具有柱状晶组织的镁合金高温力学性能及断裂机制

谢宏斌，林小娉，印 策，吴厚朴，杨惠雅，商艳红，徐高鹏



具有柱状晶组织的镁合金高温力学性能及断裂机制

谢宏斌，林小娉，印 策，吴厚朴，杨惠雅，商艳红，徐高鹏

(东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，秦皇岛 006004)

Mg-Zn-Y合金；定向凝固；形变机制；断裂机制

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有优良的导电性、导热性和高的比强度、比刚度、减震性等特点，在军工、便携电子设备和航空航天部件等领域具有极大的应用潜力。而现被广泛应用的商业镁合金如AZ91D、AM50A和AM60B在温度超过120 ℃时，其强度和抗蠕变性能往往大幅下降[1−4]，无法满足在较高温下长时间使用的条件，从而限制了其应用领域。因此，提高镁合金高温力学性能成为近几年研究的热点。

1 实验

熔炼Mg-6.52Zn-0.67Y合金所用原材料为纯度为99.9 %的Mg锭和Zn锭以及Mg-30Y(Y 30.9 %，质量分数)。采用自制真空定向凝固设备。将配好的炉料装入坩埚，熔化温度为780 ℃，将熔化好的合金液体浇注到结晶器上的石墨套中，同时启动伺服电机，以10 mm/min的提拉速度进行下拉。下拉过程中水冷系统一直保持恒温5 ℃，保温套温度为780 ℃左右。利用ICAP6300等离子体光谱分析定向凝固合金的最终化学成分为6.87%Zn、1.13% Y、Mg余量。

利用UTM−5305电子万能试验机进行高温拉伸试验。拉伸温度为150、200、250 和300 ℃，拉伸速率0.0001 s−1。拉伸前用2 min加热到目标温度并保温50 s，然后进行拉伸，拉伸过程中为防止试样氧化，通氩气保护。拉伸试样如图1所示。

利用SUPRA−55 型扫描电镜(SEM)及附带的能谱仪(EDS)进行合金显微组织、断口形貌观察及成分分析。利用2500/PC型X射线衍射仪(XRD)进行物相及晶粒取向分析。利用SUPRA−55 型扫描电镜附带的EDAX TSL (Mahwah, NJ) OIM EBSD系统采集EBSD数据，并运用Channel 5进行数据分析和处理。EBSD试样制备：从拉伸试样断口处截取约8 mm试样，经800~4000号砂纸打磨后，进行电解抛光(电解液为30%硝酸酒精，电压1.5 V，电解时间为3 s)。

图1 拉伸试样

2 结果与分析

2.1 Mg-6.52Zn-0.67Y合金定向凝固组织

图2所示为从定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金试棒上截取的纵向和横向显微组织的SEM像。由图2(a)可知，Mg-6.52Zn-0.67Y合金经定向凝固后获得了一次臂平行生长、纵向晶界近平直、且无横向晶界的具有特定晶粒取向的柱状晶组织，一次臂平均间距约为100 μm。柱状晶横截面晶粒组织近似为胞状结构，晶内弥散分布着大量的粒状相，如图2(b)所示。EDS测试结果显示，晶界相及晶内粒状相中Mg、Zn和Y所占原子分数分别为28.25%、60.70%、11.05%和32.55%、57.30%和10.15%，(Mg):(Zn):(Y)»3:6:1。结合图3所示XRD谱可知，晶内粒状相和晶界相均为准晶I-Mg3Zn6Y相，即定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金室温组织由-Mg和准晶-Mg3Zn6Y组成。

