挤压次数对Mg-Zn-Zr-Re合金组织和性能的影响

张振栋¹，刘楚明¹，常亚喆^{1, 2}，李慧中¹，王  荣³，周海涛¹

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中国空空导弹研究院，河南 洛阳，471009；

3. 中国兵器科学研究院 宁波分院，浙江 宁波，315103 )

摘  要：研究一次与二次挤压变形对添加稀土元素Nd和Y的ZK60镁合金显微组织及力学性能的影响。对加稀土元素Nd和Y的ZK60镁合金在5 MN立式挤压机上进行一次与二次挤压，并在国产CSS-44100电子万能拉伸机上进行拉伸试验，采用光学显微镜观察其铸态与变形态显微组织，并在KYKY-2800扫描电镜上观察断口形貌。研究结果表明：经一次挤压后，加入稀土Nd和Y后ZK60镁合金发生动态再结晶晶粒细化，力学性能显著提    高，但伸长率较低(在10%以下)；经二次挤压后，在不显著降低合金强度的条件下，其塑性得到明显提高(均在10%以上)。

关键词：镁合金；挤压；二次挤压；第二相

中图分类号：TG146.2         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2008)02-0228-06

Effect of number of extrusion times on microstructure and properties of Mg-Zn-Zr-Re alloys

ZHANG Zhen-dong¹, LIU Chu-ming¹, CHANG Ya-zhe^{1, 2}, LI Hui-zhong¹, WANG Rong³, ZHOU Hai-tao¹

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China;

3. Ningbo Branch of Ordnance Science Institute of China, Ningbo 315103, China)

Abstract: The effects of single and double extrusion processes on microstructure and properties of ZK60 alloys added with Nd and Y were investigated. The single and double extrusions of ZK60 alloys added with Nd and Y were extruded on 5 MN vertical extruding machine and the specimens were tested on CSS universal electronic material testing machine. The microstructures of as-cast and as extruded specimens were analyzed by an optic microscopy and the fractographs of specimens were analyzed with the KYKY-2800 scanning electron microscope. The results show that after hot extrusion the alloy added with Nd and Y is greatly refined through dynamic recrystallization, and its tensile strength is improved, but its elongation is low and below 10%. The double extrusion can improve the alloys’ plasticity, the elongation is beyond 10%, and the strength is not obviously descended.

Key words：magnesium alloy; extrusion; double extrusion; the second phase

镁合金具有密度低，比强度和比刚度高，阻尼性能好，电磁屏蔽效果优异及易回收利用等优点，在电子、电器、交通、航空、航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为21世纪最具发展前途的金属结构材料^[1-3]。但是，由于镁具有密排六方(hcp)

的晶体结构，可开动的滑移系比面心立方(fcc)和体心立方(bcc)的少，因而镁合金的室温塑性较低，限制了镁合金的推广应用^[4-5]。ZK60镁合金作为Mg-Zn-Zr系变形镁合金的典型代表，具有较高强度，良好的塑性和耐蚀性能，应用范围较广，但与其他合金相比也存在室温力学性能较低等缺点^[6]。因此，为了提高ZK60镁合金的强度，许多研究者在ZK60镁合金中添加稀土合金元素Nd和Y^[7-8]。如A. Singh等^[9-10]研究稀土Y对ZK60镁合金组织和力学性能的影响，指出稀土元素Y可在ZK60镁合金中形成Mg₃Zn₂Y(W相)和Mg₃Zn₆Y相(I相)，这些相具有较高硬度，良好的耐热性、耐腐蚀性能，较低的界面能，从而大大提高镁合金的室温和高温强度，但合金的伸长率较低^[9-13]。

然而，目前镁合金力学性能仍不高，为了提高镁合金的力学性能，本文作者主要研究挤压次数对添加稀土元素Nd和Y的ZK60镁合金显微组织及力学性能的影响。

1  实  验

1.1  合金的制备

采用纯Mg、纯Zn和Mg-Zr，Mg-Nd，Mg-Y中间合金制备的实验合金，合金在电阻炉中进行熔   炼，采用SF₆和CO₂气体进行保护。合金的化学成分如表1 所示。

