热处理对Mg-8Al-1Ca合金第二相及力学性能的影响

·试验研究·

热处理对Mg-8Al-1Ca合金第二相及力学性能的影响

王春辉，薛天明，刘江江，房大庆，张代东

（太原科技大学，山西太原030024）

采用热处理结合挤压变形的工艺处理方法，研究Mg-8Al-1Ca合金的微观组织、第二相形态及力学性能。对实验合金分别进行T6、挤压+T5和挤压+T6三种处理方式。结果显示：第二相的析出形态分别呈现断续网状和球状、片状和球状、球状和短棒状。挤压变形结合热处理工艺，随着第二相聚集球化，合金的屈服强度和抗拉强度均得到较大的提高，并保持较好的伸长率。

微观组织；β-Mg17Al12相；沉淀析出；拉伸性能

Mg-Al系镁合金是目前应用最为广泛的镁合金系，我国对该系列镁合金的应用研究取得了很大进展[1]。随着汽车工业的高速发展以及节能减排的要求，开发高性能、廉价的Mg-Al系碱土镁合金具有重要的意义[2-3]。在高性能镁合金中合金元素及第二相对组织结构、性能的影响是镁合金开发应用的关键，通过热处理、变形加工改善组织和第二相的形态、大小、数量以及分布对合金的工艺性能和使用性能具有较大的影响。李萍[4]等人对Mg-6Al-xCa镁合金力学性能的研究结果表明在加入Ca的质量分数为1%时，合金的抗拉强度与伸长率取得最大值。而经过挤压变形镁合金比铸造合金具有更优异的综合力学性能[5-6]，从而具有更好的发展潜力。本实验选用Mg-8Al-1Ca镁合金，通过不同的工艺方法，改善合金的组织形态，使得合金中的第二相均匀、合理地分布于基体上，对于研制开发新型综合性能较好的镁合金具有重要的意义。

1实验方法

实验采用半连续铸造法制备Mg-8Al-1Ca镁合金，原材料为纯镁（99.9%）、纯铝（99.9%）、中间合金Mg-Al、Al-Ca以及少量MnCl2等，在SF6和CO2气体保护下，采用半连续铸造，浇注温度为700℃，铸锭直径为90 mm.对铸态合金进行不同的热处理和挤压变形，具体方案列于表1中，其中挤压工艺为400℃保温10 h，在300℃挤压温度下，以5 mm/s挤压速度和14∶1挤压比将试样挤压成板材。

表1Mg-8Al-1Ca合金的处理方式

2实验结果与分析

2.1微观组织结构

图1为Mg-8Al-1Ca合金在铸态、固溶态、挤压态、挤压固溶态下的显微组织，铸态组织（图1a））主要由基体和共晶组织组成，由于非平衡结晶，第二相沿着晶界析出，呈现连续的网状组织。白色组织为α-Mg，黑色相为β-Mg17Al12相。经过410℃/12 h固溶处理（图1b）），随第二相部分溶解，晶界处网状组织明显细化且断裂。为防止表面氧化和晶粒生长，实际挤压采用400℃保温10 h，在300℃挤压处理（图1c）），此时晶粒和第二相破碎，同时产生动态再结晶，挤压后晶粒非常细小，第二相沿挤压方向定向分布。挤压处理后再经400℃/10 h固溶处理（图1d）），合金再结晶过程完成，组织中的方向性消失，晶粒长大呈较均匀的等轴晶，晶界处的第二相消失，完全固溶。合金X射线衍射的最强峰为（101ˉ0）晶面，次强峰为（101ˉ1）晶面，第三强峰为（0002）晶面。在有固溶处理条件下，X射线衍射的最强峰为（0002）晶面，次强峰为（101ˉ1）晶面。固溶处理使β-Mg17Al12相溶解，从而改变基面的最优取向，为后期第二相时效析出提供了条件[7]。

图2Mg-8Al-1Ca在不同处理状态下的XRD图谱

图1金相组织图

2.2第二相变化及析出机理

图3为铸态、T6、挤压+T5、挤压+T6处理的SEM扫描图。由图可见，合金中的第二相形态由铸态下连续的网状形态转变为颗粒状，并且随工艺改变，第二相析出的数量、形态、分布也不相同。

图3SEM扫描图

图2为合金在不同处理状态下的XRD图，由于Ca原子的晶格类型与Mg相似，均为密排六方晶格，Ca质量分数1.0%时，Ca作为溶质元素与镁基体形成置换固溶体。XRD测试峰主要集中在30°～60°的范围内，合金的主要组成相为α-Mg基体相和β-Mg17Al12第二相。

