Mg-9Zn-xAl合金的顯微組織和力學性能

張少輝，黃曉鋒，馮 凱，陳建波，呂 崢

（蘭州理工大學，蘭州 730050）

Mg-9Zn-xAl合金的顯微組織和力學性能

張少輝，黃曉鋒，馮 凱，陳建波，呂 崢

（蘭州理工大學，蘭州 730050）

借助金相顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析儀、顯微硬度計及電子萬能試驗機等研究了Mg-9Zn-xAl（x=2%、4%、6%）合金的顯微組織和力學性能。試驗結果表明：隨著Al含量的增加，晶粒尺寸呈不斷減小的趨勢，合金中的第二相由斷續(xù)狀分布向連續(xù)網(wǎng)狀轉變；當Al含量為2%和4%時，合金主要由α-Mg基體相、τ-Mg32（Al，Zn）49相和 MgZn 相組成，當 Al增加到 6%時，合金主要由 α-Mg基體相、τ-Mg32（Al，Zn）49相和少量Mg5Zn2A12相組成?？估瓘姸入S著Al含量的增加呈先增大后減小的趨勢，當Al含量為4%時，抗拉強度為171MPa；伸長率和硬度隨著Al含量的增加而逐漸增加，當Al含量為6%時，硬度為133HV。

Mg-Zn-Al合金；顯微組織；力學性能

鎂合金具有重量輕、比強度高、振動衰減系數(shù)大等優(yōu)點，被譽為21世紀最具有發(fā)展前景的“綠色”工程材料，廣泛應用于航空航天、電子工業(yè)、光學儀器制造、國防等領域，尤其應用在汽車制造業(yè)中[1-4]。目前的鎂合金主要有 Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn、Mg-Zr、Mg-RE和Mg-Li等系列，其中Mg-Al系合金應用最為廣泛，但高溫抗蠕變性能差，影響了在更廣泛領域的應用。Mg-Zn-Al系合金中有Mg32（Al，Zn）49和MgZn等耐熱相，比Mg17Al12相具有更高的熔點和熱穩(wěn)定性，從而使合金高溫蠕變抗力提高[5]。目前，Mg-Zn-Al系鎂合金的研究在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礎上，研究了不同Al含量（x=2%、4%、6%）對Mg-9Zn合金的顯微組織和室溫力學性能的影響，為后期合金開發(fā)做基礎。

1 試驗方法

實驗采用鎂、鋅和鋁，純度均為99.9%，配置不同成分合金見表1。將原材料放入SG-75-10井式坩堝電阻爐中熔煉，用KSW-3恒溫控制箱控制電爐溫度，熔煉過程中采用RJ-2熔劑保護，并以氬氣為保護氣體。待合金熔化后在730℃精煉、攪拌、除渣以及靜置20min后澆入預熱好的金屬模具中，型腔尺寸為15mm×150mm。經(jīng)加工后的試樣在微機控制電子萬能試驗機上進行抗拉強度和伸長率力學性能測試，拉伸試樣尺寸（mm）如圖1所示，拉伸速度為1mm/min，每組3個，結果取其平均值。利用顯微硬度計對試樣進行硬度測試。金相試樣用4%硝酸酒精腐蝕，在MEF-3光學顯微鏡上觀察其組織。微觀組織利用JSM-6700F掃描電鏡及能譜EDS分析，拉伸斷口形貌利用SEM觀察。

表1 實驗合金的成分（wB/%）

2 實驗結果

2.1 顯微組織

圖2為Mg-9Zn合金中添加不同鋁含量的鑄態(tài)金相顯微組織。從圖2可以看出，隨著A1含量的增加，合金的顯微組織逐漸變小，且第二相增多。當Al含量為2%時，合金的顯微組織為明顯的樹枝晶，樹枝晶比較粗大，第二相在晶界和枝晶主干間呈斷續(xù)分布，如圖2（a）所示；當Al含量從4%增加到6%時，合金的顯微組織變得更加細小，同時第二相由斷續(xù)狀向連續(xù)網(wǎng)狀轉變，如圖 2（b）和（c），這與楊明波等[8]的研究結果相同。

添加Al含量的不同對鎂合金的鑄態(tài)顯微組織產(chǎn)生了較大影響，當Al含量為2%時，一定量的Al加入促進了非平衡凝固的形核，使得α-Mg為發(fā)達的樹枝晶；當Al含量為4%時，過多的Al在枝晶間或枝晶臂間與Mg和Zn發(fā)生反應，形成新的物相在晶界析出，阻礙二次枝晶的長大，使得枝晶組織變?。划擜l含量增加為6%時，隨著Al的進一步加入，一部分Al起到細化形核的作用，另一部分Al在枝晶間或枝晶臂間與Mg和Zn生成新的物相抑制了樹枝晶的長大,從而合金的組織變得更加細小。

