Mg-6Zn-xCu铸造合金的显微组织及力学性能研究

王鹏飞，黄晓锋，冯 凯，张少辉，李向平

（兰州理工大学，兰州 730050）

Mg-6Zn-xCu铸造合金的显微组织及力学性能研究

王鹏飞，黄晓锋，冯 凯，张少辉，李向平

（兰州理工大学，兰州 730050）

采用金属型铸造方法制备了Mg-6Zn-xCu（x=1%、3%、5%）镁合金，并通过光学显微镜、X射线衍射和扫描电镜及力学性能测试等手段研究了Cu含量对合金的显微组织和力学性能的影响。结果表明：Cu在合金中主要以CuMgZn相存在，且随着Cu量的增加，其数量增加；在凝固过程中，CuMgZn富集在已结晶的α-Mg表面，阻碍了其长大，从而细化了晶粒，但过量的CuMgZn偏聚晶界偏聚，引起局部的应力集中，对合金的力学性能产生负面影响；随着Cu含量的增加，合金的力学性能逐渐降低，加入1%Cu时，合金的抗拉强度和伸长率达到最大值，分别为208MPa和13.5%；随着Cu含量的增加，拉伸断口由准解理断裂向解理断裂和沿晶断裂转变。

Cu；Mg-6Zn-xCu合金；显微组织；力学性能

作为最轻质金属工程结构材料的镁合金，由于具有质轻等多种优异性能[1]，在实现轻量化、降低能源消耗、减少环境污染等方面具有显著作用，使其在交通、3C、航空航天等领域的应用前景十分可观[2，3]。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点[4-6]。但是，镁合金高温强度低和蠕变性能较差等不足阻碍了镁合金广泛的工程化应用。因此，研发新型耐热镁合金成为当务之急。

Mg-Zn-Cu合金是20世纪70～80年代开发的一种新型的Mg-Zn系耐热镁合金[7]。Cu元素的加入，提高了Mg-Zn合金的共晶温度，使其在更高的温度进行固溶处理[8]，Zn和Cu能最大限度地固溶于镁基体中，增强了随后的时效强化效果[9，10]；同时也改善了合金中的共晶相结构，由原来完全离异的不规则块状转变为连续的薄片状[11]，从而显著提高了合金的抗蠕变性能。在150℃以下，Mg-Zn-Cu合金的高温性能比传统的Mg-Al-Zn合金更优异，可广泛用于汽车发动机部件和推避器等[12]。目前，国内外关于Mg-Zn-Cu合金的研究仍偏重于开发应用，尚处于起步阶段，相关报道有限。虽然在Mg-Zn-Cu系合金组织以及性能等方面取得了一些结果，但还存在许多争议，迫切需要深入研究[13]。本实验选择以Mg-6Zn合金为基础，研究了不同Cu含量对其微观组织和室温拉伸性能的影响，为后期合金开发做基础性的研究。

1 试验方法

表1 实验合金成分（wB/%）

试验所用的原材料 Mg、Zn和 Cu纯度均为99.9%（质量分数），配制合金的成分见表1。合金在KSW-12-12A恒温控制箱的控温下，用7.5kW井式坩埚电阻炉进行熔炼。当温度升至200℃时，将预热且去除氧化皮的镁锭、铜锭放入坩埚，温度到达500℃开始持续通氩气保护，合金熔化后在680℃再加入铝锭并不停地搅拌使其全部熔化，然后在720℃时采用C2Cl6进行精炼、扒渣，静置15～20min，最后待炉温降至705℃，在预热的金属型中浇注成所需要的坯锭。在MEF－3型光学显微镜上进行试样的显微组织观察，采用Rigaku D/max－2400型X射线衍射分析仪分析合金的相组成；在WDW－100D型电子万能试验机上进行力学性能测试，拉伸试样块尺寸为16mm×3mm×2mm，然后使用JSM－6700F型扫描电镜观察拉伸断口形貌。

