AL含量對(duì)鋁合金性能的影響

1、AL 含量對(duì)鋁合金性能的影響引言鎂及鎂合金由于具有低密度、 高比強(qiáng)度和比剛度以及優(yōu)異的阻尼性能， 在航空、 汽車(chē)及國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景：1 -4,其中鎂鋁系合金是應(yīng)用最為廣泛的鎂合金系列。Sh e n g等5 在快速凝固/粉末冶金A Z 9 1合金中參加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %的硅，擠壓后該合金在室溫下的屈服強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為3 2 2. 47MPa, 4 2 9. 7 8MPa和6. 4%Yan等6通過(guò)燒結(jié)鎂粉、鋁粉和鈦粉成功地制備出了 M g 25 % A 1 3Tl體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度分別為純鎂的1 . 5倍、AZ 3 1合金的1 . 3倍，而且原位生成的A 13

2、Tl顆粒與基體的界面潔凈，不存在氧化物。沈平等7 采用機(jī)械合金化法制備了鎂鋯粉末冶金材料， 發(fā)現(xiàn)在鎂中添加少量鋯后燒結(jié)態(tài)組織演變?yōu)闂l帶狀結(jié)構(gòu)， 同時(shí)在晶界及晶內(nèi)出現(xiàn)點(diǎn)狀顆粒， 其抗彎強(qiáng)度、 硬度隨著鋯含量的增加而提高。鋯在鎂中的溶解度很小， 其晶體結(jié)構(gòu)與鎂接近， 因此有利于鎂合金組織的細(xì)化和性能的提高，但在鑄造鎂鋁合金中參加錯(cuò)元素后其會(huì)與鋁生成穩(wěn)定的硬質(zhì)相8 - 9,使得錯(cuò)在鑄造鎂合金中失去細(xì)化作用， 因此一般不向鑄造鎂鋁合金中添加鋯元素。 目前對(duì)鎂鋁鋯合金的研究報(bào)道較少。 然而粉末冶金的制備過(guò)程中不需要經(jīng)過(guò)全熔的高溫狀態(tài)， 因此， 可以用來(lái)制備鎂鋁錯(cuò)合金，為此，作者采用粉末冶金技術(shù)制備了 M

3、 g xAl 1. 5Zrx=0, 2, 4,6,8,質(zhì)量分?jǐn)?shù)%,下同合金，并研究了鋁含量對(duì)該合金顯微組織和力學(xué)性能的影 響。1試樣制備與試驗(yàn)方法試驗(yàn)原料有純鎂粉純度大于9 9%,粒徑為74純鋁粉純度大于99%,粒徑為4 3皿1和純錯(cuò)粉純度大于9 9. 7 %,粒徑為74 陷!，按照M g - x A 1 - 1 . 5 Zrx = 0%, 2%, 4%, 6%, 8 %配比稱(chēng)出原料粉。原料粉的混合過(guò)程在QM 1 S P 4型行星式球磨機(jī)中進(jìn)行，球料質(zhì)量比為4：1 ,球磨轉(zhuǎn)速為2 0 0 r m i n - 1 ,球磨時(shí)間為1 ho球磨后的粉體采用普通雙向壓制冷壓成形，壓力為3 5 OMP a

4、o 所有壓坯于5 5 0 燒結(jié)4 h ,整個(gè)燒結(jié)過(guò)程用僦氣純度為9 9.9%保護(hù)，按鋁含量不同分 別標(biāo)記為 M g 1. 5Zr, Mg-2A1-1. 5Zr, Mg-4A1-1. 5Zr,Mg 6A1 1. 5Zr, Mg-8A1-1. 5Zr合金。燒結(jié)后的試樣經(jīng)過(guò)拋光后采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %的硝酸酒精腐蝕，并于MM 6型光學(xué)顯微鏡下觀察組織形貌；在H X S 1 0 0 0 A型顯微維氏硬度計(jì)上進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為2 N,加載時(shí)間為15s,結(jié)果取5點(diǎn)的平均值； 抗彎性能測(cè)試在C S S- 2 2 0 2型電子萬(wàn)能試驗(yàn) 機(jī)上進(jìn)行，跨距為14. 8mm,壓頭加載速率為0.1mm,s - 1 ;采

5、用B r u k e rD8Advance型X射線衍射儀X R D,銅靶進(jìn)行物相分析；采用F E I Quan t a 2 0。型掃描電鏡S EM觀察斷口和組織形貌。2試驗(yàn)結(jié)果與討論由圖1可見(jiàn)，參加鋁后的鎂錯(cuò)合金粉在燒結(jié)后形成了3M g 1 7Ali 2相。與鑄造法不同的是錯(cuò)并未與鋁形成穩(wěn)定化合物，依然以單質(zhì)形式存在。同時(shí)還檢測(cè)到了少量的MgO, 它們的存在主要由于初始粉體顆粒外表的氧化。2 . 2顯微組織由圖2并結(jié)合X RD譜可知，鎂鋁錯(cuò)合金的組織主要由aMg基體、錯(cuò)顆粒、3-Mg 17Ali 2相的組成， 并存在一些微小的孔洞。 圖2中的淺灰色局部即為鎂基體，呈不規(guī)那么狀，黑色局部為孔隙；

