分享：Al-4B中间合金对 AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响

赖春明1,2,谭海林1,陈 静3,李昭赞3 

(1.湖南化工职业技术学院机电工程学院,株洲 412011;2.中南大学材料科学与工程学院,长沙 410083; 3.广东肇庆爱龙威机电有限公司,肇庆 526638) 

摘 要:通过 KBF4 与熔融铝反应制备了 Al-4B中间合金,研究了不同质量分数(0%~2.0%) Al-4B中间合金作为孕育剂对 AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响。结果表明:Al-4B中间合 金由 AlB2 和α-Al相组成;Al-4B中间合金的添加可以明显细化 AZ31镁合金的晶粒,提高晶粒尺 寸的均匀性,降低孔隙率,Al-4B中间合金质量分数为1.0%时,晶粒细化效果最明显;随着 Al-4B 中间合金含量增加,AZ31镁合金的硬度、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均增大,屈服强度与晶 粒尺寸符合 Hall-Petch关系,AZ31镁合金力学性能的改善主要与 AlB2 相产生的细晶强化、弥散 强化以及铸造组织孔隙率降低有关。 

关键词:Al-4B中间合金;AZ31镁合金;晶粒尺寸;力学性能 中图分类号:TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)04-0019-06

0 引 言

 镁合金具有密度小、比强度高、电磁屏蔽性能 好、弹性模量大、散热性好、生物相容性和可降解性 优良等优点,且镁在地壳中的含量相对丰富,具有易 于回收利用的特点,符合新时代对材料轻量化、绿色 化的要求[1-3]。此外,镁合金还具有较低的比热容和 熔化潜热,这2种特性使其适应于各种铸造工艺,从 而大大降低了制造过程中的能耗。上述优点使得镁 合金在电子产品、汽车与轨道交通、航空航天和生物 19 赖春明,等:Al-4B中间合金对 AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响 医用等领域都具有非常广泛的应用前景,在促进节 能减排、绿色环保等方面意义重大。但是镁合金是 密排六方结构,其变形能力相比其他常见金属材料 较差,塑性加工性能不好,这极大地限制了其应用。 为了改 善 镁 合 金 的 性 能,研 究 人 员 开 发 了 合 金 化[4-5]、细化晶粒[6-8]、复合增强[9-11]及热处理[12-14]等 多种方法,其中细化晶粒因在提高合金强度的同时, 还能保持其良好的塑性和韧性,使其获得优良的综 合力学性能,从而成为一种常用的改善性能的方法。 细化晶粒的途径有很多种,其晶粒细化的机理 也有很大的差异。在固态成型工艺中,主要通过大 塑性变形,如累积叠轧、等通道转角挤压技术等使晶 粒细化;在液态成型工艺中,主要通过提高形核率和 抑制晶粒长大来达到细化晶粒的目的。由于镁合金 铸造性能良好,其成型过程以液态成型为主,因此寻 找合适的镁合金晶粒细化剂和有效的加工方法是拓 展镁合金应用范围的重要途径。AlB2 具有较高的熔 点和硬度,且为密排六方结构,其(0001)面与α-Mg基 面之间的错配度仅为6.2%,其弥散分布时可以作为 异质核心,提升形核率,从而细化镁合金的铸态组 织[15]。目前常用 Al-4B和 Al-3B两种中间合金来获 得 AlB2 颗粒,其中 Al-3B中间合金对镁合金[16-17]、铝 合金[18]铸造组织的影响已有相关报道,但是有关 Al4B中间合金对镁合金组织影响的研究报道较少。因 此,作者通过熔融铝与 KBF4 盐反应制备了 Al-4B中 间合金,研究了不同含量 Al-4B中间合金作为孕育剂 对 AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响,分析了 Al-4B中间合金的强化机理,讨论了 AZ31镁合金晶 粒尺寸与力学性能之间的关系。 