图2 定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金显微组织的SEM像

2.2 定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金组织晶粒取向

图3 定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金的XRD谱

图4 定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金的极图

2.3 定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金力学性能及断口形貌

图5所示为不同拉伸温度下(拉伸方向与柱状晶生长方向á0001ñ晶向平行)定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金的工程应力−应变曲线。由图5可知，室温下合金的0.2和b分别为124和196 MPa，0.2/b=0.58，为13%，表明定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金在室温拉伸变形条件下具有一定的均匀塑性变形能力。而相同成分的常规铸造镁合金室温拉伸时的0.2与b接近，为136 MPa，也仅为1.6%，为典型的脆性材料。可见，定向凝固镁合金不但室温下的b比常规铸造镁合金的提高了44%，而且合金的塑性得到大幅提高，提高了713%。150 ℃拉伸时，合金的0.2和b分别为86 MPa和146 MPa，增至27%；随着拉伸温度的升高，合金的强度不断降低、塑性持续升高，当拉伸温度升至300 ℃时，合金的极限强度b降至73 MPa，达35%。

图5 不同拉伸温度下常规铸造和定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金的应力−应变曲线

图6所示为不同拉伸温度下定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金断口的SEM像。由图6(a)可知，室温下定向凝固合金的拉伸断口凸凹不平，主要由两种形貌构成，一是“河流花样”(见图6(a))，二是“凹坑”，凹坑的边缘或呈蛇形(见图6(b))或呈小解理面，这与非定向凝固铸造镁合金的断口多为尺寸较大且光滑的解理面[22]完全不同。150 ℃拉伸时，如图6(c)所示，室温下“河流花样”所占比例大幅下降，取而代之的是出现典型的尺寸较小的扇形解理平面；不但在扇形的边界有小的韧窝带，而且在断口中也存在许多典型的尺寸较小、且深度较浅的韧窝以及撕裂棱。随着拉伸温度升高，断口中的解理面数量及尺寸明显减少，撕裂棱数量增多，韧窝增深且数量增多。如图6(d)所示，250 ℃拉伸的断口中出现大量扁圆形的微孔聚集型韧窝；300 ℃拉伸时，断口中的韧窝比250 ℃的更圆，如图6(e)和(f)所示，且韧窝壁由许许多多的“小台阶”构成，这与在钢铁材料断口中所观察到的韧窝壁通常为“涟波状”、“蛇形滑移”等滑移所留下的痕迹有很大不同。

图6 不同温度拉伸下定向凝固Mg-6.25Zn-0.67Y合金断口形貌的SEM像

2.4 不同拉伸温度下定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金形变组织演变

图7 不同温度拉伸时Mg-6.52Zn-0.67Y合金形变组织EBSD成像图及取向差图

图8 不同拉伸温度时Mg-6.52Zn-0.67Y合金晶界取向差分布图

2.5 不同拉伸温度下定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金形变机制

晶体中某个滑移系是否启动，取决于此滑移系的分切应力是否达到临界分切应力(CRSS)。如图10所示，晶体受到轴向拉力的作用，晶体的横截面积为，与滑移方向的夹角为，与滑移面法线的夹角为，外力在滑移方向上的分切应力()可表示为

图9 不同拉伸温度下定向凝固Mg-6.52Zn-0.67Y合金(0001)极图

图10 切应力分析图

3 结论

[1] PEKGULERYUZ M O, KAYA A A. Creep resistant magnesium alloys for powertrain applications[J]. Advanced Engineering Materials, 2003, 5(12): 866−878.

[2] PEKGULERYUZ M, CELIKIN M. Creep resistance in magnesium alloys[J]. International Materials Reviews, 2010, 55(4): 197−217.

[3] LUO A A. Recent magnesium alloy development for elevated temperature applications[J]. International Materials Reviews, 2004, 49(1): 13−30.

[4] ITOI T, INAZAWA T, YAMASAKI M, KAWAMURA Y, HIROHASHI M. Microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Y alloy sheet prepared by hot-rolling[J]. Materials Science and Engineering A, 2013, 560(9): 216−223.