2 结果与分析

2.1 铸态显微组织

图1是试验合金Ⅱ和Ⅲ铸态时的X射线衍射物相分析。结合 Mg－Cu－Zn 三元相图[14]和文献[13]，合金中添加Cu元素后，主要由α－Mg和CuMgZn相组成，当Cu含量为0.5%时，有Cu2Mg相生成。

图1 铸态Mg－6Zn－xCu（x=3%，5%）合金的XRD图谱

图2为Mg－6Zn－xCu合金的铸态光学显微组织，随着Cu含量的增加，合金显微组织得到明显的细化。合金Ⅰ的铸态组织明显呈树枝状，大量的共晶组织（α－Mg+CuMgZn）沿晶界或枝晶边界断续分布，晶内亦有部分弥散质点，晶粒尺寸比较粗大，且晶界上的共晶组织较小，如图 2（a）所示。图 2（b）和（c）分别为含有3%和5%Cu合金的显微组织，随着Cu含量的增加，晶界处的共晶组织由不连续或半连续状逐渐演变成连续网状，而晶间呈骨骼状的第二相数量和尺寸增多，且不断向晶内延伸，在凝固过程中溶质原子富集，导致晶粒出现颈缩，晶粒呈现花瓣状，部分枝晶形成细小的等轴晶；同时，晶内生成的细小黑色颗粒相减少，最后几近消失。分析认为，随着Cu含量的增加合金的晶粒细化的主要原因是Cu的加入增加了成分过冷，降低了Mg元素的扩散速率，从而限制了基体晶粒的生长，细化了晶粒，同时生成的CuMgZn偏聚于固液界面前沿，富集α－Mg表面，阻止了其长大。

图 3 为 Mg－6Zn－1Cu 和 Mg－6Zn－5Cu 合金的SEM照片，主要由黑色的α－Mg和白色的共晶组织组成，其中属于典型的离异共晶组织，其形成原因是，在非平衡冷却过程中，当过冷度很小、结晶进行很缓慢时，或两相之间没有促进形核的作用时，α－Mg和CuMgZn两相可以各自独立生核和长大，最后共晶组织中的α-Mg依附在α-Mg初晶上，使得共晶组织中的两相貌似分离；由于离异共晶组织的存在，导致了Cu在合金组织中分布不均匀，即晶界附近的含量最大，从而使CuMgZn偏聚于晶界，且团聚现象明显（见图2）。

表2为Mg-6Zn-1Cu合金的EDS分析结果，第二相主要是由Mg、Zn和Cu形成，唯有图3（a）中③处的细杆状相，发现其所含元素及其原子百分比为95.87%Mg、3.42%Zn和0.71%Cu，因此可初步推测该合金中除α-Mg和CuMgZn外，还可能存在Mg-Zn二元相。合金中Zn的含量只有6.0%，远不到共晶点的Zn含量，结合Mg-Zn二元相图[15]来看，合金Ⅰ中的Mg-Zn二元相应该是析出相MgZn。

表2 Mg-6Zn-1Cu合金的能谱分析结果

2.2 力学性能分析

图4为Mg-6Zn-xCu合金室温拉伸性能。抗拉强度和伸长率随着Cu含量的增加呈逐渐下降的趋势，其中当Cu含量为1%时，抗拉强度和伸长率分别为208MPa和13.5%。加入1%Cu后，晶内较多颗粒相呈现弥散分布，可以有效地钉扎位错，限制位错运动，从而强化了合金基体；且存在于晶界的CuMgZn相，也起到阻碍晶界的滑移，提高了合金Ⅰ的力学性能。但是随着Cu含量的增加，组织中CuMgZn相数量增多，并沿晶界聚集，造成了合金成分的不均匀，在拉伸过程中易在粗大的CuMgZn边界或尖端处产生应力集中，导致晶界脆化，使合金在晶界处容易发生脆断，降低了合金抗拉强度；并且共晶相形成的空间封闭网络几乎将基体割裂开来，降低了界面的结合强度，因而合金脆性有所增加，伸长率下降。