表1  合金化学成分

Table 1  Chemical composition of alloy     w/%

1.2  挤压工艺

挤压前铸锭用感应炉加热，在5 MN立式挤压机上挤压，用石墨油润滑剂润滑。一次挤压的温度为  613 K，挤压比为20，挤压速度为0.5~2.0 m/min，挤压后空冷至室温。在CSS电子万能拉伸试验机上进行拉伸实验。

对合金B和合金C进行二次挤压，先将合金的直径从90 mm挤至32 mm，二次挤压前要对合金进行充分加热保温，保温时间为4 h，挤压比为10。

1.3  材料表征方法

合金显微组织采用Polyva-MET金相显微镜观察，用60 mL乙二醇+20 mL醋酸+19 mL蒸馏水+1 mL浓硝酸作浸蚀剂。在D/MAS-ⅢA X射线衍射仪上进行相分析。拉伸试验在国产CSS-44100电子万能拉伸机上进行，拉伸试样断口在KYKY-2800扫描电镜下观察断口形貌。

2  结果及分析

2.1  铸态显微组织分析

图1所示为合金的铸态显微组织。从图1可以看出，添加稀土元素Nd和Y后，合金的显微组织发生了显著的变化。随着稀土元素的加入，合金的晶粒粒径明显细化。其中ZK60镁合金的原始晶粒粒径约为90 μm，添加稀土元素Nd后，其晶粒粒径约为60 μm，同时加入Nd和Y后合金的晶粒粒径减小到约40 μm。由图1还可以看出，随着稀土元素的加入，合金中第二相逐渐增加，在晶内晶界处均有分布，以晶界处第二相较多。经过X射线衍射分析可知，在合金A中，只存在着α-Mg和MgZn₂ 2种相，而在合金B中，添加稀土元素Nd，除了存在α-Mg和MgZn₂，还形成了Mg₄₁Nd₅第二相。在合金C中，稀土元素Y与Mg和Zn分别形成了W(Mg₃Zn₂Y)相和准晶I(Mg₃Zn₆Y)相。

(a), (b) 合金A; (c), (d) 合金B; (e), (f) 合金C

图1  合金铸态组织和 X射线衍射图谱

Fig.1  Microstructures in as-cast alloys and XRD patterns of tested alloys

2.2  力学性能分析

图2所示为合金挤压态显微组织形貌。从图2可以看出，合金在热挤压过程中发生了明显的动态再结晶，在未添加稀土元素的ZK60合金中再结晶晶粒明显长大，长大的晶粒粒径有的可达到20 μm左右。在添加了稀土元素Nd和Y的合金中再结晶晶粒并未长大，这是由于稀土元素的加入，形成多种耐热稀土相，提高了合金的再结晶温度。合金B和合金C经挤压后晶粒细化明显，且合金B晶粒粒径可达到5 μm左右，合金C晶粒粒径可到达4 μm左右。这一方面是由于稀土元素Nd和Y具有晶粒细化作用，另一方面，Nd和Y可以与Mg形成的多种耐热相(Mg₄₁Nd₅、W(Mg₃Zn₂Y)相和准晶I(Mg₃Zn₆Y)相)可以阻碍在热变形过程中再结晶晶粒的长大。同时，从图中还可以看出，与一次挤压相比，二次挤压后，合金晶粒更加细小，合金C晶粒粒径可达到3 μm左右。细小的晶粒有利于提高合金的抗拉强度和伸长率。

(a) 合金A一次挤压组织(横向)；(b) 合金A一次挤压组织(纵向)；(c) 合金B一次挤压组织；(d) 合金B二次挤压组织；(e) 合金C一次挤压组织；(f) 合金C二次挤压组织

图2  合金挤压态组织

Fig.2  Microstructures of as-extruded alloys

图3所示为合金力学性能图。从图3可以看出，

加入稀土元素Nd和Y后，经挤压变形后，与ZK60镁合金相比，合金B和C的抗拉强度和屈服强度明显提高，这是由于合金中加入稀土元素后，晶粒明显细化，由Hall-Petch公式可知^[7]

K为常数；d为晶粒粒径。可知，材料晶粒得到细化，其屈服强度提高，相应的抗拉强度也得到明显提高。合金B和C经挤压后发生动态再结晶，晶粒明显细化，与ZK60镁合金相比晶粒细化明显，因此，其强度比ZK60镁合金的高。此外，合金中加入稀土元素Nd和Y后，合金中含有大量的第二相，对合金有较强的第二相弥散强化作用。

