Композиционная термообработка магниевых сплавов серии AZ и механизм ее упрочнения и закалки

2023-04-28

Листы из магниевого сплава серии AZ широко используются в автомобильной и авиационной промышленности, а морфология и количество упрочняющей фазы Mg17Al12 оказывают важное влияние на формуемость листа. Прокатанные листы магниевого сплава AZ31, AZ61 и AZ91 были отожжены при 300 ℃ в течение 5 часов, криогенно обработаны жидким азотом в течение 6 часов, состарены при 160 ℃ в течение 18 часов и подвергнуты различным композиционным термическим обработкам. Результаты показывают, что основными механизмами упрочнения магниевых сплавов серии АЗ в прокате являются твердорастворное и дислокационное упрочнение, при этом материал обладает высокой прочностью и плохой пластичностью. Длинные зерна разрушаются под действием температурных напряжений криогенной обработки, снижается предел текучести материала, увеличивается показатель деформационного упрочнения, но пластичность существенно не увеличивается; после отжига + криогенной + термообработки со старением индекс деформационного упрочнения увеличивается. Большое количество мелкодисперсных и выделенных вторых фаз на границе зерна и в зерне благоприятствует инициированию различных систем скольжения при деформации, что улучшает равномерность деформации. способность материала, увеличивает прочность и еще больше снижает соотношение текучести к прочности. Обработка благоприятная.
Серия AZ в настоящее время является одним из наиболее широко используемых деформируемых магниевых сплавов. Он обладает превосходными свойствами, такими как высокая удельная прочность, удельная жесткость и амортизация. Он широко используется в автомобилях, электронике и медицине. Однако магниевые сплавы имеют плотноупакованную гексагональную структуру и обладают плохой способностью к пластической деформации при комнатной температуре. Обычно их необходимо пластически обрабатывать после нагрева до определенной температуры, и они обладают сильной анизотропией. Магниевые сплавы серии AZ представляют собой широко используемую серию магниевых сплавов. Поскольку их кристаллическая структура представляет собой плотноупакованную гексагональную структуру, кроме того, основной второй фазой в магниевых сплавах серии AZ является Mg17Al12 с ОЦК структурой. Производительность имеет большое влияние. Фаза Mg17Al12 преимущественно выделяется на границах зерен и внутри зерен. Как улучшить способность листов магниевого сплава к пластической формовке — ключевое направление исследований магниевых сплавов.

Растворимость Al в магниевых сплавах при комнатной температуре составляет около 2%, но при 437 ℃ его максимальная растворимость в твердом состоянии может достигать около 12,5%, что оказывает сильный эффект упрочнения твердого раствора, а также обеспечивает возможность выделения второй фазы. . С понижением температуры его растворимость в твердом состоянии еще больше уменьшалась. В условиях криогенной обработки -150 ℃ изменение растворимости твердого вещества и усадка объема будут способствовать осаждению второй фазы. Хотя было много сообщений о процессе термообработки листов магниевого сплава, сообщений о композиционном методе термообработки листов магниевого сплава мало. На раннем этапе в качестве объектов исследования использовались магниевые сплавы AZ31, AZ61 и AZ91D, которые подвергались отжигу + криогенной обработке + обработке старением для изучения влияния различных процессов термообработки на микроструктуру и механические свойства магниевых сплавов. Исходя из этого, в этой теме в основном анализируется механизм влияния на улучшение характеристик за счет микроструктуры с целью предоставить основу для расширения формования и применения листов магниевого сплава.

1 Материалы и методы испытаний

Материалами для испытаний являются три вида листов магниевого сплава: AZ31 (0,5 мм), AZ61 (0,5 мм) и AZ91D (0,55 мм) в прокатанном состоянии, температура прокатки составляет 280 °C. Химический состав показан в Таблице 1. Три материала были отожжены при 300 ℃ в течение 5 часов в печи для термообработки, отожженные листы были немедленно погружены в контейнер с жидким азотом на 6 часов криогенной обработки, а криогенно обработанные листы выдерживались при 160 ℃ в течение 18 часов. На термообработанные образцы вкладывали зубные ложки, шлифовали наждачной бумагой, механически полировали, травили пикриновой кислотой и в завершение проводили металлографическое наблюдение. Фазу осадков и микроструктуру анализировали с помощью сканирующего электронного микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа, а также проверяли свойства на растяжение при комнатной температуре.