图4 Mg-6Zn-xCu合金室温拉伸性能

综上所述，说明Mg-6Zn-xCu合金的力学性能在很大程度上取决于CuMgZn相颗粒的形态、大小、数量和分布。适量的CuMgZn相沿晶界或晶内分布，造成一定的晶格畸变，阻碍位错的运动，会使Mg-6Zn-xCu合金的力学性能有所提高；但由于Cu含量偏高，在晶界偏聚的过量的CuMgZn相的尖角处易于形成应力集中，从而产生裂纹（见图2（b）），降低晶界的结合力，使合金抵抗塑性变形和断裂的能力降低，因此过量的Cu反而恶化了Mg-6Zn-xCu镁合金的室温力学性能。

2.3 拉伸断口形貌分析

为了进一步研究Cu对Mg-6Zn-xCu合金断裂机制的影响，利用SEM对实验合金的断口形貌进行观察如图5所示。从图5（a）可观察到合金Ⅰ的断口中有大小不均匀的解理小刻面和河流花样，还存在撕裂棱，在撕裂棱之间分布着较小的韧窝，部分韧窝随着变形程度的增加演变成了空洞，呈现出准解理断裂的特征，表明合金具有良好的塑韧性。合金Ⅱ的断口是由一系列并不光滑的小刻面构成，没有明显的韧窝花样，但局部区域有大量的解理台阶，拉伸断口以解理断裂为主的脆性断裂，见图5（b）。合金Ⅲ断口有大量粗大的晶界裂纹，如图5（c）中箭头所示，且有晶粒拔出孔洞的存在，属于典型的沿晶断裂特征，由于CuMgZn相在晶界团聚加剧，导致外加载荷在局部应力集中，在拉伸过程中诱发裂纹迅速萌生和扩展，从而使合金力学性能下降。总之，Mg－6Zn－xCu合金的断裂方式随Cu含量的增加由准解理断裂转变为解理断裂和沿晶断裂。

3 结论

（1）Mg－6Zn－xCu 合金的主要相组成为 α－Mg相和CuMgZn共晶相，随着Cu含量的增加，CuMgZn共晶相含量随之增加。

（2）在凝固过程中，CuMgZn富集在已结晶的α－Mg表面，阻碍了基体长大，从而细化了晶粒，但过量的CuMgZn偏聚在晶界，引起局部的应力集中，反而对合金的力学性能不利。

（3）随着Cu含量的增加，合金力学性能逐渐降低，当添加1%Cu时，合金的抗拉强度和伸长率达到最大值，分别为208MPa和13.5%。拉伸断口由准解理断裂转变为解理断裂和沿晶断裂。

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Study on Microstructure and Mechanics Properties of As-cast Mg-6Zn-xCu Alloys

WANG PengFei，HUANG XiaoFeng，FENG Kai，ZHANG ShaoHui，LI XiangPing
（Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

Mg－6Zn－xCu（1，3 and 5wt.%）alloys have been prepared by metal mould casting method.The effect of Cu content on microstructure and mechanics properties of alloys have been investigated by OM，SEM，XRD and mechanics apparatus.The results showed that the CuMgZn phases were formed when added Cu elements in alloys，and the amount of CuMgZn compounds increased with increasing of Cu content.Due to the CuMgZn compounds enriched on the surface of α－Mg during solidification，the growth of α－Mg was difficultl and then grains were refined effectively.But an excess of CuMgZn compounds precipitates at grain boundaries resulted in local stress concentration，thus it was detrimental to the mechanics properties of alloys.Consequently，with addition of 1%Cu，the values of ultimate tensile strength and elongation were 208MPa and 13.5%respectively.The tensile fracture surfaces changed from quasi－cleavage to cleavage and intergranular fracture with increase of Cu content.

Cu；Mg－6Zn－xCu alloy；Microstructure；Mechanics property

TG146.2+2;

A；

1006-9658（2012）01-4

973前期研究专项（项目编号：2010CB635106）

2011－11－18

2011－161

王鹏飞（1986-），男，硕士研究生，主要从事镁合金的研究