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1、文献综述样本AZ31镁合金组织和性能的研究现状及进展王孟金（重庆理工大学 材料科学与工程学院 400050）摘要：镁合金是当下工业应用中最轻的金属材料，但是由于镁的密排六方结构，使其塑性和高温性能变差，从而极大的影响了镁合金的使用范围。因此，改善镁合金的组织进而提高其性能成为了当下国内外研究的重点。本文以AZ31为例，阐述了微合金化、固溶大应变-后续热处理、连续变断面循环挤压、正挤压和退火工艺等方法对AZ31组织和性能的影响。关键词：AZ31；组织；性能Research and Development of the Structure and Properties of the AZ31 Ma

2、gnesium alloyWang mengjin(Department of Material Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400050) Abstract: The magnesium is the lightest metallic materials in the current industrial applications, however, because of the poor plastic, high temperature property and the H

3、CP of Magnesium, the terms of use of Magnesium is limited. So, to improve the structure and properties is the focus of the study abroad. In this pepper, using the AZ31 as an example, described the affect of alloying, solutionlarge-strain, follow-up treatment, continuous cycle of extrusion section, e

4、xtrusion and annealing process to the structure and properties of AZ31 magnesium alloy.Key words:AZ31；Structure；Properties1.引言镁合金质量轻（其密度仅为铝的2/3、钢的1/4）、比强度高、比弹性模量高、阻尼减震性好、导热性好、高静电屏蔽性、高机械加工性等特点,使镁合金成为当今工业产品应用增长速度最快的轻金属材料，被誉为21世纪的绿色工程材料13。目前，对于工业中所用到的很多镁制构件都通过压铸来制造，其中以AZ31应用最为广泛。然而由于镁的密排六方晶体结构以及高度各项异性位

5、错滑移行为1,使其韧性和成形性比较差。因此通过改善组织进而提高合金性能成为当下国内外研究的重点。目前，比较有效的改善AZ31镁合金组织和性能的方法主要有微合金化、固溶-大应变-后续热处理、连续变断面循环挤压、正挤压和退火工艺等。2.微合金化镁由于其自身结构的特点，使其塑性变形能力差，根据Hall-Petch公式：s=0+Kd-1/2，可知，减小合金的晶粒尺寸，对于提高强度、改善塑性是很有帮助的。因此，在合金中加入适量的元素来细化晶粒，可改善性能。研究表明，Sr元素的加入能够显著的起到细化晶粒的效果3,4。2.1对组织的影响 在AZ31合金中加入Sr后发，晶粒细化，晶界上的Mg17Al12相由连

6、续网状的形态变为不连续的粒状和棒状，同时还有针状的Mg20Al20Mn5Sr以及岛屿状的Mg16（Al，Zn）2Sr2。这是应为在平衡条件下，Sr在-Mg中的溶解度大概是0.11%。AZ31合金的固化过程如下：先是Al-Mn相的形成，接着是初生-Mg形成，然后是共晶反应（-MgMg17Al12）最后是富Zn的金属间化合物相的沉积。对于那些含Sr量少于0.1%的合金（大约是-Mg中的溶解度），Sr在-Mg晶粒形成之前与金属间化合物Al-Mn在液态镁中反映形成针状的Mg20Al20Mn5Sr相。然而对于那些含Sr量超过0.1%的合金，过剩的Sr（超过它的溶解度）将与Al和Zn反应生成Mg16(Al

7、，Zn)2Sr相而不是通常在Mg-Al基合金中所观察到的Al-Mg相。在经过C孕育处理后再添加0.005%0.03%Sr,发现Sr能进一步细化合金3,4,5。Sr细化晶粒的机制至今还没有确定，目前大家所能接受的有两个方面的机制：从热力学角度来说，主要是Sr的加入降低了合金液的过冷度（图1），从而细化了晶粒；从动力学的角度来讲，主要是因为Sr在Mg中的溶解度有限，过剩的Sr就在固/液界面处形成一层富Sr膜，破坏晶粒的表面或晶粒生长方向，从而限制了晶粒的长大，起到细化晶粒的作用12。2.2对性能的影响2.2.1对力学性能的影响Sr对屈服强度的影响与合金中晶粒尺寸的大小是一致的。好的晶粒尺寸对应着高

