Fig.1 Estrutura metalográfica da liga de magnésio AZ61

(a) Laminado (b) recozido a 300 °C por 5 h sem tratamento criogênico (c) recozido a 300 °C por 5 h por 6 h de tratamento criogênico (d) recozido a 300 °C por 5 h por 6 h de tratamento criogênico e tratamento de envelhecimento



2.2 Análise de propriedades mecânicas

Ensaios de tração à temperatura ambiente foram realizados em folhas de liga de magnésio com diferentes tratamentos para detectar suas propriedades mecânicas. Os corpos de prova de tração são mostrados na Figura 2. As curvas tensão-deformação após o tratamento de envelhecimento são mostradas na Figura 3, e a relação limite de escoamento e as alterações no índice de deformação são mostradas na Figura 4.

Figura 2 Dimensões do corpo de prova de tração



O limite de escoamento da liga de magnésio AZ61 recozida e tratada criogenicamente diminuiu em comparação com o da liga não tratada, a relação de limite de escoamento diminuiu e a deformação plástica foi estável. O alongamento das amostras recozidas e tratadas criogenicamente após o recozimento foi melhorado e a resistência à tração diminuiu ligeiramente em comparação com as amostras não tratadas.

O alongamento da liga de magnésio AZ61 com tratamento térmico compósito aumentou de 3,3% para 12,3%, e a resistência à tração do material não diminuiu significativamente, dos 355 MPa não tratados para 312 MPa, e a relação limite de escoamento diminuiu. Isso ocorre porque a tensão interna e a energia elástica do material são geradas pelo efeito de resfriamento, e a energia elástica pode ser utilizada como força motriz para a precipitação da segunda fase, o que promove a precipitação de grande quantidade da segunda fase após o tratamento de envelhecimento. As partículas da segunda fase dificultam o movimento da discordância e, ao mesmo tempo, as ligas serão geminadas durante o processo de deformação plástica, o que por sua vez promove o deslizamento da discordância. Ao mesmo tempo, alguns grãos são quebrados sob a ação de tensões internas ou alguns giram na direção que conduz à deformação, o que melhora muito a capacidade de deformação das ligas de magnésio.

Após o tratamento térmico composto, a resistência à tração da liga de magnésio AZ91D não diminui significativamente em comparação com a da amostra não tratada, e todos os outros métodos de tratamento diminuem em cerca de 50 MPa. Durante o tratamento térmico composto, o alongamento aumenta de 3,2% para 9,6%, que é o maior aumento, e a resistência é garantida como estável. Isto se deve ao alto teor de Al na liga de magnésio AZ91, que leva à precipitação e dispersão de um grande número de segundas fases, o que dificulta o movimento das discordâncias, promove o início do deslizamento das discordâncias e melhora a deformabilidade do material.

(a) liga de magnésio AZ31

(b) liga de magnésio AZ61

(c) liga de magnésio AZ91D

Fig.3 Curvas tensão-deformação de três tipos de ligas de magnésio após tratamento de envelhecimento

(a) Variação da relação limite de escoamento (b) Variação do expoente de endurecimento por deformação

Fig.4 Mudanças na taxa de escoamento e no expoente de endurecimento por deformação de ligas de magnésio após diferentes tratamentos térmicos



Pode-se observar na Figura 4 que os principais mecanismos de reforço das três ligas de magnésio sem qualquer tratamento (estado laminado) são o reforço por refinamento de grãos e o reforço por deslocamento, o expoente de endurecimento por deformação n é grande, mas a relação de resistência ao escoamento também é grande, como resultado, o alongamento do material é muito baixo; o mecanismo de fortalecimento das amostras não muda após diferentes tratamentos térmicos, e o mecanismo principal é o fortalecimento por solução sólida. Porém, com o aumento da fase de precipitação, o efeito da fase de precipitação apareceu gradativamente. O valor do expoente de endurecimento por deformação n aumenta gradualmente, a taxa de escoamento diminui gradualmente, o alongamento do material aumenta muito e a resistência à tração aumenta ligeiramente. Após o tratamento térmico, as relações de resistência ao escoamento das três ligas de magnésio foram significativamente inferiores às das não tratadas. A relação rendimento-resistência da combinação de recozimento + tratamento criogênico + tratamento de envelhecimento foi reduzida para cerca de 0,57, e a capacidade de deformação uniforme do material foi significativamente melhorada.