2 Анализ результатов испытаний

2.1 Оптико-металлографический анализ

На рис. 1 представлена металлографическая микроструктура магниевого сплава АЗ61 в прокате и при различных режимах термообработки композита. Видно, что прокатанные зерна изломаны и вытянуты в направлении прокатки. После отжига при 300 ℃ в течение 5 ч зерна имеют относительно правильную форму, а после криогенной обработки зерна явно измельчаются. По кристаллическим зернам, обработанным криогенной обработкой в течение 6 ч, хорошо видно, что крупные зерна разбиты на мелкие, а степень измельчения микроструктуры сравнительно велика. средний размер зерна изменился с 36 мкм до криогенной обработки до 23 мкм, а большое количество вторых фаз выделилось во время отжига + криогенной обработки + обработки старением. После прокатки внутри материала остаются тонкие зерна. Из-за эффекта охлаждения при криогенной обработке внутри материала создается большое температурное напряжение, напряжение концентрируется, тонкие зерна легко разрушаются, появляются мелкие зерна с прямыми и сплошными границами зерен. зерен и двойникования, но на мелкие зерна это мало влияет, что согласуется с результатами исследований Chen Jinqiu et al. и Йи Динго и др.

Содержание элемента Al в магниевом сплаве AZ61 относительно высокое. После криогенной обработки растворимость элемента Al в пересыщенном твердом растворе в матрице снижается, но низкая температура также ослабляет диффузионную способность элемента Al, поэтому криогенная обработка не увеличивает количество частиц второй фазы. Однако после обработки старением Частицы второй фазы выделяются в больших количествах из зерна и границ зерен. Видно, что внутренние напряжения и изменения микроструктуры, вызванные криогенной обработкой, создают условия и места для осаждения второй фазы во время обработки старением.

Рис.1 Металлографическая структура магниевого сплава АЗ61

(а) Прокат в свежем виде (б) отожжен при 300 °С в течение 5 ч без криогенной обработки (в) отожжен при 300 °С в течение 5 ч в течение 6 ч криогенной обработки (г) отожжен при 300 °С в течение 5 ч в течение 6 ч криогенная обработка и лечение старения

2.2 Анализ механических свойств

Были проведены испытания на растяжение при комнатной температуре листов магниевого сплава с различной обработкой для определения их механических свойств. Образцы, подвергнутые растяжению, показаны на рисунке 2. Кривые растяжения после старения показаны на рисунке 3, а изменения отношения текучести к пределу прочности и индекса деформации показаны на рисунке 4.

Рисунок 2. Размеры образца для испытания на растяжение.

Предел текучести отожженного и криогенно обработанного магниевого сплава AZ61 снизился по сравнению с необработанным, коэффициент текучести снизился, пластическая деформация была стабильной. Удлинение отожженных и криогенно обработанных образцов после отжига улучшилось, а прочность на разрыв несколько снизилась по сравнению с необработанными образцами.

Удлинение магниевого сплава АЗ61 при композиционной термообработке увеличилось с 3,3% до 12,3%, при этом предел прочности материала при растяжении снизился незначительно - с необработанных 355 МПа до 312 МПа, а предел текучести снизился. Это связано с тем, что внутреннее напряжение и упругая энергия материала создаются эффектом охлаждения, а упругая энергия может использоваться в качестве движущей силы для выделения второй фазы, что способствует выделению большого количества второй фазы. после лечения старения. Частицы второй фазы препятствуют движению дислокаций, в то же время в процессе пластической деформации сплавы будут двойниковаться, что, в свою очередь, способствует скольжению дислокаций. При этом часть зерен разрушается под действием внутренних напряжений или часть вращается в сторону, способствующую деформации, что значительно повышает деформационную способность магниевых сплавов.

После термообработки композита предел прочности магниевого сплава AZ91D существенно не снижается по сравнению с необработанным образцом, а все остальные методы обработки снижаются примерно на 50 МПа. При термообработке композита удлинение увеличивается с 3,2% до 9,6%, что является наибольшим увеличением, а прочность гарантированно стабильна. Это связано с высоким содержанием Al в магниевом сплаве АЗ91, что приводит к выделению и диспергированию большого количества вторых фаз, что затрудняет движение дислокаций, способствует инициированию скольжения дислокаций, улучшает деформируемость сплава. материал.

(а) Магниевый сплав AZ31

(б) Магниевый сплав AZ61

(в) Магниевый сплав AZ91D

Рис.3 Кривые растяжения трех видов магниевых сплавов после старения

(а) Изменение коэффициента текучести (б) Изменение показателя деформационного упрочнения

Рис.4 Изменение предела текучести и показателя деформационного упрочнения магниевых сплавов после различных термических обработок

Из рисунка 4 видно, что основными механизмами упрочнения трех магниевых сплавов без какой-либо обработки (прокатное состояние) являются мелкозернистое упрочнение и дислокационное упрочнение, показатель деформационного упрочнения n велик, но и коэффициент текучести также велик, As в результате удлинение материала очень низкое; Механизм упрочнения образцов не меняется после различных термических обработок, а основным механизмом является твердорастворное упрочнение. Однако с увеличением фазы осадков постепенно проявлялся эффект фазы осадков. Значение показателя деформационного упрочнения n постепенно увеличивается, предел текучести постепенно снижается, удлинение материала сильно увеличивается, а предел прочности увеличивается незначительно. После термообработки коэффициенты текучести трех магниевых сплавов были значительно ниже, чем у необработанных. Отношение предела текучести при сочетании отжига + криогенной обработки + обработки старением снизилось примерно до 0,57, а способность материала к равномерной деформации значительно улучшилась.