8、的屈服强度。然而，最大伸长率时的含Sr量0.01%并不是晶粒尺寸最小时的含Sr量0.1%。这很有可能是因为在铸造合金的微观结构中形成了大量的针状的Mg20Al20Mn5Sr颗粒。当含Sr量超过0.1%所形成的针状角状的Mg20Al20Mn5Sr和Mg16(Al,Zn)2Sr颗粒是不利于AZ31合金的伸长率的4,12。2.2.2对高温蠕变性能的影响在AZ系镁合金中,其强化相为Mg17Al12, 在凝固过程中,粗大的Mg17Al12相以离异共晶的形式呈网状沿晶界析出,因此合金的高温蠕变性能变差。但是Sr的加入使粗大的Mg17Al12相由连续网状的形态变为不连续的粒状和棒状，所以大大提高了AZ31镁

9、合金的高温蠕变性能4。图1：Sr对镁合金过冷度的影响43.固溶-大应变-后续热处理固溶-大应变-后续热处理的工艺为7：在663 K保温13 h后室温水冷。固溶处理后在液压机上进行热压缩试验，压缩温度为473 K，变形量为66%左右。将所得样品做差示扫描量热(DSC)分析，以拟定后续时效、再结晶热处理工艺温度，升温速度为5K/min，结果如图2所示。根据图2，确定后续热处理温度为393，433，473K。在热处理炉中对大应变之后的试样分别进行1 h的热处理，然后空冷。 图2：大应变样品的DSC曲线3.1对组织的影响对各个样品进行腐蚀得到如图3、4所示的晶相照片。可以看出：固溶处理的合金晶粒尺寸比

10、较粗大（图3）；变形之后镁合金中几乎全是变形组织，其内部存在着大量的孪晶（4a）；与变形态相比，经后续393 K,1 h处理后，金相组织形貌没有大的变化（4b）；后续433和473 K热处理后，合金处于再结晶状态，在433 K时晶粒较小(4c)，而在473K时晶粒较大(4d)，晶粒尺寸在13m。如图4b所示，393 K热处理之后样品的金相图片中可以看到在变形组织周围有很多细小的畸变晶粒，而在随后的处理中，随着温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大，并且存在着明显的再结晶组织7。为进一步观察组织，用扫描电镜进行观察，如图5所示。从图5a中可以看出，变形后的组织中存在着大量的孪晶，孪晶内部有亚晶，孪晶之间有

11、细小的碎晶粒(尺寸在0.51m)。从图5b、5c、5d可以看出，随着后续热处理温度的升高，晶粒呈现出明显的长大趋势。即在393 K热处理时样品只发生了回复，在433和473 K热处理过程中样品发生了再结晶，这和金相照片观察到的结果一致7,11。 图3：AZ31合金固溶处理态显微组织图4 4种状态的AZ31 OM合金显微组织图5 4种状态的AZ31合金SEM显微组织3.2对力学性能的影响AZ31镁合金经大应变和后续393 K热处理之后试样相对于固溶处理试样，其硬度分别提高了27%和34.5%。显微硬度达到了737.6 MPa7。对于AZ31镁合金而言，室温下进行拉伸试验时，经过不同处理的试样在拉

12、伸过程中均未发现明显颈缩现象。AZ31合金的拉伸曲线如图6所示。可以看出，固溶之后样品的屈服强度约260 MPa，大应变之后样品的屈服强度达到330 MPa，在随后的处理中，以393K热处理之后的样品屈服强度最高，达到370 MPa，而433和473 K热处理之后样品的屈服强度则随处理温度的升高而下降，塑性却有所升高。这个结论和硬度的变化是相对应的7,11。 图6：AZ31镁合金的拉伸性能4.正挤压正挤压是把AZ31铸棒加工成直径分别为67 mm和89 mm的坯料，将两种不同直径坯料分别在250,300,350,400和450下进行挤压,挤压后试样的直径均为15 mm,即两种坯料的挤压比分别为

