稀有金属 2012,36(04),659-664

退火参数对ZE42镁合金热挤压板显微组织结构的影响

王忠军 范明达 朱晶 李胜利 赵晖 杨庆祥

辽宁科技大学材料与冶金学院辽宁省教育厅材料成型与组织性能控制重点实验室

燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室

摘 要：

采用光学显微镜和TEM观察等方法,分析了ZE42镁合金热挤压板材在不同退火温度和时间条件下的显微组织结构。结果表明:该合金板材经过退火热处理后均发生明显的再结晶组织转变,晶粒尺寸在10～60μm之间,合金基体中存在大量含有稀土元素的第二相颗粒,这些第二相在热变形过程中破碎成细小的颗粒,促进了再结晶晶粒的形核。当退火温度一定时,随着保温时间的延长,该合金板材的平均晶粒尺寸首先增加,随后少量减小,最后又随退火时间的增加而增加;当保温时间一定时,随着退火温度的增加,晶粒平均尺寸持续增加,并且温度越高,增长速率越大。同时,通过晶粒长大动力学分析和计算建立了该合金再结晶晶粒长大的动力学模型,通过计算可知:该合金的再结晶晶界迁移激活能为15.32 kJ·mol-1。

关键词：

ZE42;镁合金;显微组织;性能;退火;

中图分类号： TG156.2

作者简介：王忠军(1969-),男,辽宁鞍山人,博士,副教授;研究方向:先进镁合金材料制备技术(E-mail:zhongjunwang@126.com);

收稿日期：2011-12-22

基金：辽宁省教育厅高校科研计划(2008329);鞍山市科技局项目(2011MS05);辽宁省科技大学省级重点实验室开放资金资助(201113);

Effect of Annealing Parameters on Microstructures of Thermally Extruded ZE42 Magnesium Alloy Plate

Abstract：

The microstructure of extruded ZE42 alloy plate annealed at different temperature and holding time was investigated by using optical microscope and TEM.The results showed that visible recrystallization transformation occurred and recrystallized grains(10⁶0 μm) were obtained in the magnesium alloy plates after different annealing processing,and lots of second phase containing rare earth elements in alloy matrix were destroyed into small particles during thermally deformation,which stimulated the nucleation of dynamic recrystallized(DRX) grains.When the annealing temperature was constant,the average size of grains firstly grew,followed by a small decrease,and finally increased with increasing of annealing time.However,when the annealing time was constant,the average size of grains grew with increasing of annealing temperature,and the increase rate of grains increased with increasing annealing temperature.Meanwhile,the growth model of recrystallized grains was established by the dynamic analysis and calculation,and the activation energy of grain boundaries migration was calculated to be 15.32 kJ · mol-1.

Keyword：

ZE42;magnesium alloy;microstructure;properties;annealing;

Received： 2011-12-22

镁合金密度小、 强度高、 刚性好、 韧性好、 减震性强, 但高温易燃烧, 而且金属Mg属于密排六方晶体结构, 在室温下只有1个滑移面和3个滑移系, 它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作, 滑移发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶面内, 因而滑移的过程将会受到极大地限制, 而且在这种取向下孪生很难发生, 所以晶体很快就会出现脆性断裂 ^[1,2,3] 。 在室温下, Mg表面与空气中的氧发生反应, 形成疏松的氧化镁薄膜, 其致密系数仅为0.79, 耐蚀性很差。 Mg-Zn-RE系镁合金由于含有了稀土(RE)元素, 提高了该类合金的耐腐蚀性能和高温抗氧化性以及高温力学性能。 因为该类合金中还含有弥散分布的大量颗粒状的稀土相触发了合金在变形过程中晶粒的动态再结晶而显著细化合金晶粒, 提高合金强度, 同时大量细小再结晶晶粒的形成还能够弱化该类镁合金基面织构取向, 提高该类合金的室温成型性能 ^[4,5,6] 。 但过高的Zn含量(>6.0%(质量分数))会引起合金的热裂倾向以及热处理时效强度的不稳定性, 过低的Zn含量(<3.0%)会导致合金强度不能满足实际需求 ^[5,6,7,8] , 目前就中等Zn含量的Mg-Zn-RE系合金进行开发研究的文献较少。 因此本文选择了中等Zn含量, 较低RE含量的ZE42镁合金作为研究对象, 测试该合金热挤压板材及其热处理后的显微组织结构的演变, 为开发新型镁合金提供依据。

