شکل 1 ساختار متالوگرافی آلیاژ منیزیم AZ61

(الف) به صورت نورد شده (ب) آنیل شده در دمای 300 درجه سانتی گراد به مدت 5 ساعت بدون عملیات برودتی (ج) آنیل در دمای 300 درجه سانتی گراد به مدت 5 ساعت به مدت 6 ساعت درمان برودتی (د) بازپخت در دمای 300 درجه سانتی گراد به مدت 5 ساعت به مدت 6 ساعت تیمار برودتی و تیمار پیری



2.2 تجزیه و تحلیل خواص مکانیکی

آزمایش کشش دمای اتاق بر روی ورق های آلیاژ منیزیم با تیمارهای مختلف برای تشخیص خواص مکانیکی آنها انجام شد. نمونه های کششی در شکل 2 نشان داده شده اند. منحنی های تنش-کرنش پس از عملیات پیری در شکل 3 نشان داده شده است و نسبت تسلیم به استحکام و تغییرات شاخص کرنش در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 2 ابعاد قطعه آزمایش کششی



استحکام تسلیم آلیاژ منیزیم AZ61 بازپخت شده و برودتی در مقایسه با آلیاژ منیزیم تیمار نشده کاهش یافت، نسبت قدرت تسلیم کاهش یافت و تغییر شکل پلاستیک پایدار بود. ازدیاد طول نمونه های آنیل شده و تحت درمان برودتی پس از بازپخت بهبود یافت و استحکام کششی در مقایسه با نمونه های تیمار نشده اندکی کاهش یافت.

ازدیاد طول آلیاژ منیزیم AZ61 با عملیات حرارتی مرکب از 3.3 درصد به 12.3 درصد افزایش یافت و استحکام کششی ماده به طور قابل توجهی کاهش پیدا نکرد، از 355 مگاپاسکال تیمار نشده به 312 مگاپاسکال، و نسبت تسلیم به مقاومت کاهش یافت. این به این دلیل است که تنش داخلی و انرژی الاستیک ماده توسط اثر سرما ایجاد می‌شود و انرژی الاستیک می‌تواند به عنوان نیروی محرکه برای بارش فاز دوم استفاده شود، که باعث ایجاد بارش مقدار زیادی از فاز دوم پس از درمان پیری می‌شود. ذرات فاز دوم مانع حرکت نابجایی می شوند و در عین حال آلیاژها در طی فرآیند تغییر شکل پلاستیک دوقلو می شوند که به نوبه خود باعث افزایش لغزش نابجایی می شود. در همان زمان، برخی از دانه‌ها تحت تأثیر تنش داخلی شکسته می‌شوند یا برخی در جهتی که منجر به تغییر شکل می‌شود، می‌چرخند، که توانایی تغییر شکل آلیاژهای منیزیم را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

پس از عملیات حرارتی مرکب، استحکام کششی آلیاژ منیزیم AZ91D به طور قابل توجهی در مقایسه با نمونه تیمار نشده کاهش نمی‌یابد و سایر روش‌های تصفیه همگی حدود 50 مگاپاسکال کاهش می‌یابند. در طی عملیات حرارتی کامپوزیت، ازدیاد طول از 3.2٪ به 9.6٪ افزایش می یابد که بزرگترین افزایش است و استحکام پایدار است. این به دلیل محتوای بالای Al در آلیاژ منیزیم AZ91 است که منجر به رسوب و پراکندگی تعداد زیادی از فازهای دوم می شود که مانع حرکت نابجایی ها می شود، شروع لغزش دررفتگی را تقویت می کند و تغییر شکل پذیری مواد را بهبود می بخشد.

(الف) آلیاژ منیزیم AZ31

(ب) آلیاژ منیزیم AZ61

(ج) آلیاژ منیزیم AZ91D

شکل 3 منحنی تنش-کرنش سه نوع آلیاژ منیزیم پس از درمان پیری

(الف) تغییر نسبت تسلیم به استحکام (ب) تغییر توان سخت شدن کرنش

شکل 4 تغییرات نسبت تسلیم و قدرت سخت شدن کرنش آلیاژهای منیزیم پس از عملیات حرارتی مختلف



از شکل 4 می توان دریافت که مکانیسم اصلی تقویت کننده سه آلیاژ منیزیم بدون هیچ عملیاتی (حالت نورد شده) تقویت دانه و تقویت نابجایی است، توان سخت شدن کرنش n بزرگ است، اما نسبت استحکام تسلیم نیز زیاد است، در نتیجه ازدیاد طول ماده بسیار کم است. مکانیسم تقویت نمونه ها پس از عملیات حرارتی مختلف تغییر نمی کند و مکانیسم اصلی تقویت محلول جامد است. اما با افزایش فاز بارش، اثر فاز بارش به تدریج نمایان شد. مقدار توان سخت شدن کرنش n به تدریج افزایش می یابد، نسبت تسلیم به تدریج کاهش می یابد، ازدیاد طول ماده بسیار افزایش می یابد و استحکام کششی کمی افزایش می یابد. پس از عملیات حرارتی، نسبت تسلیم به استحکام سه آلیاژ منیزیم به طور قابل‌توجهی کمتر از آلیاژهای تیمار نشده بود. نسبت تسلیم به استحکام ترکیب بازپخت + تیمار برودتی + تیمار پیری به حدود 0.57 کاهش یافت و توانایی تغییر شکل یکنواخت ماده به طور قابل توجهی بهبود یافت.