2.3 SEM и TEM анализ

Вторая фаза магниевого сплава AZ в основном представляет собой β-Mg17Al12. Из-за разного содержания Al количество фаз выделения после термообработки также различно. Среди них количество фаз выделения в магниевом сплаве AZ91 после термообработки композита значительно увеличивается. Рисунок 5 представляет собой изображение магниевого сплава AZ91D, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, после термообработки композита. Видно, что β-фаза распределена в матрице магниевого сплава AZ91 преимущественно в виде чешуек или сфер толщиной около 250 нм. На рис. 6 представлены изображения микроструктуры магниевых сплавов AZ31 и AZ61, полученные методом ПЭМ. По данным ПЭМ, после отжига + криогенной обработки + старения частицы второй фазы выделяются в двух формах: внутризеренное осаждение и зернограничное осаждение, а внутризеренное осаждение является основным методом осаждения. Между фазой внутризеренного выделения и матричной фазой нет четкой границы, и она равномерно распределена в матрице α-Mg; фаза зернограничного выделения относительно крупная, между ней и матрицей имеется четкая граница. Из рис. 6в видно, что после криогенной обработки происходит упаковка дислокаций вблизи границы зерна. Рисунок 6d представляет собой результат калибровки дифракционного пятна осажденных частиц, и установлено, что осажденная фаза представляет собой β-Mg17Al12. Внутризеренное осаждение может играть роль закрепления дислокаций, замедляя скорость накопления дислокаций на границах зерен при деформации материала, улучшая емкость хранения дислокаций внутри материала и позволяя материалу активировать больше систем скольжения. Распределение мелкой дисперсии внутри зерен улучшает равномерность деформации материала, что является основной причиной большого увеличения удлинения.

Рис.5 Вторая фаза и ЭДС-анализ магниевого сплава AZ91D.

(a) Магниевый сплав AZ31 (b) Магниевый сплав AZ61 (c) Магниевый сплав AZ31 (d) Калибровка дифракционного пятна частиц второй фазы

Рис.6 ПЭМ-изображение и калибровка дифракционного пятна частиц второй фазы

Обычно считается, что магниевые сплавы на основе AZ с высоким содержанием Al, такие как магниевые сплавы AZ61, более склонны к выделению фаз, но в результате метода композиционной термообработки магниевые сплавы AZ31 с низким содержанием Al также выделяют небольшое количество вторичной фазы, тем самым улучшая свойства магниевых сплавов.

3. Заключение

(1) После криогенной обработки внутри материала создается большое температурное напряжение, которое концентрируется, вызывая деформацию или вращение зерен, структура уточняется, более крупные зерна разбиваются на мелкие и образуются двойные кристаллы. . Измельчение зерна магниевого сплава АЗ31 составляет 47,8%; измельчение зерна магниевого сплава АЗ61 составляет 36,1%; измельчение зерна магниевого сплава АЗ91Д составляет 20,8%.

(2) Основными механизмами упрочнения магниевых сплавов после прокатки являются мелкозернистое упрочнение и дислокационное упрочнение. Значение индекса деформационного упрочнения n велико, но соотношение предела текучести также велико, что приводит к низкому удлинению материала; Механизм упрочнения – упрочнение на твердом растворе. С увеличением фазы осадков постепенно проявлялся эффект фазы осадков. Значение показателя деформационного упрочнения n постепенно увеличивается, предел текучести постепенно снижается, удлинение материала значительно увеличивается, а также увеличивается предел прочности, что эффективно улучшает способность к равномерному деформированию магниевых сплавов.

(3) Магниевый сплав подвергается сложной термической обработке, а большое количество мелкодисперсных и осажденных частиц второй фазы в зерне способствует активации большего количества систем скольжения, что значительно улучшает формуемость магниевого сплава. Среди них прочность мало чем отличается от таковой до обработки, а удлинение магниевого сплава AZ31 увеличено в 2,5 раза по сравнению с таковым до обработки; удлинение магниевого сплава АЗ61 увеличено в 4 раза; удлинение магниевого сплава АЗ91Д увеличено в 3 раза.

Формат цитирования: Чжан Цзюй, Ху Сяодун, Чжао Хунъян и др. Композиционная термическая обработка магниевых сплавов и механизм ее упрочнения и упрочнения [J]. Специальное литье и цветные сплавы, 2022, 42(1): 64-68.