13、20和35 8, 9 。4.1对组织的影响从图7可以看出,铸态AZ31镁合金晶粒平均大小约为50m,组织中存在着比较多的沿晶分布的粗大合金相,同时在晶界和枝晶间还有少量的第二相Mg17Al12。铸态AZ31镁合金在挤压过程中发生了动态再结晶,晶粒比挤压前明显细化。但第二相较多,组织不均匀,可以明显看出第二相在沿挤压方向被挤压,形成热加工流线。挤压所得试样没有发现裂纹,说明不经均匀化处理的铸态AZ31镁合金具有较好的塑性,可直接进行挤压变形。8, 9, 10 a:挤压前 b：挤压后 图7铸态AZ31镁合金挤压前后微观组织经过挤压变形,铸态AZ31镁合金的塑性明显提高,这主要是由于铸态组织是粗大的

14、树枝状晶,而AZ31镁合金热变形过程中,发生了动态再结晶,得到晶粒细小的等轴晶。通过控制挤压工艺,可以获得尺寸晶粒小于10m的细晶组织。细晶组织在提高合金强度同时,也提高了合金的塑性。9 4.2对性能的影响经检测,铸态AZ31镁合金的抗拉强度为250N/mm2、伸长率为6.5%。从图8可以看出,铸态AZ31镁合金挤压后最低抗拉强度为305 N/mm2,比挤压前提高了22%。随挤压温度的升高,抗拉强度先降低后升高,然后大幅度降低。在250至350范围内挤压所得试样的抗拉强度较高,高于350挤压所得试样的抗拉强度大幅度降低。8, 9, 10从图9可以看出,挤压后试样的最小伸长率为13%,比挤压前提

15、高了100%以上。伸长率提高幅度比抗拉强度提高的幅度大,挤压温度对挤压后试样的伸长率影响较小。8, 9, 10从图8和图9可以看出,随挤压比增加,挤压后试样的伸长率和抗拉强度明显升高。低温和大塑性变形可明显改善铸态AZ31镁合金的力学性能。8, 9, 10 图8挤压温度对挤压试样抗拉强度的影响 图9挤压温度对挤压试样伸长率的影响5.退火工艺5.1对组织的影响AZ31镁合金轧制板材退火前的金相组织见图10。可以看出，这个时候镁合金板以变形组织为主。图11为不同温度、不同时间下AZ31镁合金轧制板材退火后的金相组织。从中可以看出, 200退火处理1 h后,轧制板材的微观组织以不规则的大晶粒为主,与

16、原始组织相比可以看到明显的晶界,并且在大晶粒之间可以观察到一些细小的晶粒。这说明在200退火处理1 h后,AZ31镁合金轧制板材已经开始静态再结晶,但是由于温度较低,再结晶进行得比较缓慢,那些细小晶粒为静态再结晶组织。当退火处理温度为250时, 0. 5 h后已经可以观察到明显的静态再结晶组织,细小的静态再结晶晶粒正逐步蚕食原始粗晶粒,但由于时间较短,静态再结晶进行得不够完全,仍然存在锯齿状的原始粗晶粒。1 h后,静态再结晶组织基本吞噬了所有的原始晶粒组织,此时晶粒达到最小。随着退火温度的升高,完成再结晶所需时间越来越短, 400时, 5min后就已经基本完成了再结晶过程, 0. 5 h后,晶

17、粒出现异常长大, 1. 5 h后,部分区域出现超大晶粒组织。3, 11 （a）低倍组织 （b）高倍组织 图10 AZ31镁合金板退火前的金相组织 （a）200，1h （b）250，0.5h （c）250，1h （d）400，5min （e）400，1h （f）400，1.5h图11 镁合金板退火后的金相组织5.2对性能的影响图12为退火工艺对镁合金硬度的影响规律。从中可以看出,硬度值随退火时间的变化不敏感。在200250温度区间,退火处理后材料的硬度值随温度升高迅速下降，说明这一温度区间发生了静态再结晶。250350温度区间,硬度值随温度升高下降不明显,这主要是因为随着温度的升高,完成再结晶所

18、需时间越来越短。11 不同退火温度、不同退火时间下合金板材的拉伸力学性能见表1。由表1可见,经过退火处理后,AZ31镁合金轧制板材的屈服强度和抗拉强度均有所降低,伸长率稍有提高。在相同的退火处理时间下,随着退火温度的提高,合金的强度有所下降, 350退火处理2 h后,降至最低,屈服强度仅为72. 8 MPa,与轧制态相比,降幅达37. 1%,而合金的塑性随退火温度的提高呈增长趋势,但总的来说变化不大。11表1：不同退火温度、不同退火时间下合金的力学性能状态0.2MPabMPa/%原始态115.8118.437.7250，2h退火91.3109.041.2300，0.5h退火79.4103.04

