等通道转角挤压对ZS32镁合金组织与性能的影响

孟少峰，韩 永，李玉林，刘 研，杜强强，张媛琦，韩富银

(太原理工大学,山西太原 030024)

镁及镁合金具有低密度和良好的可用性，在航天、汽车等领域具有广阔的前景，但是镁合金耐高温性能差，目前Mg-A1 系、Mg-Zn 系、Mg-Re 系合金作为常用的耐热镁合金，由于成本低，正引起国内外的关注和重视[1-2]。ZK 系合金具有较高的室温抗拉强度和屈服强度，但在镁合金中加入Zn 元素增加镁合金的热裂倾向和显微疏松，当温度大于120 ℃时，合金的力学性能下降，特别是高温抗蠕变性能急剧下降，这是阻碍镁合金在工业中应用的主要原因。本实验是在Mg-Zn 系合金中加入Si 元素(2%)，由于Si 元素几乎不溶于Mg，Si 元素在冷却过程中与镁液中Mg 形成大量热稳定性高的汉字状Mg2Si 相，为减少粗大汉字状的Mg2Si 相对基体的割裂作用[3]，本文利用等通道转角挤压工艺(ECAP)[4]细化Mg2Si 相，同时也细化了合金基体晶粒，消除了铸造缺陷，显著提高了合金的室温力学性能。

1 实验材料与方法

实验材料为在SG-5-12 井式坩埚电阻炉中熔炼而成的直径约50 mm 的铸态ZS32 合金，其成分名义(质量分数)：Zn3%,Mn0.6%,Si2%,Be0.005%,余量为Mg（如表1 所示）。然后将其切割出45×10×10(mm)的挤压试样。采用内交角为(φ)90°，外交角为(φ)20°的ECAP 模具在573 K下对试样进行BC 路径1～4 道次ECAP 变形[4]。截取挤压前后合金试样的中部用5%苦味酸溶液 (5 g 苦味酸+78 mL 酒精+7 mL 蒸馏水+10 mL 冰醋酸)对试样进行腐蚀制备金相试样；用CMM-20 光学显微镜观察组织；使用DNS100 电子型电子万能试验机进行拉伸试验，其拉伸速率为0.5 mm/min，拉伸试样沿挤压方向切取，其尺寸为30 mm(长)×5 mm(宽)×2 mm(厚)。用KY2-2000 型X 射线衍射仪(XRD)分析物相组成。

表1 ZS32镁合金成分配比

2 结果与分析

2.1 等通道转角挤压对镁合金显微组织的影响

图1 显示了ZS32 合金从铸态到经过等通道不同道次挤压以后的金相组织图。图1.a 是铸态组织显微图，结合图2 合金的ESM 分析结果以及图3XRD 图谱可知，比较大的汉字状组织是Mg2Si相，尺寸大约有50 μm,这些Mg2Si 相沿晶界处分布，在α-Mg 基体中有不规则分布的MgZn 相或MgZn2相，还有部分块状Mg2Si 相，这些相都对基体产生割裂作用，降低合金铸造性能。经过2 道次挤压以后如图1.b,可以看出晶粒已经细化到40 μm，汉字状Mg2Si 相已经断裂破碎。等同道挤压4 道次以后如图1.c,晶粒得到进一步细化，晶粒细化到25 μm,Mg2Si 相经过多次挤压已经完全破碎成颗粒状，开始弥散分布于集体中。图1.d 是高倍镜下观察4 道次挤压以后的金相组织图，可以看到：块状Mg2Si 相虽然没有被破碎，但是经过挤压以后棱角已经变钝，并且有许多裂纹，表明等通道挤压对其破坏作用显著。相信若继续进行等通道挤压，晶粒也更加细小均匀，这些Mg2Si 相也会被破碎的更加细小，这将在以后的试验中进行。