圖 3（a）、（b）、（c）和表 2、3、4 分別為 Mg-9Zn 合金中添加不同Al含量（2%、4%、6%）的SEM照片和EDS分析結果。基于Mg-Zn-Al三元合金相圖，并結合楊明波等[8]和 ZHANG 等[9，10]的研究結果，Zn 與 Al質量比大于2時，Mg-Zn-Al三元合金平衡凝固過程中將會發(fā)生 L→α-Mg+Mg32（Al，Zn）49+MgZn 三元共晶反應，結合表2和3中EDS分析結果，當Al含量為2%和4%時，共晶相主要是顆粒狀和塊狀的Mg32（Al，Zn）49（圖3（b）①）和骨骼狀的MgZn相；而當Zn與Al質量比小于2時，將會首先發(fā)生L1→α-Mg+Mg5Zn2A12二元共晶反應，然后發(fā)生L2+Mg5Zn2A12→α-Mg+Mg32（Al，Zn）49準包晶反應和L3→α-Mg+Mg32（Al，Zn）49共晶反應，結合圖3（c）和表4可知Mg-9Zn-6Al合金中有骨骼狀、顆粒狀和塊狀的Mg32（Al，Zn）49相和Mg5Zn2A12相存在。

2.2 力學性能

圖4表示的是Al含量對Mg-9Zn-xAl合金的室溫力學性能的影響。隨著Al含量增加，合金抗拉強度呈先升高后降低的趨勢，當Al添加量為4%時有最大值 171MPa，這個結果與 Zhang 等[9，10]的研究結果相同,即Al含量為4%的合金的抗拉強度均達到最大。主要原因是Al含量較低時，第二相尺寸較小，對晶界和位錯的釘扎作用有限；當Al含量增加后，第二相顆粒達到一定尺寸，能較好地釘扎晶界和位錯，因而抗拉強度得到提高；隨著Al含量繼續(xù)增加，合金第二相顆粒數(shù)量增多，合金中缺陷增多且第二相尺寸過大對晶界釘扎作用減弱，而且形成粗大的第二相容易造成應力集中，從而使抗拉強度降低；最后，隨著Al含量的增加，合金的顯微組織逐漸細化，所以合金的伸長率逐漸增加。

表2 Mg-9Zn-2Al合金的能譜分析結果（wB/%）

表3 Mg-9Zn-4Al合金的能譜分析結果（wB/%）

表4 Mg-9Zn-6Al合金的能譜分析結果l（wB/%）

圖5為不同Al含量時Mg-9Zn-xAl合金的顯微硬度變化。由圖可知，Al含量由2%增加到4%時，顯微硬度從83.7HV增加到89.9HV；當Al含量進一步增加到6%時，合金的硬度有了較大幅度的提高，達到了133HV。其變化原因（結合圖2），Al含量為2%時合金中的第二相較少且呈斷續(xù)狀分布，晶粒內部零星分布著顆粒狀的第二相；當Al含量為4%時，第二相進一步增多且斷續(xù)分布于基體間，顆粒狀的第二相數(shù)量增多、尺寸變大；而當Al含量達到6%時，共晶相數(shù)量繼續(xù)增加且呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，顆粒狀的第二相進一步增多，更加密集地分布在α-Mg基體中。另一方面，隨著Al含量的增加，固溶于α-Mg基體相中的Al原子含量逐漸增多（如表5所示），由于溶質原子和溶劑原子半徑差產(chǎn)生的彈性畸變能變大，起到了固溶強化的作用，從而提高了合金的硬度值。

表5 Mg-9Zn-xAl合金α-Mg相區(qū)能譜分析結果（wB/%）

2.3 拉伸斷口形貌分析

圖6為Mg-9Zn-xAl合金拉伸斷口形貌。當Al含量為2%時，合金的拉伸斷口中有明顯的解理面，并且有少量解理臺階、撕裂棱和河流花樣，以及少許二次裂紋出現(xiàn)，并且在撕裂棱和解理面邊界有固相顆粒出現(xiàn)，這可能是Al與Mg和Zn生成的三元相。當Al含量為4%時，撕裂棱和河流花樣的數(shù)量進一步增加，二次裂紋進一步擴展，同時有更多的固相顆粒附著在撕裂棱和解理面邊緣。當Al含量為6%時，二次裂紋有進一步擴展的趨勢，撕裂棱和解理面的邊緣附著更多的固相顆粒，且有少量韌窩出現(xiàn)。合金的斷口形貌隨著Al含量的增加，呈解理+局部韌性斷裂的混合斷裂特征。

3 結論

（1）隨著Al含量的增加，合金的顯微組織得到明顯細化，第二相的數(shù)量和尺寸增加。當Al含量為2%和4%時，合金主要由α-Mg基體相、τ-Mg32（Al，Zn）49相和MgZn相組成；當Al含量增加到6%時，主要由 α－Mg 基體相、τ－Mg32（Al，Zn）49相和少量Mg5Zn2A12相組成。

（2）隨著Al元素添加量的增加，合金的抗拉強度先增大后減小，當Al的含量為4%時，抗拉強度有最大值171MPa；合金的伸長率和硬度隨著Al含量的增加呈遞增趨勢，當Al的含量為6%時，合金的硬度達到最大值133HV。

（3）隨著Al含量的增加，合金的拉伸斷口出現(xiàn)大量撕裂棱和少量韌窩，并出現(xiàn)二次裂紋，斷口呈解理+局部韌性斷裂的混合斷裂特征。

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

ZHANG ShaoHui，HUANG XiaoFeng，F(xiàn)ENG 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－h(huán)ardness 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

張少輝（1900-），男，主要從事鎂合金的研究