王娜娜,周吉學(xué),劉玉,趙東清,馬百常,楊院生

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東省輕質(zhì)高強金屬材料重點實驗室，山東省汽車用鎂合金輕量化示范工程技術(shù)研究中心， 山東 濟南 250014；2. 中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)

在工業(yè)4.0和中國制造2025[1]的高科技戰(zhàn)略形勢下，汽車產(chǎn)業(yè)在智能生產(chǎn)、智能制造、增材制造等方面與材料科學(xué)息息相關(guān)，輕量化、節(jié)能減排、綠色環(huán)保是發(fā)展的必然趨勢。在新材料領(lǐng)域，鎂合金密度約是鋼的1/4、鋁的2/3，但強度明顯高于鋼和鋁合金；并且鎂具有彈性模量低、耐沖擊、良好的減震和電子屏蔽等優(yōu)點，是目前最輕的商用金屬工程材料。鎂合金機械加工性能好、回收再利用性能高，是當今汽車、電子通訊、航天、軍用設(shè)備制造領(lǐng)域的首選材料，被譽為“21世紀綠色工程材料”[2-3]。鎂的晶格常數(shù)比值為1.625，接近理論值1.633[4]，能夠很好地與其他元素形成合金，應(yīng)用面廣泛。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中雙級時效工藝是獲得良好的抗拉強度、屈服強度、韌性和抗腐蝕性能的最佳的熱處理方法[5]。Mg-Zn-Sn-Mn合金是一種高鋅含量的新型高強度變形鎂合金[6-7]，Mg-6Zn-1Mn的雙級時效處理能顯著提高合金的抗拉強度和屈服強度，屈服強度的增幅為64%，已達到高強度變形鎂合金ZK60的強度[8-10]。Oh-ishi等[11]研究了Mg-Zn和Mg-Zn-Al合金在多級時效過程中析出相的轉(zhuǎn)變機制，相比于單級時效，雙級時效之后析出相形貌和分布發(fā)生了明顯變化。分級時效能夠使得合金在第一階段的預(yù)時效溫度下發(fā)生濃度起伏進行形核，在后續(xù)的時效溫度下發(fā)生緩慢生長，使得合金在相對較短的時間內(nèi)獲得較高的力學(xué)性能，從而提高合金的熱處理效率。因此，本文通過改變終時效的時間，研究分級時效對Mg-6Zn-3Sn-0.5Mn合金微觀組織及力學(xué)性能的影響，以獲得較好的合金時效熱處理參數(shù)，為合金的雙級時效研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料及方法

實驗材料選擇純鎂(純度大于99.9%)、純錫(純度大于99.95%)、純鋅(純度大于99.9%)以及Mg-5Mn中間合金。將合金進行熔煉，精煉溫度為750 ℃，保溫30 min。采用雙極均勻化處理工藝，第一級均勻化處理340 ℃，保溫2 h。第二級均勻化處理420 ℃，保溫8 h。在400 ℃進行擠壓，擠壓比為61。首先設(shè)定雙級時效的工藝參數(shù)，預(yù)時效溫度、時間，終時效溫度、時間。雙級時效工藝參數(shù)的確定比較復(fù)雜，通過查閱相關(guān)文獻，確定了進行時效的工藝參數(shù)：第一種方案是參照張丁非等[12]的ZM61鎂合金最佳雙級時效工藝參數(shù)90 ℃×24 h+180 ℃×8 h；第二種方案是參照倫玉超等[13]的ZM6鎂合金的預(yù)時效溫度100 ℃，預(yù)時效時間0.25 h、0.5 h、1 h，終時效200 ℃×8 h的雙級實驗參數(shù)。經(jīng)過實驗，獲得的合金力學(xué)性能不理想，因此對實驗參數(shù)進行修改。初步確定低溫預(yù)時效工藝參數(shù)為90 ℃×12 h，高溫時效參數(shù)為180 ℃，設(shè)定時間為4 h、8 h、16 h、32 h。經(jīng)過對各階段樣品顯微硬度的測量，確定其峰時效工藝參數(shù)為90 ℃×12 h+180 ℃×8 h。對雙級時效后的樣品進行OM、SEM顯微組織觀察以及TEM微觀組織觀察，并進行常溫拉伸實驗，測定合金材料的力學(xué)性能。實驗過程的工藝圖如圖1所示。

圖1 實驗過程流程圖Fig. 1 Flow chart of the experiment process

圖2 棒狀拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic illustration of the rod-like tensile sample

金相試樣采用苦味酸和草酸做腐蝕劑，金相組織的觀察是在ZEISS2000-C型光學(xué)顯微鏡上進行。采用JSM-6460型掃描電子顯微鏡觀察合金的組織與拉伸斷口形貌。硬度檢測是在HV-1000顯微硬度計上進行的，施加載荷為200 g，力的保持時間15 s，每個樣品測10個點，取平均值作為測量結(jié)果。利用JEM-2100型透射電子顯微鏡觀察時效之后析出相的形貌與衍射斑點。合金拉伸試樣形狀和尺寸如圖2所示。拉伸實驗力為20 kN，拉伸速度為2 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZTM630鎂合金微觀組織的觀察

圖3為ZTM630鎂合金在不同終時效時間下的金相顯微組織。由圖3a，b可以看到組織中的晶粒都比較細小均勻，基體和晶界處有細小的析出相彌散析出。隨著時效時間的增加，金相組織中的晶粒尺寸增大，析出相也變大(見圖3c)。圖3d晶粒更加明顯清晰。