图1 铸态(a)、2道次(b)、4道次(c)、4道次(d)金相试样

等通道转角挤压工艺能够细化ZS32 镁合金是因为其挤压过程是纯机械剪切变形过程[5]，变形过程中在剪切应力的作用下，合金组织的α-Mg 基体、粗大汉字状的Mg2Si 相以及其它第二相，不断地被破碎、细化，最后弥散分布在基体中。镁合金在受到剪切应力作用时会形成大量的45°角的剪切带[6]，这些剪切带将原来粗大的晶粒分割细化成大量细小的亚晶，同时在剪切带中存储大量的变形能，为后续的动态再结晶打下了细组织和高能量的基础。

α-Mg 基体为密排六方结构，滑移系较少，导致位错很容易堆积，也就很容易达到再结晶所需要的位错密度，再加上镁合金层错能本身较低，动态回复速度缓慢，因此镁合金在挤压过程中容易发生动态再结晶；另外，由于镁合金有较高的晶界扩散能，能够很快吸收在变形过程中形成的位错，加快了动态再结晶的过程，从而细化合金组织。各项研究也表明[7,8]，等通道转角挤压镁合金的细化机制为连续动态再结晶与机械剪切共同作用机制。

2.2 等通道转角挤压对镁合金力学性能的影响

图4 是ZS32 合金铸态试样及经过等通道2 道次、4 道次挤压以后的应力-应变曲线，并得到室温力学性能如表1 所示。

图2 ZS32铸态SEM及EDS结果

图3 ZS32铸态组织到4道次挤压后组织XRD图谱

从图4 的曲线和表1 的数据可知,粗大的汉字状Mg2Si 相对基体的割裂作用比较强，使得合金的铸态组织性能较低，铸态合金的屈服强度为48 MPa，抗拉强度为104 MPa，伸长率为8.6%。经过等通道挤压以后，合金的性能随着挤压道次的增加不断改善。经过2 道次挤压后，合金的室温屈服强度增加到91 MPa，抗拉强度升高到232 MPa，伸长率也提高到17.4%，结合该合金2 道次的金相组织，可知，Mg2Si 相经过挤压破碎，对基体割裂作用降低，使得室温力学性能升高。经过4 道次挤压后合金的屈服强度没有明显提高，抗拉强度相比2 道次试样进一步提高，升高到294 MPa，伸长率提高到28.6%。根据Hall-Petch 公式σ0.2=σb+k·d-1/2，即随着晶粒尺寸的减小，合金的强度不断提高。

在等通道挤压的过程中，结合图1 可以得出：随着挤压道次增加使晶粒不断细化，晶界不断增多，位错运动受到很大的阻碍作用，从而提高了合金的强度；在拉伸变形的时候，变形分散在更多的晶粒内进行，不容易产生应力集中；同时合金的晶粒越细小，晶界越曲折，就越不利于裂纹的扩展，从而使得合金在断裂前有较大的塑性变形，于是伸长率较高。ZS32 合金中Mg2Si 相增强了合金的强度，但是其形态粗大对基体割裂作用强，通过等同道转角挤压工艺对其加工，随着挤压道次的增加，Mg2Si相不断细化成细小颗粒，减少了应力集中，并逐步分散在基体中，同时对位错运动起到了阻碍作用，裂纹的产生和扩展也得到了有效的避免。

表2 ZS32合金铸态及室温力学性能

3 结论

（1）等通道转角挤压能够有效地细化ZS32 镁合金α-Mg 基体晶粒、Mg2Si 相及第二相，随着挤压道次的增加，晶粒尺寸不断减小，经过4 道次挤压以后晶粒细化到25 μm。

（2）等通道转角挤压能够有效的增强ZS32 镁合金室温屈服强度和抗拉强度，同时伸长率也不断提高。经4 道次挤压以后合金试样室温力学性能比铸态合金的显著提高：屈服强度提高200%，抗拉强度提高283%，伸长率提高332%。

图4 ZS32合金铸态及挤压态应力-应变曲线

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