高压时效对AM60B合金组织和力学性能的影响

 张国石1  刘秋香2

 （1．江西恒大高新技术股份有限公司；2．江西省科学院江西省铜钨新材料重点实验室）

 摘要采用X射线衍射、金相显微镜、扫描电镜等分析测试手段，研究了高压时效对AM60B镁合金组织和性能的影响。结果表明，在压力作用下，AM60B合金可获得细小均匀的晶粒组织，β-Mg17Al12相形态和分布发生改变。时效压力为2GPa时，抗压强度较常压时效时提高了9%。

 关键词  AM60B镁合金；高压时效；显微组织

 中图分类号  TG146. 22；TG113. 25DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 001

 镁合金因其密度小，比强度、比刚度高，切削加工性能好等优点，广泛应用于航天航空、汽车制造、电子产品等领域。然而，镁合金的力学性能较差，限制了其应用范围。调整合金的微观组织形态是一种有效改善材料性能的途径。压力是影响金属材料组织形态最重要的因素之一。李荣德等研究了ZA27合金在高压凝固条件下可获得致密的网状结构，发现每个晶粒由具有一定方向性的相互平行的二次枝晶构成，从而提高了ZA27合金的硬度。ZHAO J等研究了高压凝固过程中Cu-Zn合金固态相变和力学性能，结果表明，高压导致材料组织的变化和硬度增加。ZHAOHG等发现高压时效可改善Mg-10Y合金的力学性能。本课题采用高压时效，以AM60B镁合金为研究对象，研究高压时效处理对其组织和性能的影响。

1  试验材料与方法

  试验材料为铸造AM60B镁合金，其化学成分见表1。

 AM60B镁合金在KL-12D箱式电炉中进行固溶处理，控温精度为±5℃。固溶温度为415℃，固溶15 h后水淬。然后利用线切割机将AM60B镁合金铸锭切割成尺寸为ɸ8 m m X 13.5 mm的试样，并对试样进行高压时效处理。高压时效处理过程如下：首先将AM60B镁合金试样、石墨套管、叶蜡石砌块等在120℃下加热24 h，然后将烘干后的试样密封在石墨套管内，用叶蜡石作为传压介质，在CS-ⅡB型六面顶压机中进行高压时效处理。高压时效处理方法是：将烘干试样分别在常压、2和4 G Pa下加热至200℃，保温60min后，断电保压冷却至室温。采用Axiovert200MAT型光学显微镜和KYKY-2800扫描电镜观察AM60B镁合金的微观组织，物相分析采用X射线衍射仪完成。利用Gleeble-3500热模拟试验机测试AM60B镁合金的力学性能。借助图像分析软件Image J对金相照片进行分析，并采用截线法测量AM60B镁合金的晶粒尺寸。

2试验结果及讨论

 图1为铸态AM60B镁合金的金相组织和X射线衍射图。由图1b可知，铸态AM60B镁合金主要由基体a-Mg固溶体和β-Mg17Al12相组成。大多数β-Mg17 Al12呈网状连续分布在晶界处，少量3-Mg17Al12呈颗粒状。经测量，铸态AM60B镁合金基体的平均晶粒尺寸约为200 μm。

 对铸造AM60B镁合金试样进行415℃×15 h固溶处理，其SEM和XRD图谱见图2。由图2a可以看出，固溶处理后，β-Mg17Al12相消失，可能是由于β-Mg17Al12相分解溶入到a-Mg相中，形成过饱和固溶体。XRD结果证实了观察结果，见图2b。