(a) 一次挤压；(b) 二次挤压

图3  试验合金的力学性能

Fig.3  Tensile properties of tested alloys

从图3还可以看出，与一次挤压相比，二次挤压对合金强度的提高并不明显，但伸长率却大幅度提高。二次挤压后合金的伸长率均在10%以上。这是由于合金经过二次挤压后，晶粒细化更明显，晶界总面积增加，阻碍裂纹扩展的能力增强，且使晶界上杂质浓度降低，避免产生沿晶脆性断裂。从图2还可以看    出，经二次挤压后，再结晶较完全，使晶粒细化，晶粒粒径均匀，合金变形趋于均匀、协调；且经过二次挤压后，第二相分布比较弥散，未在晶界处大量聚集，使得在晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中，从而避免脆性断裂。

根据脆性塑性断裂转变理论，晶粒粒径d与塑性脆性转变有如下关系^[14-15]：

式中等号表示塑性脆性转变的条件，大于号表示呈脆性断裂。可见，合金经过二次挤压后，使得晶粒粒径明显减小，这有利于合金断裂方式向韧性断裂转变。

挤压态合金的断口形貌扫描图如图4所示。可以看出，经一次挤压后，合金的断裂方式接近解理断裂。图4(a)所示为合金A断口形貌，断口内部存在少量韧窝，韧窝之间存在着明显的撕裂棱；图4(b)和4(c)所示分别为合金B和合金C经一次挤压后的断口形貌，断口内部存在更少的韧窝，撕裂棱的数目明显增多。在韧窝内部存在着开裂的第二相粒子。如前所述，这些第二相粒子可能为Mg₄₁Nd₅和W(Mg₃Zn₂Y)相或准晶I(Mg₃Zn₆Y)，且多分布在晶界上。在塑性变形时，在颗粒与基体的边界上造成位错塞积，从而产生应力集中，当应力达到一定程度时，在部分颗粒-基体边界发生孔隙，产生微细裂纹，随着应力的增加，这些细裂纹不断长大， 裂纹尖端应力不断增加，当裂纹尖端附近区域内的应力超过材料的断裂强度后，基体发生局部断裂，所以材料的强度得到提高的同时，塑性会有所降低。

图4(d)和4(e)所示分别为合金B和合金C二次挤压后的断口形貌扫描图。从图4(d)和4(e)可以看出，二次挤压后合金的断口中存在大量韧窝，窝间存在少量撕裂棱，且韧窝直径明显增大，合金断裂方式接近于韧性断裂。此外，在韧窝中第二相粒子含量减少。这是由于合金经二次挤压后，第二相粒子分布比较弥散，未在晶界处聚集(见图2(d)和2(f))，从而降低了应力集中，合金变形趋于均匀，从而合金的塑性得到明显提高。

(a) 合金A一次挤压断口形貌；(b) 合金B一次挤压断口形貌；(c) 合金C一次挤压断口形貌；(d) 合金B二次挤压断口形貌；(e) 合金C二次挤压断口形貌

图4  试验合金的断口形貌

Fig.4  Fractographs of tensile fracture of tested alloy

3  结  论

a. 在ZK60镁合金中，添加稀土元素Nd和Y后，铸态晶粒明显细化。在合金B中，形成Mg₄₁Nd₅第二相。在合金C中，稀土元素Y与Mg和Zn分别形成了W(Mg₃Zn₂Y)相和准晶I(Mg₃Zn₆Y)相。

b. 合金经过一次挤压后，添加稀土元素Nd和Y的合金B和合金C发生动态再结晶，晶粒明显细化，强度明显提高，但伸长率较低，均在10%以下，合金断裂方式为脆性断裂。

c. 合金经过二次挤压后，添加稀土元素Nd和Y的合金B和合金C发生动态再结晶，与一次挤压相比合金晶粒细化更为明显，强度略有降低，但塑性明显提高，伸长率均在10%以上。合金断裂方式为韧性   断裂。

参考文献：

[1] Mordike B T, Ebert T. Magnesium properties applications potential [J]. Mater Sci Eng A, 2001, 302: 37-45.

[2] Aghion E, Bronfin B. Magnesium alloys development towards the 21st century[J]. Mater Sci Forum, 2000, 350: 19-28.