[5] 肖 旋, 徐 乐, 秦学智, 侯介山, 王常帅, 郭建亭, 周兰章.稀土元素Y和Ce对定向凝固镍基高温合金高温氧化行为的影响[J]. 中国有色金属学报, 2014, 24(11): 2769−2776. XIAO Xuan, XU Le, QIN Xue-zhi, HOU Jie-shan, WANG Chang-shuai, GUO Jian-ting, ZHOU Lan-zhang. Effect of elements Y and Ce on high temperature oxidation behavior of directionally-solidified Ni-based superalloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(11): 2769−2776.

[6] 巫 剑, 王 志, 胡晓军, 郭占成, 范占军, 谢永龙. Si-Sn合金精炼-定向凝固过程硅的分离和提纯[J]. 中国有色金属学报, 2014, 24(7): 1871−1877. WU Jian, WANG Zhi, HU Xiao-jun, GUO Zhan-cheng, FAN Zhan-jun, XIE Yong-long. Separation and purification of silicon by combined Si-Sn alloy refining and directional solidification process[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(7):1871−1877.

[7] MA Rong, DONG Xuan-pu, CHEN Shu-qun, PAN Zhang, LING Hong-jiang, FAN Zi-tian. Effect of quasicrystal phase on mechanical properties and damping capacities of Mg-Zn-Y-Zr alloys[J]. Materials Science and Engineering A， 2013, 587(18): 328−335.

[8] YASIN K, ÜMIT B, PINAR A, AKSÖZ S, KEŞLİOĞLU K, MARAŞLI N. Dependence of microstructural, mechanical and electrical properties on growth rates in directional solidified Zn-Al-Bi eutectic alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(9): 2320−2335.

[9] 肖 路. 镁合金定向凝固技术的研究进展[J]. 热加工工艺, 2015, 44(13): 9−12. XIAO Lu. Research progress of directional solidification technology of magnesium alloy[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(13): 9−12.

[10] 唐守秋, 周吉学, 田长文, 李卫红, 杨院生. 镁合金定向凝固技术研究的意义与进展[J]. 山东科学, 2011, 24(4): 18−22. TANG Shou-qiu, ZHOU Ji-xue, TIAN Chang-wen, LI Wei-hong, YANG Yuan-sheng. The significance and development of directional solidification technology of magnesium alloys[J]. Shandong Science, 24(4): 18−22.

[11] 赵彦民, 张家奇, 向伟, 郭该丽. 定向凝固AZ91镁合金工艺方法研究[J]. 热加工工艺, 2012, 41(13): 75−78. ZHAO Yan-min, ZHANG Jia-qi, XIANG Wei, GUO Gai-li. Study on the technology of AZ91 magnesium alloy in directional solidification[J]. Hot Working Technology, 2012, 41(13): 75−78.

[12] 夏鹏成, 于金江, 孙晓峰, 管恒荣, 胡壮麒. 高温时效时间对定向凝固DZ951镍基高温合金组织和持久性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2010, 39(1): 69−71. XIA Peng-cheng, YU Jin-jiang, SUN Xiao-feng, GUAN Heng-rong, HU Zhuang-qi. Effect of high temperature aging time on Microstructure and properties of DZ951 Ni based superalloy[J]. Rare metal materials and Engineering, 2010, 39(1): 69−71.

[13] MABUCHI M, KOBATA M, CHINO Y, IWASAKI H. Tensile properties of directionally solidified AZ91 Mg alloy[J]. Materials Transactions, 2003, 44(4): 436−439.

[14] 陈孝先, 李秋书, 范艳艳. 定向凝固对AZ31镁合金凝固组织的影响[J]. 中国铸造装备与技术, 2009(2): 19−21. CHEN Xiao-xian, LI Qiu-shu, FAN Yan-yan. Effect of directional solidification on solidification structure of AZ31 magnesium alloy[J]. China Foundry Machinery & Technology, 2009(2): 19−21.