6、隨著鋁含量的增加，合金中鎂晶粒無(wú)明顯變化，孔洞有所減少。由 鎂-鋁二元相圖可知，5 5 0:下制備的合金不會(huì)出現(xiàn)液相，然而在鎂-鋁顆粒的接觸面處將會(huì)發(fā)生初熔10,隨著液相的產(chǎn)生，粉體顆粒發(fā)生滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及重新排列，粉體間 的孔隙被熔液填充。 因此，隨著鋁含量的增加，燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的初熔液相增加，合金中的孔隙 數(shù)量和大小也隨之降低，最終使得合金組織趨于均勻化。根據(jù)圖1可知，燒結(jié)期間錯(cuò)顆粒并未與合金中的鎂、鋁元素發(fā)生反應(yīng)。這些燒結(jié)期間存在的顆粒物將有效地抑制基體晶粒的長(zhǎng)大，起到了強(qiáng)化作用：1 1 - 1 2,因此錯(cuò)顆粒的存在有助于組織細(xì)化以及力學(xué)性能的提高。由圖2f可見(jiàn)，晶界處分布的錯(cuò)顆粒與鎂晶粒結(jié)合

7、良好且界面無(wú)反應(yīng)生成物。 鎂與鋁在燒結(jié)期間生成了 3M g 1 7Ali 2相，如圖2 f 箭頭所指，它們主要分布在鎂晶粒的晶界處，并且其含量隨著鋁含量的增加而增多。由圖3可見(jiàn)，Mg 8 A 1 1. 5 Z r合金中的灰色局部為鎂基體，晶界處的白亮局部為錯(cuò)顆粒。鎂晶粒晶界處存在局部鋁元素與鎂基體生成的Mg 17Ali 2相。從圖3b 發(fā)現(xiàn)，鎂晶粒內(nèi)部也存在著少量鋁元素，這說(shuō)明燒結(jié)期間鎂粉與鋁粉已經(jīng)充分地?cái)U(kuò)散。2 . 3硬度和彎曲性能由圖4可見(jiàn)，當(dāng)合金中不添加鋁元素時(shí)，其硬度和抗彎強(qiáng)度僅為42.6HV和146Mpa,是五種合金中最低的。隨著鋁含量的升高，合金的硬度和抗彎強(qiáng)度顯著提高。Mg- 6

8、A 1 - 1 . 5 Z r合金的硬度和抗彎強(qiáng)度分別提高了 8 7. 1 %和5 3 . 4 %,到達(dá)了最高 的79. 7HV和224MPa。 然而隨著鋁元素的進(jìn)一步增加，其硬度以及抗彎強(qiáng)度稍有降低，但依然高于Mg 4 A 1 1 . 5Zr合金的。由圖2可知，鋁元素的參加引起了合 金顯微組織趨于均勻化， 這使得合金的硬度因鋁的參加而得到了提高。由圖3可知，參加合金中的鋁元素除了與鎂生成3Mg 1 7Ali 2以外，還有局部固溶到鎂基體中。因此，鎂基體中所固溶的鋁元素起到了固溶強(qiáng)化的作用12,固溶強(qiáng)化也在一定程度上提高了強(qiáng)度。但是隨著鋁元素繼續(xù)增加到8 %時(shí)，3-Mg 17Ali 2相的含量

9、過(guò)高并割裂了基體，且其硬度僅為93102HV13,抗彎強(qiáng)度也有一定程度的降低。4斷口形貌由圖5可見(jiàn)，Mg 1.5 Z r合金和Mg 6 A 1 1 .5 Z r合金的斷裂形式均為穿晶斷裂。由于鎂基體晶界處孔洞、錯(cuò)顆粒以及 3Mg 1 7 Al 2相的存在，降低了鎂晶粒之 間的結(jié)合力。因此當(dāng)施加外力時(shí)， 鎂晶粒便趨于別離而產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展使得合金最終發(fā)生斷裂1415。在圖5 b中可以清楚地觀察到一些微小的解理面， 呈準(zhǔn)解理的特征，這是脆性斷裂的標(biāo)志。由此可知M g-6 A 1 - 1 .5 Z r合金的強(qiáng)度很高，但其塑性較差。3結(jié)論1采用粉末冶金工藝制備的鎂鋁鑄合金組織主要有a-Mg基體、錯(cuò)顆粒、 3-Mg 17Ali 2相，并存有在一些微小的孔洞； 隨著鋁