1实验

本实验采用3.0 mm厚的ZE42镁合金热挤压板材, 经过光谱分析化验可知: 该合金化学成分(%, 质量分数)为: 4.1%Zn; 1.1%Y; 0.5%Er; 0.1%Zr。 线切割热挤压板, 切成尺寸: 10.0 mm×10.0 mm×3.0 mm的小试样共108块, 分别做好编号备用。 退火温度分别为200, 250, 300, 350, 400 ℃; 各温度下分别保温15, 30, 60, 90, 120, 180, 240 min, 保温到指定时间后出炉水冷, 以便观察合金内部晶粒尺寸变化和相的形貌。 腐蚀液选用苦味酸3.0 g, 乙酸20 ml, 酒精50 ml, 蒸馏水20 ml, 试样腐蚀时间约为3～4 s, 之后再用酒精将金相表面清洗干净, 在AXiovert200MAT光学显微镜下观察合金试样横截面部位退火前、 后的显微组织。 通过Image-Pro Plus 6.0金相分析软件分别对试样的横截面的晶粒尺寸进行统计分析。 平均晶粒度的测量采用直线截距法, 实验中每个状态选取5张图片, 每张图片累计截线穿过晶粒100个以上, 对横截面进行平均晶粒尺度的测定。 取原始热挤压试样、 热挤压经退火处理(400 ℃/240 min)试样制备TEM薄膜试样, 在TenuPol-5双喷电解减薄仪上进行减薄, 双喷液的配方为5%的硝酸甲醇溶液, 电压选为18 V, 温度为-40 ℃。 将处理好的试样放置在JEM-2021上, 观察显微组织结构, 包括位错的形态和数量, 稀土相的位置、 形貌及数量等, 并对其典型组织和衍射花样进行拍照记录, 加速电压为200 kV。 同时, 选取典型区域进行EDS能谱分析。

2结果与讨论

2.1 微观组织结构 在相同的保温时间60 min, 不同的退火温度下, 所获得金相显微组织如图1所示。 由图1可知, 该合金在不同退火温度下保温60 min后均发生了明显的再结晶组织转变, 经过200 ℃退火 60 min后的晶粒较为细小, 当退火温度提高到350和400 ℃时, 其再结晶晶粒明显长大, 且晶界较为平直。 由图1还可以隐约看见晶粒中存在许多细小腐蚀点, 可能为第二相, 在金相显微镜下不明显, 需要做进一步观察和分析。 由图1分析可得, 保温时间为60 min时, 随着退火温度从200～400 ℃的升高, 晶粒尺寸的变化是逐渐增大。

在相同的热处理温度350 ℃下, 不同退火时间从15 min直到240 min时的金相显微组织如图2所示。 如图2, 退火温度为350 ℃时, 随着保温时间的延长, 晶粒尺寸首先在15～30 min时增加, 随后在30～60 min时间内减小, 最后在60～240 min内又随退火时间的增加而增加。

通过对金相照片的统计测定, 得出了该合金在不同退火温度、 保温时间下的再结晶晶粒尺寸。 图3反映的是不同保温时间下, 合金的平均晶粒尺寸随退火温度的变化情况。 由图3可知, 随着退火时间的延长, 晶粒尺寸首先增加, 随后减小, 最后又随退火时间的增加而增加。 这是因为在退火初期, 开始发生再结晶, 新形成晶粒的尺寸细小, 使得晶粒尺寸下降, 然后随退火时间的延长, 晶粒逐渐长大, 在350～400 ℃退火120 min后的晶粒尺寸增加缓慢, 板材的组织稳定性较好。 在200 ℃晶粒尺寸相对较小, 而400℃退火120 min后晶粒持续长大。 图4反映的是不同退火温度下, 合金的平均晶粒尺寸随退火温度的变化情况。 由图4可知, 在200 ℃退火时, 晶粒尺寸比较稳定; 晶粒尺寸随退火时间的增加并不呈现简单的增大趋势, 因为在再结晶完成之前, 晶粒尺寸取决于组织的再结晶程度, 即再结晶晶粒的数量, 新生成的再结晶晶粒尺寸细小, 会使平均晶粒尺寸下降。

