和骨骼状的MgZn相；而当Zn与Al质量比小于2时，将会首先发生L1→α-Mg+Mg5Zn2A12二元共晶反应，然后发生L2+Mg5Zn2A12→α-Mg+Mg32（Al，Zn）49准包晶反应和L3→α-Mg+Mg32（Al，Zn）49共晶反应，结合图3（c）和表4可知Mg-9Zn-6Al合金中有骨骼状、颗粒状和块状的Mg32（Al，Zn）49相和Mg5Zn2A12相存在。

2.2 力学性能

图4表示的是Al含量对Mg-9Zn-xAl合金的室温力学性能的影响。随着Al含量增加，合金抗拉强度呈先升高后降低的趋势，当Al添加量为4%时有最大值 171MPa，这个结果与 Zhang 等[9，10]的研究结果相同,即Al含量为4%的合金的抗拉强度均达到最大。主要原因是Al含量较低时，第二相尺寸较小，对晶界和位错的钉扎作用有限；当Al含量增加后，第二相颗粒达到一定尺寸，能较好地钉扎晶界和位错，因而抗拉强度得到提高；随着Al含量继续增加，合金第二相颗粒数量增多，合金中缺陷增多且第二相尺寸过大对晶界钉扎作用减弱，而且形成粗大的第二相容易造成应力集中，从而使抗拉强度降低；最后，随着Al含量的增加，合金的显微组织逐渐细化，所以合金的伸长率逐渐增加。

表2 Mg-9Zn-2Al合金的能谱分析结果（wB/%）

表3 Mg-9Zn-4Al合金的能谱分析结果（wB/%）

表4 Mg-9Zn-6Al合金的能谱分析结果l（wB/%）

图5为不同Al含量时Mg-9Zn-xAl合金的显微硬度变化。由图可知，Al含量由2%增加到4%时，显微硬度从83.7HV增加到89.9HV；当Al含量进一步增加到6%时，合金的硬度有了较大幅度的提高，达到了133HV。其变化原因（结合图2），Al含量为2%时合金中的第二相较少且呈断续状分布，晶粒内部零星分布着颗粒状的第二相；当Al含量为4%时，第二相进一步增多且断续分布于基体间，颗粒状的第二相数量增多、尺寸变大；而当Al含量达到6%时，共晶相数量继续增加且呈连续网状分布，颗粒状的第二相进一步增多，更加密集地分布在α-Mg基体中。另一方面，随着Al含量的增加，固溶于α-Mg基体相中的Al原子含量逐渐增多（如表5所示），由于溶质原子和溶剂原子半径差产生的弹性畸变能变大，起到了固溶强化的作用，从而提高了合金的硬度值。

表5 Mg-9Zn-xAl合金α-Mg相区能谱分析结果（wB/%）

2.3 拉伸断口形貌分析

图6为Mg-9Zn-xAl合金拉伸断口形貌。当Al含量为2%时，合金的拉伸断口中有明显的解理面，并且有少量解理台阶、撕裂棱和河流花样，以及少许二次裂纹出现，并且在撕裂棱和解理面边界有固相颗粒出现，这可能是Al与Mg和Zn生成的三元相。当Al含量为4%时，撕裂棱和河流花样的数量进一步增加，二次裂纹进一步扩展，同时有更多的固相颗粒附着在撕裂棱和解理面边缘。当Al含量为6%时，二次裂纹有进一步扩展的趋势，撕裂棱和解理面的边缘附着更多的固相颗粒，且有少量韧窝出现。合金的断口形貌随着Al含量的增加，呈解理+局部韧性断裂的混合断裂特征。

3 结论

（1）随着Al含量的增加，合金的显微组织得到明显细化，第二相的数量和尺寸增加。当Al含量为2%和4%时，合金主要由α-Mg基体相、τ-Mg32（Al，Zn）49相和MgZn相组成；当Al含量增加到6%时，主要由 α－Mg 基体相、τ－Mg32（Al，Zn）49相和少量Mg5Zn2A12相组成。

（2）随着Al元素添加量的增加，合金的抗拉强度先增大后减小，当Al的含量为4%时，抗拉强度有最大值171MPa；合金的伸长率和硬度随着Al含量的增加呈递增趋势，当Al的含量为6%时，合金的硬度达到最大值133HV。

（3）随着Al含量的增加，合金的拉伸断口出现大量撕裂棱和少量韧窝，并出现二次裂纹，断口呈解理+局部韧性断裂的混合断裂特征。

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Microstructure and Mechanics Properties of Mg-9Zn-xAl Alloys

ZHANG ShaoHui，HUANG XiaoFeng，FENG Kai，CHEN JianBo，LU Zheng
（Lanzhou University of Science&Technology，Lanzhou 730050，GanSu China）

The microstructure and mechanics properties of Mg －9Zn －xAl（x=2、4、6%）alloys have been investigated by metallographic microscope，SEM，EDS，micro－hardness tester and electronic universal materials testing machine resulting in that with the increase of Al，the grain size of the alloy decreased and the distribution of the second phases in the alloys changed from quasti－continuous net to continuous net－work.When the content of Al was 2%and 4%，the alloys were composed of α－Mg，τ－Mg32（Al，Zn）49and MgZn phases.When the content of Al reached to 6%，the alloys were composed of α－Mg，τ－Mg32（Al，Zn）49and little Mg5Zn2A12phases.With the increase of Al，the tensile strength increased at first，then decreased.When the content of Al was 4%，the tensile strength got the maximum value of 171 MPa;The elongation and the hardness of alloys increasd gradually as the Al content increased.When the content of Al was 6%，the hardness reached the maximum value 133 HV.

Mg－Zn－Al alloy；Microstructure；Mechanics property

TG146.2+2;

A；

1006-9658（2012）01-4

2011－09－20

2011－130

张少辉（1900-），男，主要从事镁合金的研究