[3] LIU Chu-ming, LIU Zi-juan, ZHU Xiu-rong. Influence of isochronal heat treatment on damping behavior of AZ61 alloy[J]. Journal of Central South University of Technology, 2007, 14(3): 315-318.

[4] 刘 正, 张 奎, 曾小勤. 镁基轻质合金理论基础及其应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

LIU Zheng, ZHANG Kui, ZENG Xiao-qin. The theoretical basis and application of magnesium based light weight alloy[M]. Beijing: China Machine Press, 2002.

[5] 刘饶川, 汪凌云, 辜蕾钢. AZ31B镁合金板材退火工艺及晶粒尺寸模型的研究[J]. 轻合金加工技术, 2004, 32(2): 22-25.
LIU Rao-chuan, WANG Ling-yun, GU Lei-gang. Study on annealing technique for wrought magnesium alloy plate and modeling research on the changing law of its grain size[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2004, 32(2): 22-25.

[6] 麻彦龙, 左汝林. 钇对铸态ZK60镁合金晶界析出相形态的影响[J]. 重庆大学学报: 自然科学版, 2005, 28(2): 51-54.

MA Yan-long, ZUO Ru-ling. Effect of yttrium on morphologies of precipitation phases along grain boundary of as-cast ZK60 magnesium alloy[J]. Journal of Chongqing University: Natural Science Edition, 2005, 28(2): 51-54.

[7] 王 斌, 易丹青. 稀土元素Y和Nd对Mg-Zn-Zr系合金组织和性能的影响[J]. 金属热处理, 2005, 30(7): 9-13.
WANG Bin, YI Dan-qing. Influence of Y and Nd on Microstructure and Properties of Mg-Zn-Zr alloys[J]. Heat Treatment of Metals, 2005, 30(7): 9-13.

[8] MA Chun-jiang, LIU Man-ping, WU Guo-hua. Tensile properties of extruded ZK60-RE alloys[J]. Mater Sci Eng A, 2003, 349: 207-212.

[9] Singh A, Nakamura M, Watanabe M. Quasicrystal strengthened Mg-Zn-Y alloys by extrusion[J]. Scripta Materialia, 2003, 49: 417-422.

[10] ZHANG Ya, ZENG Xiao-qin, LIU Liu-fa, et al. Effects of yttrium on microstructure and mechanical properties of hot-extruded Mg-Zn-Y-Zr alloys[J]. Mater Sci Eng A, 2004, 373: 320-327.

[11] 张新明, 彭卓凯, 陈健美, 等. 耐热镁合金及其研究进展[J]. 中国有色金属学报, 2004, 14(9): 1443-1450.

ZHANG Xin-ming, PENG Zhou-kai, CHEN Jian-mei, et al. Heat-resistant magnesium alloys and their development[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(9): 1143-1450.

[12] Bae D H, Lee M H, Kim K T. Application of quasicrystalline particles as a strengthening phase in Mg-Zn-Y alloyes[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 342: 445-450.

[13] Yi S, Park E S, Ok J B. (Icosahedral phase+α-Mg) two phase microstructure in the Mg-Zn-Y ternary system[J]. Mater Sci Eng A, 2001, 300: 312-315.

[14] 张新明, 石其年. 二次挤压对Al-Li合金挤压织构及力学性能的影响[J]. 中南矿冶学院学报, 1991, 22(2): 174-183.

ZHANG Xin-ming, SHI Qi-nian. Effect of double extrusion processes on extrusion texture and properties of Al-Li alloy[J]. Journal of Central-South Institute of Mining and Metallurgy, 1991, 22(2): 174-183.

[15] 石其年. 二次挤压对Al-Li合金组织及性能的影响[J]. 热加工工艺, 2006, 35(8): 34-39.

SHI Qi-nian. Effect of double extrusion processes on microstructure and properties of Al-Li alloy[J]. Hot Working Technology, 2006, 35(8): 34-39.

收稿日期：2007-06-29；修回日期：2007-08-08

基金项目：国防科工委资助项目(2006年)

通信作者：刘楚明(1960-)，男，湖南张家界人，教授，从事镁合金材料性能、组织及加工工艺研究；电话：0731-8877502；E-mail: cmliu@mail.csu.edu.cn