晶粒度随时间变化可大致分为3个阶段, 第一阶段为0～60 min, 晶粒迅速长大阶段, 在此阶段变形晶粒发生回复和长大; 60～90 min为第二阶段, 该阶段晶粒呈减小趋势, 发生再结晶, 再结晶形核与晶粒回复长大共同作用, 晶粒有所减小, 90～240 min为第三阶段, 该阶段为再结晶晶粒继续长大阶段。 在400 ℃退火时, 晶粒长大速率明显加快, 大约是其他温度退火的两倍。

为了仔细研究合金热挤压板的微观组织及含稀土的第二相颗粒的数量、 形貌和分布, 分别对退火前的和经过退火处理(400 ℃/240 min)的试样进行TEM观察。 图5为退火过程中产生的稀土相TEM形貌及EDX能谱图片。 从图5中可以看出, 基体中存在第二相颗粒, 存在大量含有稀土的第二相, 其形状为细小的颗粒, 有圆形的, 也有方形的。 图5(b)是图5(a)的能谱图, 由能谱可以看出, 第二相颗粒中有稀土相的存在。 图5(c)是低倍数的TEM图片, 稀土颗粒较小, 含有稀土的第二相热稳定性较高, 这些颗粒比较脆, 变形过程中易破碎, 在退火过程中, 能够促进再结晶晶核的形成, 同时还具有阻碍晶界移动的作用, 从而使再结晶晶粒细化。 图5(d)中稀土颗粒排成一列, 对晶界有明显的钉扎作用, 可以有效地阻止晶粒的长大。

将经过热处理的合金试样TEM组织, 图6(a)和未经热处理的合金试样TEM组织6(b)进行比较, 可以看出, 退火后合金板内位错密度急剧下降, 这与回复和再结晶过程中所发生位错的相遇相消有关系。

图6 退火处理前后位错密度的比较

Fig.6 Compare of density of dislocation before annealing (a) and after annealing (b)

2.2 再结晶晶粒长大的动力学计算 再结晶晶粒长大的动力学过程用下式描述 ^[9,10,11,12] ,

D²_t-D 20 20 =K₀·t·exp(-Q/RT) (1)

式中, D_t为平均晶粒直径; t为退火保温时间; D₀为t=0时的平均晶粒尺寸; K₀为热激活过程常数; Q为晶粒长大过程中的热激活能; T为等温退火温度; R为摩尔气体常数[8.314 J·(mol·K)^-1]。 由式(1)两边取对数得:

ln(D2t-D20t)=-QRΤ+lnΚ0???(2)

将图3中合金的D_t与t的数值代入式(2), 得到D²_t与t的关系, 见图7。

由图7可知, 合金的D 2t 与t均符合线性关系, 从而得到了不同温度下D 2t -t直线关系的斜率: m=D2t-D20t 的值。 将m代人式(2), 得到:

图7 不同退火温度下的晶粒长大曲线

Fig.7 Grain growth curves at different annealing temperature

lnm=lnΚ0-QRΤ???(3)

经线性回归, 计算得出不同直线的斜率为合金lnm与 1Τ 关系图(见图8), 该图的斜率为 -QR , 对斜率值进行线性回归, 计算得到热激活能Q=15.32 kJ·mol^-1。 将Q值代入式(3)中, 计算出常数K₀值。 合金的K₀值为0.2426, 则该合金的再结晶晶粒长大动力学模型可表示为:

D2t=D20+0.2426×t×exp(-1843Τ)???(4)

对比文献 [ 13, 14, 15] 可知, 本合金初始晶粒尺寸和热激活过程常数较小, 说明ZE42合金经退火能提供更多细小的异质形核核心, 从而更能有效阻碍合金再结晶晶粒尺寸的长大。

图8 再结晶晶粒长大速度和退火温度的关系

Fig.8 Variation of recrystallized grain growth rate and annealing temperature

3结论

1. ZE42合金热挤压板在退火过程中, 当退火温度一定时, 随着保温时间的延长, 晶粒尺寸首先增加, 随后减小, 最后又随退火时间的增加而增加。 这是因为在退火初期, 开始发生再结晶, 新形成晶粒的尺寸细小, 使得晶粒尺寸下降, 然后随退火时间的延长, 晶粒逐渐长大, 在350～400 ℃退火2 h后的晶粒尺寸增加缓慢, 板材的组织稳定性较好。 在200 ℃晶粒尺寸相对较小, 而400 ℃退火2 h后晶粒持续长大。

