Mg-4Zn-2Al-0.5Ca合金时效沉淀过程的相演变

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学材料与冶金学院 作者:叶杰

  利用高分辨透射电镜和扫描电镜分析了Mg-4Zn-2Al-0.5Ca合金时效沉淀过程中的相演变。结果表明:试验合金的时效硬化曲线呈现典型的时效硬化特征。试验合金在160℃时效达到峰值硬度时其沉淀相有:平行于(0001)Mg的圆盘状沉淀相、(梳齿状)块状沉淀相以及大量的亚稳过渡相。随时效时间的延长,生成长条状相,但基体中依然存在很多后析出的细小的弥散分布的粒状沉淀相。120℃×230 h时效处理后的微观组织中存在着蜂窝状组织,宽度为3~4 nm的长条状沉淀相,直径为5~7 nm的球状沉淀相;这些沉淀相的存在大大提高了合金的硬度。

  提高镁合金的室温强度和高温强度是镁合金研究中的首要问题。作为最轻的结构材料,镁合金本身不具备多型性转变,不能通过基体的固态相变来强化,因此,与铝合金一样,提高镁合金强度主要是细化晶粒强化和合金化方法,其中合金化方法主要利用析出相和GP 区/ 过渡相来提高强韧性[1-2]。Mg-Zn 二元系是实用镁合金的重要基础,Mg-Zn 固溶体存在着亚稳的溶解度间隙,因此该系固溶体具有典型析出强化特征[3-4]。但大量的研究表明[5-7],Mg-Zn 固溶体析出物长大的速度难以控制,很容易达到过时效,成为粗大且稀疏分散的板条状相,从而降低了该系固溶体的析出强化特征。

  因此需要寻找添加元素来控制时效过程中析出物的长大速度。目前国内外对镁合金的研究主要集中在稀土镁合金,如Mg-Gd-Y-Zr、Mg-Zn-Gd、Mg-Ce-Nd 和Mg-Gd-Y[8-11]。这些合金虽表现出较高强度,但因含有重稀土提高了其成本,大大的限制了其在工程领域中的应用。因此,需要进一步发展和引进合适的新型合金元素以使Mg-Zn 基合金更具有竞争力。文献[12-14] 研究了Ca 对Mg-Zn 合金时效进程的影响,指出时效过程析出了呈粒状或盘状的Ca2Mg6 Zn3相,且( 0001 )Ca2Mg6Zn3 / / ( 1 2 10 )Mg,[1 210]Ca2Mg6Zn3 / /[1010]Mg。Mg-Zn-Al 是一种高温性能较好和成本较低的抗高温蠕变的镁合金[15],故本试验研究了Ca 对Mg-4Zn-2Al 合金时效沉淀过程相演变及时效硬化曲线的影响。

  1) Mg-4Zn-2Al-0. 5Ca 合金的时效硬化曲线具有典型的温时效特征。采用T6 时效时,初始阶段,合金硬度随时效时间的增长上升速度很快,且时效温度越高硬度上升速度越快; 时效强化阶段,时效峰值硬度随时效温度的升高而降低,160 ℃ 时效硬度曲线位于200 ℃上方。120 ℃时效,由于时效温度较低,时效初始阶段,硬度上升速度相对缓慢,经230 h 时效达到最高值78 HV,之后随时效时间延长有所下降;

  2) Mg-4Zn-2Al-0. 5Ca 合金120 ℃ × 230 h 时效处理后的微观结构中存在着蜂窝状组织结构,宽度为3 ~4 nm 的长条状沉淀相,直径为5 ~ 7 nm 的球状沉淀相;

  3) Mg-4Zn-2Al-0. 5Ca 合金经160 ℃ × 32 h 时效处理后,在基体上弥散分布着大量的球状沉淀相,但这些沉淀相还没有引起足够大的晶格畸变。160 ℃ ×108 h时效处理后,基体上弥散分布着大量球状沉淀相和细小的粒状沉淀相,还能观察到呈梳齿结构的沉淀相。这些沉淀相作为时效强化相使试验合金产生了显著的时效硬化;

  4) Mg-4Zn-2Al-0. 5Ca 合金160 ℃ ( 200 ℃) ×200 h时效,晶内局部沉淀相出现严重粗化倾向,晶界区域出现长条状沉淀相沿某方向排列平行生长,但在基体上依然存在着后析出的弥撒分布的细小粒状沉淀相,因此时效硬度下降趋势较缓慢。

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