不同处理条件下，β相对应的峰强度产生变化。挤压处理后再经400℃/10 h固溶处理合金呈现单相组织，β相完全固溶于基体中，引起晶格畸变，产生晶格畸变能，为后期的时效析出储存了较多的能量。根据X射线衍射理论，在铸态下，Mg-8Al-1Ca

经T6处理（图3b）），第二相以断续网状和球状的形态析出。挤压+T5处理（图3c）），第二相以菱形片状和球状形态析出。挤压+T6处理（图3d）），第二相则以短棒状和类球状形态析出。说明不同工艺处理方法β相析出形态、数量与其析出的位置、生长方式有关，经挤压+T6处理，β相分布较为理想。

时效处理时β-Mg17Al12相为Mg-Al系合金的主要沉淀相，其晶体结构为体心立方，与基体没有位向关系，为非共格界面形核，主要沉淀方式为连续沉淀和非连续沉淀。根据能量最低化原理[8-9]，晶界处的β相形核后不会向晶内生长，β相长大主要靠远处的铝原子扩散，固态扩散一般需要时间较长，因此时效过程中晶界处沉淀析出的β相不易长大，多为球状和短棒状。

2.3力学性能

表2为合金在不同工艺处理下的拉伸实验结果。与铸态合金相比，经T6处理、挤压+T5处理和挤压+T6处理合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率均得到一定程度的提高。

表2合金四种状态下的拉伸性能

合金的力学性能与第二相的形态、数量和分布密切相关。网状分布的第二相易造成拉伸过程中应力分布不均，强度塑性较低。T6处理后，连续网状β相的消失，沉淀析出断续网状和少量球状β相对合金力学性能贡献不是很大。挤压+T5处理和挤压+T6处理沉淀相的数量增多，对位错的阻碍作用加大；以菱形片状、短棒状、球状、类球状形态沉淀析出的第二相相对圆滑，对基体的割裂作用小，因此合金强度提高，塑性增大。

3结论

1）铸态合金Mg-8Al-1Ca在经过固溶、挤压和挤压固溶处理后，β相完全固溶于基体中，产生晶格畸变能，为后期第二相时效析出提供了条件。

2）不同工艺处理方法β相析出形态、数量、分布与其析出的位置、生长方式有关，经挤压+T6处理，β相分布较为理想。

（3）第二相的形态与数量决定了合金的力学性能。沉淀相数量的增多和网状组织的消失，合金的抗拉强度最高可达320 MPa，延伸率最高可达18.1%.以菱形片状、短棒状、球状、类球状形态沉淀析出的第二相相对圆滑，对基体的割裂作用小，合金强度提高，塑性增大。

［1］王军，朱秀荣，徐永东，王荣，聂景江，张立君.稀土Ce和Y对AZ80镁合金组织和力学性能的影响［J］.中国有色金属学报，2014（1）：25-35.

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［5］Daidong Zhang,Xiaowei Hao,Daqing Fang etc.Influence of Heat treatment on Microstructure and Properties of Extrusion Mg-9Sn-1.5Y-0.4ZrAlloy［J］.RareMetalMaterialsand Engineering,2016（9）：2208-2213.

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［7］张代东，张晓茹，郝晓伟，金亚旭，王宇，柴跃生，房大庆.Mg-8Al-Sr-xCa（x=0.5，1.0，1.5）合金的显微组织和力学性能［J］.稀有金属材料与工程，2014（08）：1862-1866.

［8］胡景.Mg-Al-Zn-Mn系铸造镁合金热处理后的组织和性能研究［J］.世界有色金属，2016（23）：156-158.

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Effect of Heat Treatment on Second Phase and Mechanical Properties of Mg-8Al-1Ca Alloy

WANG Chun-hui，XUE Tian-ming，LIU Jiang-jiang，FANG Da-qing，ZHANG Dai-dong
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

The microstructure，the second phase morphology and mechanical properties of Mg-8Al-1Ca alloy were studied combined with heat treatment process and extrusion deformation.Three kinds of treatment methods of T6，extruded+T5 and extruded+ T6 were used for experiments.The results indicated that the precipitation of the second phase state showed intermittent reticulate and globose，flaky and globose，spherical and rodlike respectively.After extrusion and followed heat treatment，the yield strength and tensile strength of second gathered nodulizing alloy have been greatly improved，maintaining good elongation at the same time.

microstructure，β-Mg17Al12phase，precipitation，tensile property

TG146.2

A

1674-6694（2017）02-0028-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.09

2017-03-05

王春辉（1995-），男，本科。

张代东（1960-），男，教授，主要从事轻质高强镁合金结构材料组织和性能研究。

山西省高等学校大学生创新创业训练项目（2016290）；材料科学与工程特色专业建设/省教育厅/2011/2.