2. ZE42合金热挤压板在退火过程中, 当保温时间一定时, 随着退火温度的增加, 晶粒尺寸持续增加, 并且温度越高, 增长速率越大。

3. ZE42合金中析出的稀土颗粒在再结晶过程中, 能阻碍晶界的移动, 经退火能提供更多细小的异质形核核心, 从而更能有效阻碍合金再结晶晶粒尺寸的长大。

4. 热挤压板材再结晶晶粒长大的动力学模型: D2t=D20+0.2426×t×exp(-1843Τ)

参考文献

[1] Luo A A,Mishra R K,Sachdeva A K.High-ductility magnesi-um-zinc-cerium extrusion alloys[J].Scripta Materialia,2011,64(5):410.

[2] Yu W B,Chen Z Q,Cheng N P,Gan B T,He H,Li X L,HuJ Z.High-strength wrought magnesium alloy with dense nano-scale spherical precipitate[J].Chinese Science Bulletin,2007,52(13):1867.

[3] Wang Z J,Xu Y,Wang Z J,C J,Kang B H,Zhu J.Solidifi-cation behavior,microstructure and tensile properties of ZK60-Ermagnesium alloys[J].Journal of Rare Earths,2011,29(6):558.

[4] Robson J D,Henry D T,Davis B.Particle effects on recrystal-lization in magnesium-manganese alloys:particle-stimulated nu-cleation[J].Acta Materialia,2009,57(9):2739.

[5] Mendis C,Ohishi K,Kawamura Y,Honma T,Kamado S,HonoK.Precipitation-hardenable Mg-2.4Zn-0.1Ag-0.1Ca-0.16Zr(at.%)wrought magnesium alloy[J].Acta Materialia,2009,57(3):749.

[6] Anbu S,Ramanathan S.A comparative study of the wear be-havior of as-cast and hot extruded ZE41A magnesium alloy[J].Journal of Alloys and Compounds,2010,502(2):495.

[7] He L Q,Mu M L,Li X G,Li Y J,Zhang K.Homogenizationheat treatment of Mg-9.0Y-3.0MM0.6Zr alloy[J].ChineseJournal of Rare Metals,2011,35(2):164.(何兰强,马鸣龙,李兴刚,李永军,张奎.Mg-9.0Y-3.0MM-0.6Zr合金均匀化热处理研究[J].稀有金属,2011,35(2):164.)

[8] Wang Z J,Zhu J,Cheng J.Effects of rare earth and Ca ele-ments additions on the microstructure and tensile properties ofMg-6 Zn-3 Al-1 Cu alloys[J].Advanced Science Letters,2011,4(11):3691.

[9] Bae B H,Kim S H,Kim D H,Kim W T.Deformation behav-ior of Mg-Zn-Y alloys reinforced by icosahedral quasicrystallineparticles[J].Acta Materialia,2002,50(9):2343.

[10] Wang Z J,Yang Q X,Qiao J.Phase structure of ZK60-1Ermagnesium alloy compressed at 450℃[J].Trans.NonferrousMet.Soc.China,2010,20(S):567.

[11] Wang Z J,Jia W P,Cui J Z.Study on the deformation behav-ior of Mg-23.6 wt.%Er magnesium alloy[J].Journal of RareEarths,2007,25(6):44.

[12] Wang Z J,Zhang C B,Shao X H,Cui J Z,Le Q C.Effect oferbium on microstructure and thermal compressing flow behaviorof Mg-6Zn-0.5Zr alloy[J].Transactions of Nonferrous MetalsSociety of China,2006,12(S):1774.

[13] Li L,Zhang X M.Hot compression deformation behavior andprocessing parameters of a cast Mg-Gd-Y-Zr alloy[J].MaterialsScience and Engineering:A,2011,528(3):1396.

[14] Yi Sangbong,Bohlen Jan,Heinemanna Frank,Letzig Dietmar.Mechanical anisotropy and deep drawing behavior of AZ31 andZE10 magnesium alloy sheets[J].Acta Materialia,2010,58(2):592.

[15] Peng W P,Liu T,He L J,Li P J,Zeng P.Influence of inter-mediate annealing on microstructure and mechanical property ofmagnesium alloy sheet[J].Transactions of Materials Heat Treat-ment,2007,28(3):58.(彭伟平,刘腾,何良菊,李培杰,曾攀.中间退火对镁合金板材组织和性能的影响[J].材料热处理学报,2007,28(3):58.)