2.3 Análise SEM e TEM

A segunda fase da liga de magnésio AZ é principalmente β-Mg17Al12. Devido ao diferente teor de Al, o número de fases de precipitação após o tratamento térmico também é diferente. Entre eles, o número de fases de precipitação na liga de magnésio AZ91 após o tratamento térmico do compósito aumenta significativamente. A Figura 5 é uma imagem de microscópio eletrônico de varredura da liga de magnésio AZ91D após tratamento térmico do compósito. Pode-se observar que a fase β está distribuída na matriz da liga de magnésio AZ91, principalmente na forma de flocos ou esferas, com espessura de cerca de 250 nm. A Figura 6 mostra as imagens da microestrutura TEM das ligas de magnésio AZ31 e AZ61. De acordo com a observação do TEM, após recozimento + tratamento criogênico + tratamento de envelhecimento, as partículas da segunda fase são precipitadas em duas formas: precipitação intragranular e precipitação no limite do grão, e a precipitação intragranular é o principal método de precipitação. Não há limite óbvio entre a fase de precipitação intragranular e a fase da matriz, e ela é distribuída uniformemente na matriz α-Mg; a fase de precipitação do limite do grão é relativamente grosseira e há um limite claro entre ela e a matriz. Pode ser visto na Figura 6c que após o tratamento criogênico, o empacotamento de discordâncias ocorre próximo ao limite do grão. A Figura 6d é o resultado da calibração do ponto de difração das partículas precipitadas, e é determinado que a fase precipitada é β-Mg17Al12. A precipitação intragranular pode desempenhar o papel de fixar discordâncias, diminuindo a taxa de acumulação de discordâncias nos limites dos grãos quando o material é deformado, melhorando a capacidade de armazenamento de discordâncias dentro do material e permitindo que o material ative mais sistemas de deslizamento. A distribuição da dispersão fina no interior dos grãos melhora a uniformidade da deformação do material, principal razão para o grande aumento do alongamento.

Fig.5 Segunda fase e análise EDS da liga de magnésio AZ91D

(a) liga de magnésio AZ31 (b) liga de magnésio AZ61 (c) liga de magnésio AZ31 (d) calibração pontual de difração de partículas de segunda fase

Fig.6 Imagem TEM e calibração pontual de difração de partículas de segunda fase



Acredita-se geralmente que as ligas de magnésio à base de AZ com alto teor de Al, como as ligas de magnésio AZ61, são mais propensas a fases de precipitação, mas através do método de tratamento térmico composto, as ligas de magnésio AZ31 com baixo teor de Al também precipitarão uma pequena quantidade de fase secundária, melhorando assim as propriedades das ligas de magnésio.

3. Conclusão

(1) Após o tratamento criogênico, uma grande tensão térmica é gerada dentro do material, e a tensão é concentrada, fazendo com que os grãos se deformem ou girem, a estrutura é refinada, os grãos maiores são quebrados em grãos finos e cristais gêmeos são gerados. O refinamento de grão da liga de magnésio AZ31 é de 47,8%; o refinamento de grão da liga de magnésio AZ61 é de 36,1%; o refinamento de grão da liga de magnésio AZ91D é de 20,8%.

(2) Os principais mecanismos de fortalecimento das ligas de magnésio laminadas são o fortalecimento do refinamento de grãos e o fortalecimento das luxações. O valor do índice de endurecimento por deformação n é grande, mas a relação limite de escoamento também é grande, resultando em baixo alongamento do material; O mecanismo de fortalecimento é o fortalecimento de soluções sólidas. Com o aumento da fase de precipitação, o efeito da fase de precipitação apareceu gradativamente. O valor do expoente de endurecimento por deformação n aumenta gradualmente, a taxa de rendimento diminui gradualmente, o alongamento do material aumenta muito e a resistência à tração também aumenta, o que melhora efetivamente a capacidade de deformação uniforme das ligas de magnésio.

(3) A liga de magnésio adota tratamento térmico composto, e um grande número de partículas finas de segunda fase dispersas e precipitadas no grão conduzem à ativação de mais sistemas de deslizamento, o que melhora muito a conformabilidade da liga de magnésio. Entre eles, a resistência não é muito diferente daquela antes do tratamento, e o alongamento da liga de magnésio AZ31 é aumentado 2,5 vezes em comparação com antes do tratamento; o alongamento da liga de magnésio AZ61 é aumentado em 4 vezes; o alongamento da liga de magnésio AZ91D é aumentado em 3 vezes.

Formato de citação: Zhang Ju, Hu Xiaodong, Zhao Hongyang, et al. Tratamento térmico de compósitos de ligas de magnésio e seu mecanismo de fortalecimento e tenacidade [J]. Fundição Especial e Ligas Não Ferrosas, 2022, 42(1): 64-68.