 图3为不同压力下时效处理后AM60B镁合金的显微组织。可以看出，常压时效处理后，AM60B镁合金的晶粒尺寸基本没有变化，仍保持固溶处理后的状态，见图3a。时效压力为2 G Pa时，AM60B镁合金的晶粒均为等轴晶，晶粒尺寸较为均匀，约为75μ m，较常压下明显细化，见图3b。时效压力增加到4 G Pa时，镁合金的晶粒尺寸较2 G Pa条件下的晶粒尺寸明显增大，并且大小不均匀，在晶界处存在大量的细小再结晶晶粒，见图3c。AM60B镁合金晶粒组织细化与其在热变形过程发生动态再结晶密切相关。动态再结晶是一种重要的软化和晶粒细化机制。由于镁合金滑移系较少、层错能较低及其晶界扩散速度较高，因此，在亚晶界上堆积的位错能够被晶界吸收，从而加速动态再结晶的过程。由图3b和图3c可知，在2 G Pa压力下时效处理后AM60B镁合金的晶粒组织较4 G Pa压力下均匀细小，这与时效压力密切相关。随着时效压力增大，AM60B合金变形程度增加，使得变形能增加，在晶粒长大过程中，残余的变形促使晶粒长大。

 图4为不同压力下时效处理后AM60B的XRD图。可以看出，经高压处理后的合金也主要由a-Mg相和β-Mg17Al12相组成，只是衍射峰的相对强度发生了变化。压力大小对AM60B镁合金a-Mg相衍射峰的影响不明显，而对β-Mg17Al12相衍射峰的影响较大。

 图5为不同压力下时效处理后AM60B镁合金的显微组织。常压时效处理后的AM60B镁合金的β-Mg17Al12相主要沿晶界向晶内析出，析出相形态主要以类板条状和短棒状存在，见图5a。而2 G Pa压力下时效处理后的AM60B镁合金的β-Mg17Al12相有明显不同。2 G Pa时效处理抑制了β-Mg17Al12相析出，并且析出相的形貌发生了较为明显的变化，析出相不再以沿晶界析出的片层状连续β-Mg17Al12相为主，而是以颗粒状分布于晶界和基体中。研究结果表明，在晶界处呈连续网状的第二相，会使得a-Mg相被β-Mg17Al12脆性相包围分割，使其变形能力难以发挥，变形时在晶界处易于产生严重的应力集中，导致裂纹发生，使得材料的塑性显著下降；然而，β-Mg17Al12呈弥散的颗粒状较均匀分布于基体时，这种均匀分布明显减弱了相结构的不均匀性，有利于AM60B镁合金塑性和强度的提高。此外，高压处理改变了β-Mg17Al12相的析出位置，主要是在晶界及晶内析出。

 图6为不同压力下时效处理后AM60B镁合金的压缩应力-应变曲线。由图6可知，常压时效处理后的AM60B镁合金的抗压强度为256. 85 M Pa，随着时效压力的增加，AM60B镁合金的抗压强度先增加后降低，但高压下时效处理后的抗压强度均明显高于常压时效处理的。压力为2 G Pa时，AM60B镁合金的抗压强度达到284. 50 M Pa，较常压时效提高了10. 8%。高压下时效处理后AM60B镁合金的抗压强度明显提高，主要与以下因素有关。首先，压力作用下，材料发生形变，材料内部出现的孪晶数目较多，产生了大量的位错，促使AM60B镁合金晶粒内部出现了许多细小的动态再结晶晶粒，使得晶粒得到明显的细化，此时，晶粒的细化是材料硬度提高的一个主要原因。其次，晶粒内部的第二相析出量增加，经高压处理后的AM60B镁合金中的第二相3-Mg17Al12主要成颗粒状较均匀分布于基体中，使得材料得到了强化，进而使得材料的抗压强度提高。

3结  论

 (1)高压下时效后的AM60B镁合金晶粒尺寸得到了明显的细化，约为常压时效处理晶粒尺寸的1/3。2 G Pa压力下时效AM60B镁合金可获得晶粒尺寸最为均匀的等轴晶组织。

 (2)高压下时效处理后的AM60B镁合金主要由a-Mg和β-Mg17 Al12相组成，高压时效处理抑制了β-Mg17Al12相的析出，同时改变了β-Mg17Al12相的析出形态，β-Mg17Al12相以不规则块状和颗粒状分布于基体中。

 (3)高压下时效处理后的AM60B镁合金的抗压强度提高，在2 G Pa压力下时效，AM60B镁合金的抗压强度较常压时效提高了10. 8%，达到284. 50 M Pa。