2.3 تجزیه و تحلیل SEM و TEM

فاز دوم آلیاژ منیزیم AZ عمدتا β-Mg17Al12 است. با توجه به محتوای آلی متفاوت، تعداد فازهای بارش پس از عملیات حرارتی نیز متفاوت است. در میان آنها، تعداد فازهای بارش در آلیاژ منیزیم AZ91 پس از عملیات حرارتی کامپوزیت به طور قابل توجهی افزایش می یابد. شکل 5 یک تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از آلیاژ منیزیم AZ91D پس از عملیات حرارتی مرکب است. مشاهده می شود که فاز β در ماتریس آلیاژ منیزیم AZ91 عمدتاً به صورت پوسته ها یا کره ها با ضخامت حدود 250 نانومتر توزیع شده است. شکل 6 تصاویر ریزساختار TEM آلیاژهای منیزیم AZ31 و AZ61 را نشان می دهد. طبق مشاهدات TEM، پس از بازپخت + تیمار برودتی + تیمار پیری، ذرات فاز دوم به دو صورت بارش درون دانه ای و بارش مرز دانه ای رسوب می کنند و بارش درون دانه ای روش اصلی بارش است. هیچ مرز آشکاری بین فاز بارش درون دانه ای و فاز ماتریکس وجود ندارد و به طور مساوی در ماتریس α-Mg توزیع شده است. فاز بارش مرز دانه نسبتاً درشت است و مرز مشخصی بین آن و ماتریس وجود دارد. از شکل 6c می توان دریافت که پس از درمان برودتی، بسته بندی دررفتگی در نزدیکی مرز دانه رخ می دهد. شکل 6d نتیجه کالیبراسیون نقطه پراش ذرات رسوب شده است و مشخص شده است که فاز رسوب شده β-Mg17Al12 است. بارش درون دانه ای می تواند نقش نابجایی را ایفا کند، سرعت تجمع نابجایی ها را در مرزهای دانه در هنگام تغییر شکل ماده کاهش دهد، ظرفیت ذخیره سازی نابجایی ها را در داخل ماده بهبود بخشد و مواد را قادر سازد تا سیستم های لغزش بیشتری را فعال کند. توزیع پراکندگی ریز در داخل دانه ها یکنواختی تغییر شکل مواد را بهبود می بخشد که دلیل اصلی افزایش زیاد کشیدگی است.

شکل 5 فاز دوم و آنالیز EDS آلیاژ منیزیم AZ91D

(الف) آلیاژ منیزیم AZ31 (ب) آلیاژ منیزیم AZ61 (ج) آلیاژ منیزیم AZ31 (د) کالیبراسیون نقطه پراش ذرات فاز دوم

شکل 6 تصویر TEM و کالیبراسیون نقطه پراش ذرات فاز دوم



عموماً اعتقاد بر این است که آلیاژهای منیزیم مبتنی بر AZ با محتوای Al بالا، مانند آلیاژهای منیزیم AZ61، بیشتر مستعد فازهای رسوبی هستند، اما از طریق روش عملیات حرارتی مرکب، آلیاژهای منیزیم AZ31 با محتوای Al کم نیز مقدار کمی فاز ثانویه را رسوب می دهند و در نتیجه خواص همه آلیاژ منیزیم را بهبود می بخشند.

3. نتیجه گیری

(1) پس از عملیات برودتی، تنش دمایی زیادی در داخل ماده ایجاد می‌شود و تنش متمرکز می‌شود و باعث تغییر شکل یا چرخش دانه‌ها می‌شود، ساختار تصفیه می‌شود، دانه‌های بزرگ‌تر به دانه‌های ریز شکسته می‌شوند و کریستال‌های دوقلو تولید می‌شوند. پالایش دانه آلیاژ منیزیم AZ31 47.8٪ است. پالایش دانه آلیاژ منیزیم AZ61 36.1٪ است. پالایش دانه آلیاژ منیزیم AZ91D 20.8٪ است.

(2) مکانیسم اصلی تقویت کننده آلیاژهای منیزیم نورد شده، تقویت پالایش دانه و تقویت نابجایی است. مقدار n شاخص سخت شدن کرنش بزرگ است، اما نسبت تسلیم به استحکام نیز زیاد است که منجر به ازدیاد طول مواد می شود. مکانیسم تقویت، تقویت محلول جامد است. با افزایش فاز بارش، اثر فاز بارش به تدریج نمایان شد. مقدار شار سخت شدن کرنش n به تدریج افزایش می یابد، نسبت تسلیم به تدریج کاهش می یابد، ازدیاد طول ماده بسیار افزایش می یابد، و استحکام کششی نیز افزایش می یابد، که به طور موثر توانایی تغییر شکل یکنواخت آلیاژهای منیزیم را بهبود می بخشد.

(3) آلیاژ منیزیم از عملیات حرارتی مرکب استفاده می کند و تعداد زیادی ذرات ریز پراکنده و رسوب شده فاز دوم در دانه باعث فعال شدن سیستم های لغزش بیشتر می شود که شکل پذیری آلیاژ منیزیم را تا حد زیادی بهبود می بخشد. در میان آنها، استحکام با قبل از درمان تفاوت چندانی ندارد و ازدیاد طول آلیاژ منیزیم AZ31 در مقایسه با قبل از درمان 2.5 برابر افزایش می یابد. ازدیاد طول آلیاژ منیزیم AZ61 4 برابر افزایش می یابد. ازدیاد طول آلیاژ منیزیم AZ91D 3 برابر افزایش می یابد.

فرمت استناد: ژانگ جو، هو شیائودانگ، ژائو هونگ یانگ و همکاران. عملیات حرارتی مرکب آلیاژهای منیزیم و مکانیسم تقویت و سخت‌کننده آن [J]. ریخته گری ویژه و آلیاژهای غیر آهنی، 2022، 42 (1): 64-68.