1 试样制备与试验方法

 试验用 AZ31镁合金的化学成分如表1所示。 采用 KBF4 与熔融铝在电阻炉中反应制备 Al-4B中 间合金,二者的质量比为0.6。先将铝在坩埚中熔 化,并 升 温 至 反 应 温 度 800 ℃,然 后 分 批 加 入 KBF4,搅拌熔体使其均匀混合。将熔体保持约1h 待其充分反应后,撇去熔体上的渣滓,浇注后获得固 态 Al-4B 中间合金。采用电阻炉熔炼 AZ31 镁 合 金,待其熔化后,温度保持在740℃;称取质量分数分 别为0.5%,0.8%,1.0%,1.5%,2.0%的 Al-4B中间合 金,用铝箔包好后慢慢浸入 AZ31镁合金熔体中并搅 拌约10min至混合均匀;将熔融金属倒入预热模具 中,得到尺寸为?20mm×150mm 的圆柱体铸件,在 浇注过程中进行硫磺喷粉以避免熔化物燃烧。在铸 件上截取尺寸为?15mm×15mm 的试样,对其进行 400℃×1h固溶处理,以便观察晶界并分析晶粒尺 寸。将未添加 Al-4B中间合金(质量分数0%)采用上 述步骤制备得到的试样作为对比试样。 表1 AZ31镁合金的化学成分 质量分数 Table1 ChemicalcompositionofAZ31magnesiumalloy massfraction % Al Zn Mn Fe Ni Mg 3.00 1.00 0.20 0.08 0.06 余 采 用 Phillips PW-1710 型 X 射 线 衍 射 仪 (XRD)对 中 间 合 金 的 物 相 组 成 进 行 分 析,采 用 铜 钯,Kα 射线,电压为40kV,电流为20mA,扫描范 围为20°~80°。采用JSM35C 型扫描电镜(SEM) 观察中间合金的微观形貌,并采用 SEM 附带的能 谱仪(EDS)对微区化学成分进行分析。在铸态和固 溶态试样上截取金相试样,经打磨、抛光,用苦味酸 +乙醇+乙酸(体积比为5∶5∶100)溶液腐蚀后,采 用 LeicaDMILM 型光学显微镜观察显微组织,采 用线性截距法测量3个视野的晶粒尺寸求平均值。 采用排水法测得铸态合金的密度,理论密度根据合 金的化学成分以及 Al-4B中间合金的质量分数计算 得到,通过理论密度与实测密度的差值除以理论密 度来计算孔隙率。采用401MVD TM 型数显显微维 氏硬度计测硬度,压头为136°金刚石四棱锥压头, 载荷为1.96N,保载时间为10s;按照 ASTM E8M04,在铸态合金上截取标距为80mm 的拉伸试样, 采用 MTS810型万能拉伸试验机进行室温拉伸试 验,拉伸速度为6mm·min -1,每组试样测5次取平 均值。采用 LEO1530VP型扫描电镜观察析出物 形貌和拉伸断口形貌,并采用 EDS进行微区成分分 析,加速电压为15~30kV。

 2 试验结果与讨论

 2.1 Al-4B中间合金的物相组成与形貌

 由图1可 以 看 出 :Al-4B中 间 合 金 由 硼 化 铝 (AlB2)和 α-Al相组成,基体上分布着呈多边形的 AlB2 块状 颗 粒。熔 融 铝 与 KBF4 盐 发 生 反 应 时, KBF4 盐中的硼被铝还原出来,形成 AlB2 分散在铝 熔体中[15]。 

2.2 Al-4B中间合金对 AZ31镁合金显微组织的影响

 由图2结合 XRD 分析可以看出:未添加 Al-4B 中间合金时,AZ31镁合金主要由α-Mg相和β-Mg17Al12 20 赖春明,等:Al-4B中间合金对 AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响 图1 Al-4B中间合金的 XRD谱、SEM 形貌和块状颗粒的 EDS谱 Fig 1 XRDpattern a SEM morphology b andEDSspectrumofbulkparticle c ofAl-4Bmasteralloy 图2 未添加 Al-4B中间合金时 AZ31镁合金铸态和固溶态的显微组织 Fig 2 MicrostructuresofAZ31magnesiumalloywithoutAl-4Bmasteralloyatcaststate a andsolutionstate b 图3 添加不同质量分数 Al-4B中间合金的 AZ31镁合金固溶处理后的显微组织 Fig.3 MicorstructuresofAZ31magnesiumalloywithdifferentmassfractionsofAl-4Bmasteralloyaftersolutiontreatment 相组成;固溶处理后,β-Mg17Al12 相基本溶解,晶界 清晰可辨,统计得到其平均晶粒尺寸约为470μm。 由图3可以看出:经固溶处理后,添加 Al-4B中 间合金的 AZ31 镁合金中 α-Mg晶粒清晰可辨,随 着 Al-4B中间合金添加量的增加,AZ31 镁合金的 晶粒尺寸减小。由图4可以看出,当 Al-4B中间合 金质量分数低于1.0%时,晶粒尺寸降低幅度较大, 添加 Al-4B中间合金的最佳质量分数为1%,此时 晶粒细化效果最明显,而当超过此含量后,继续增加 Al-4B中间合金含量对晶粒细化效果的提升有限; 随着 Al-4B中间合金添加量的增加,孔隙率变化趋 势与晶粒尺寸的变化规律基本一致。添加 Al-4B中 间合金在细化铸造组织晶粒的同时,还有助于提高 晶粒尺寸的均匀性。 21 赖春明,等:Al-4B中间合金对 AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响 图4 AZ31镁合金晶粒尺寸和孔隙率随 Al-4B中间合金含量的 变化曲线 Fig.4 CurvesofgrainsizeandporosityofAZ31magnesiumalloy vsAl-4Bmasteralloycontent 由图5可以看出:添加质量分数2%中间合金 的 AZ31镁合金组织中α-Mg相的中心区域存在微 小 颗 粒 ,经EDS谱 分 析 可 知 该 颗 粒 为AlB2 颗 粒 。 多晶材料的晶粒大小主要取决于熔体中潜在晶核的 数量 以 及 固/液 界 面 处 的 热 过 冷 度 和 成 分 过 冷 度[19-20]。通过添加 Al-4B 中间合金引入的 AlB2 颗 粒使 得 固/液 界 面 处 不 会 形 成 很 强 的 成 分 过 冷, AlB2 颗粒作为一种有效的形核核心,提高了熔体的 形核速率。初生的α-Mg在熔体中围绕着强形核颗 粒形核,并均匀地长大,因此最终形成的α-Mg晶粒 的中心区域通常会出现有效的形核颗粒。Al-4B中 间合金 对 AZ31 镁 合 金 的 晶 粒 细 化 作 用 主 要 与 AlB2 颗粒能促进非均匀形核,从而提升形核速率有 关。在固液相变过程中形核核心越多,越有利于结 晶凝固过程中剩余液态金属的均匀消耗而使孔隙率 降低,因此随着 Al-4B 中间合金添加量增加,AZ31 镁合金的孔隙率降低。 图5 添加质量分数2% Al-4B中间合金的 AZ31镁合金的SEM 形貌和颗粒的 EDS谱 Fig 5 SEM morphology a andEDSspectrumofparticle b ofAZ31magnesiumalloywith2wt% Al-4Bmasteralloy 图6 AZ31镁合金的硬度和拉伸性能随 Al-4B中间合金含量的变化曲线 Fig 6 Curvesofhardness a andtensileproperties b vsAl-4BmasteralloycontentofAZ31magnesiumalloy