在圖3a～d中可以看到組織中有一些不均勻分布的團簇狀析出相，分布在基體與晶界處。這些團簇狀析出相的存在，對合金強度的提升有很大作用，能夠阻礙合金內(nèi)部晶粒變形，增加合金變形抗力，提高強度?？梢娊?jīng)過雙級時效后合金組織中的晶粒都比較細小均勻，同時有一部分的析出相在晶界處析出，但是隨著時效時間的增加晶粒變大，組織中的析出相明顯長大。

圖4為ZTM630鎂合金在不同時間的掃描組織圖片，組織中的析出相主要是沿著晶界彌散析出，同時在基體中也有細小的析出相出現(xiàn)。在圖4a中彌散細小的析出相出現(xiàn)，在圖4b中可見基體中的析出相特別細小，分布較均勻，一部分析出相沿著晶界均勻析出。時效8 h的組織中的晶粒比較均勻，平均晶粒尺寸在10 μm左右。隨著時效時間延長，圖4c、d所示的分別為90 ℃×12 h +180 ℃×16 h和90 ℃×12 h+180 ℃×32 h時效后組織，在晶界與基體中的析出相明顯增大，晶粒也有一定程度的長大。圖4e、f的能譜分析得到，在晶界處有大量的MgZn、MgSn相的化合物存在[6,14-15]。

a 90 ℃×12 h+180 ℃×4 h；b 90 ℃×12 h+180 ℃×8 h;c 90 ℃×12 h+180 ℃×16 h；d 90 ℃×12 h+180 ℃×32 h。圖3 不同熱處理條件下的金相組織Fig.3 Microstructure of ZTM630 alloys under different heat treatment conditions

圖4 不同熱處理條件下的掃描組織Fig.4 Fracture morphology of ZTM630 alloys under different heat treatment conditions

為了進一步分析雙級時效過程中的析出相，對90 ℃×12 h+180 ℃×8 h時效后的試樣進行了TEM微觀組織分析，如圖5所示。圖5a是對時效之后組織內(nèi)部析出相的觀察，可觀察到在基體上有塊狀β′′相析出，析出相的尺寸大約在100～200 nm左右，同時也存在較大尺寸的β′′相，大約500 nm左右。圖5b的HRTEM組織觀察，可以看出經(jīng)過雙級時效處理之后，合金組織內(nèi)部出現(xiàn)了大量的GP區(qū)[16]，組織內(nèi)部析出相的尺寸比較小，有的在10 nm左右。在受到外力變形時，彌散細小的析出相對于合金性能起到很好的強化作用，能夠阻礙晶粒的移動，從而阻礙位錯的滑移，來提高合金強度，所以該時效階段的組織對于合金的性能有一定的促進作用。

a 90℃×12 h+180℃×8 h析出相及衍射斑點；b 90℃×12 h+180℃×8 h時效的HRTEM組織。圖5 90 ℃×12 h+180 ℃×8 h 時效后的TEM組織Fig.5 TEM of ZTM630 alloys under different heat treatment conditions

2.2 力學(xué)性能

圖6是終時效時間對ZTM630鎂合金力學(xué)性能的影響。經(jīng)過90 ℃×12 h+180 ℃×4 h、90 ℃×12 h+180 ℃×8 h、90 ℃×12 h+180 ℃×16 h、90 ℃×12 h+180 ℃×32 h四個階段的雙級時效過程，并對ZTM630合金時效后的硬度和室溫拉伸強度進行檢測，可以看出合金在90℃×12 h+180℃×8h取得峰值時效硬度92.13 HV，合金的抗拉強度最大為383.09 MPa，延伸率為7.667%。合金的硬度在8 h時達到峰值，同時在圖5中可觀察到形成比較穩(wěn)定的GP區(qū)及彌散細小的析出相。

圖6 終時效時間對合金力學(xué)性能的影響Fig.6 Effect of final aging time on mechanical properties of ZTM630 alloys

在進行室溫拉伸時，時效參數(shù)為90 ℃×12 h+180 ℃×8 h下的組織析出相能夠產(chǎn)生很好的加工硬化作用，形成位錯塞積，力學(xué)性能比較好。通過圖2和圖3中的顯微組織分析看出，時間對于180 ℃條件下的晶粒影響并不是很大，但是時效8 h的材料組織內(nèi)部晶粒細小均勻。根據(jù)Hall-Petch公式，晶粒越細小合金的強度越大。所以，由于細晶強化，合金的性能在8 h與32 h相差接近20 MPa，而且析出相的存在影響合金內(nèi)部位錯的形成。細小的析出相對于位錯能起到很好的釘扎作用，從而在受力變形時起到加工硬化的效果，表現(xiàn)出較高的性能。根據(jù)圖6中繪制的合金時效時間與硬度和抗拉強度的關(guān)系可以看出，隨著時效時間的增加，合金的硬度與抗拉強度都在90 ℃×12 h+180 ℃×8 h時達到相對較高的點，相比其他3個參數(shù)的時效，90 ℃×12 h+180 ℃×8 h下的合金性能最好。

3 結(jié)論

經(jīng)過對ZTM630鎂合金雙級時效的探索實驗，為下一步的時效實驗提供了實踐與理論基礎(chǔ)，在預(yù)時效90 ℃×12 h的前提下，進行終時效測試，在180 ℃，4 h、8 h、16 h、32 h的實驗中發(fā)現(xiàn):

(1)ZTM630鎂合金比較合適的雙級時效工藝參數(shù)為90 ℃×12 h+180 ℃×8 h，合金在90 ℃×12 h+180 ℃×8 h取得峰值時效硬度92.13 HV，合金的抗拉強度也最大,為383.09 MPa，延伸率為7.667%。

(2)雙級時效后的組織中MgSn和MgZn相化合物細小彌散，對合金的性能起到很好的強化作用。在室溫拉伸實驗中，彌散細小的析出相能起到很好的釘扎位錯的作用，對合金強度的提高有促進作用。

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