19、0.3300，2h退火77.899.541.9300，10h退火87.4106.040.0350，0.5h退火76.599.249.5350，2h退火72.896.943.3350，10h退火92.5113.839.4 图12硬度值随温度的变化曲线6.结语AZ31镁合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀综合性能,而且价格较低,因此是最常用的合金之一,AZ31镁合金的典型室温力学性能如表2所示。AZ31镁合金主要通过轧制、挤压和锻造等变形方式加工成形,制成各类棒、杆、型材和管材。3表2：挤压后AZ31镁合金的典型室温力学性能 MPa产品状态抗拉强度拉伸屈服强度压缩屈服强度伸长率/%杆、棒及型材F260

20、195200951051417管F2501658512AZ31变形镁合金同时具有良好的强度和延展性，这主要通过控制轧制、挤压或锻造以及向室温冷却时退火或伴生退火效应保留了部分加工硬化。在镁中添加铝和锌可以产生固溶强化和晶粒细化的效果。3晶粒细化是提高镁合金加工和使用性能的重要途径,通过晶粒细化可改善它的塑性成形和减振能力,提高抗拉强度,所以对镁合金进行晶粒细化有着非常重要的意义。材料的屈服强度与晶粒大小存在着函数关系,也就是Hall-Petch公式2：s=0+Kd-1/2。K值随泰勒系数的增加而增加,通常泰勒系数取决于滑移系的多少。由于镁是密排六方结构,因此其K值比较大。镁合金晶粒的大小对屈服

21、强度的影响比铁合金和铝合金的都大13。AZ31镁合金有着许多独特的优点,已经广泛地应用于航空航天、汽车、3C等领域。但是它的某些缺点也限制了AZ31镁合金的应用,使得它的潜力远远没有完全发挥。如何使其性能得到充分应用，国内外学者对此注入大量心血。目前有一些比较成熟的细化晶粒、改善组织、提高性能的方法。例如：微合金化、固溶-大应变-后续热处理、正挤压以及退火工艺等。下一步我们要做的就是继续加大AZ31基础性能的研究，降低成本，扩大AZ31的应用范围，使这些细化组织提高性能的技术完全商业化，推动我国镁合金的应用及相关工业的发展。参考文献1N.V.RaviKumar,J.J.Blandin,C.De

22、srayaud, F.Montheillet, and M.Suery:Mater.Sci.Engin., 2003, vol.359A, pp.150-57.3 赵浩峰，刘红梅，张永忠，范晋平，蔚晓嘉，郝兴明.镁合金晶粒细化的研究J.轻合金加工技术，2004,(02)4 王慧源,刘生发,徐萍,黄尚宇.锶在镁及其合金中的作用J.铸造，2005,(11)5 白晶，孙扬善，强立峰，诸天柏.锶和钙在镁_铝系合金中的应用及研究进展J.铸造，2006,(01)6 陈刚，彭晓东，刘相果，周书才. 镁锶合金的制备及其应用J.中国铸造装备与技术，2005,(06)7 程晓农，汝金明，莫纪平，许晓静. 固溶_大

23、应变_后续热处理态AZ31镁合金的组织和性能J.稀有金属材料与工程，2009,(11)8 梁书锦，王欣，刘祖岩，王尔德.AZ31镁合金不同温度挤压后组织性能研究J.稀有金属材料与工程，2009,(07)9 张宝红，张治民，李大旭.正挤压对铸态AZ31镁合金组织与性能的影响J.轻合金加工技术，2009,(10)10 钟皓，张慧，翁文凭，陈琦，詹志强，闫蕴琪.热挤压工艺对AZ31镁合金组织与力学性能的影响J.金属热处理,2006,(08)11 退火工艺对AZ31镁合金组织与性能的影响.退火工艺对AZ31镁合金组织与性能的影响J.特种铸造及有色合金，2006,(10)12 胡文波,薛烽,陈宇平,孙扬善.Ca_Sr_Sb对镁铸锭组织的细化作用J.热加工工艺，2005,(11)13 谢春晓,陈丙璇,刘凯.AZ31变形镁合金的研究与开发J.金属世界，2006,(02)