[15] 张晓林, 李 凛. 定向凝固制备的网球拍用新型镁合金的组织性能研究[J]. 热加工工艺, 2016, 45(3): 77−79. ZHANG Xiao-lin, LI Lin. Study on Microstructure and properties of new magnesium alloy for tennis racket prepared by directional solidification[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(3): 77−79.

[16] 张 炎. Mg-Sm-Ca合金定向凝固行为研究[D]. 太原: 太原科技大学, 2015: 53−56. ZHAGN Yan. Study on directional solidification behavior of Mg-Sm-Ca[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Science and Technology, 2015: 53−56.

[17] 肖 璐. 定向凝固镁合金工艺、组织与性能的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2013: 33−62. XIAO Lu. Process, microstructure and mechanical properties in directionally solidified magnesium alloys[D]. Chongqing: Chongqing University, 2013: 33−62.

[18] LUO Shi-feng, YANG Guang-yu, LIU Shao-jun, WANG Jia-he, LI Jie-hua, JIE Wan-qi. Microstructure evolution and mechanical properties of directionally solidified Mg-Gd(=0.8, 1.5, and 2.5) alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2016, 662: 241−250.

[19] WANG Jia-he, YANG Guang-yu, LIU Shao-jun, JIE Wan-qi, JIE Wan-qi. Microstructure and room temperature mechanical properties of directionally solidified Mg−2.35Gd magnesium alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(5): 1294−1300.

[20] 刘 筱, 朱必武, 李落星, 唐昌平. 挤压态AZ31镁合金热变形过程中的孪生和织构演变[J]. 中国有色金属学报, 2016, 26(2): 288−295. LIU Xiao, ZHU Bi-wu, LI Luo-xing, TANG Chang-ping. Twinning and texture evolution in extruded AZ31 magnesium alloy during hot deformation[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(2): 288−295.

[21] 宋广胜, 陈强强, 徐 勇, 张士宏. AZ31镁合金变路径压缩的力学性能和孪晶机制[J]. 中国有色金属学报, 2016, 26(9): 1870−1877. SONG Guang-sheng, CHEN Qiang-qiang, XU Yong, ZHANG Shi-hong. Twinning mechanism and mechanical property of AZ31 magnesium alloy during multi-paths compressions[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(9): 1870−1877.

[22] 南小龙. Mg-3Al-3Sn镁合金微观组织、拉伸性能与变形机制[D]. 吉林: 吉林大学, 2015: 45−73. NAN Xiao-long. Microstructure,tensile properties and deformation mechanism of Mg-3Al-3Sn magnesium alloy[D]. Jilin: Jilin University, 2015: 45−73.

[23] YU Qian, QI Liang, CHEN Kai, MISHRA R K, LI Ju, MINOR A M. The nanostructured origin of deformation twinning[J]. Nano Letters, 2012, 12(2): 887−892.

[24] YANG P, MENG L, XIE Q G，CUI F E. A preliminary analysis on compression twins in magnesium[J]. Materials Science Forum, 2007, 546/549: 297−300.

(编辑 何学锋)

High temperature mechanical properties and fracture mechanism of magnesium alloy with columnar crystal structure

XIE Hong-bin, LIN Xiao-ping, YIN Ce, WU Hou-pu, YANG Hui-ya, SHANG Yan-hong, XU Gao-peng

(School of Resources and Materials, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China)

Mg-Zn-Y alloy; directional solidification; deformation mechanism; fracture mechanism

Project (51675092, 51775099) supported by the National Natural Science Foundation of China； Project (E2014501123) supported by the Natural Science Fund of Hebei Province, China

2016-07-15; Accepted date: 2016-11-28

LIN Xiao-ping; Tel: +86-335-8056792；E-mail: lxping3588@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.09.14

1004-0609(2017)-09-1862-10

TG146.2，TG21

A

国家自然科学基金资助项目(51675092, 51775099)；河北省自然科学基金资助项目(E2014501123)

2016-07-15；

2016-11-28

林小娉，教授，博士；电话：0335-8056792；E-mail：lxping3588@163.com