 2.3 Al-4B中间合金对 AZ31镁合金力学性能的影响 

由图 6 可 以 看 出:添 加 Al-4B 中 间 合 金 后, AZ31镁合金的硬度显著提高,且随着中间合金含 量的增加而升高,添加质量分数2% Al-4B 中间合 金后 AZ31镁合金的硬度达到了70.5HV;随着 Al4B中间合金含量的增加,AZ31镁合金的抗拉强度、 屈服强度和断后伸长率都增大,添加质量分数2% Al-4B中间合金后 AZ31 镁合金的抗拉强度、屈服 强度 和 断 后 伸 长 率 分 别 为 187 MPa,86 MPa 和 10.2%,与未添加 Al-4B中间合金的相比,其增加幅 度分别为49.6%,34.4%和45.7%。 由图7可以看出,未添加和添加质量分数2% Al-4B中间合金的 AZ31镁合金的拉伸断裂均呈塑 性和脆性的混合断裂模式。未添加 Al-4B中间合金 的 AZ31镁合金拉伸断口中存在韧窝和微裂纹(箭 头所示),添加质量分数2% Al-4B中间合金的断口 中韧窝(箭头所示)数量较多且尺寸较小,未观察到 明 显的微裂纹。可知,添加Al-4B中间合金后通过 22 赖春明,等:Al-4B中间合金对 AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响 图7 未添加和添加质量分数2%Al-4B中间合金时 AZ31镁合金的拉伸断口SEM 形貌 Fig 7 TensilefractureSEM morphologyofAZ31magnesiumalloywithout a andwith2wt% Al-4Bmasteralloy b 细晶强化方式提高了合金的微裂纹形成阻力,同时 Al-4B中间合金的添加极大地降低了铸造组织的孔 隙率,从而大大降低了微裂纹形成的概率,因此镁合 金具有更高的强度和更好的塑性。

 2.4 分析与讨论

 在多晶材料中,晶粒尺寸的减小有助于提高材 料的屈服强度,二者之间的关系可用 Hall-Petch关 系式[21-22]表示,表达式为 σy =σ0 +kd -1/2 (1) 式中:σy 为屈服应力;σ0 为位错在滑移面上滑动时 所受到的阻力,对于金属材料,主要包括晶格阻力、 晶体内其他位错应力场对位错运动的阻力以及固溶 强化对位错运动的阻力等;d 为平均晶粒直径;k 为 相邻晶粒位向差对位错运动的影响系数,与晶体结 构有关。 根据式(1)对添加不同含量 Al-4B 中间合金的 AZ31镁合金的屈服强度与晶粒尺寸进行拟合,拟 合结果 如 图 8 所 示,拟 合 得 到 k=259.58 MPa· μm -1/2,σ0=51.24MPa,这与 YU 等[3]以及 YUAN 等[23]的研究结果相吻合。添加 Al-4B中间合金后, 在 AZ31镁合金强度和硬度提升的同时,合金的塑 性也得到明显改善,这是细晶强化的优势。在 Al4B中间合金质量分数达到1%后,随着 Al-4B中间 合金添加量的继续增加晶粒尺寸增长缓慢,而合金 的硬度和拉伸性能未出现该变化规律。添加 Al-4B 中间合金后,形成的 AlB2 颗粒除了可以作为形核 核心提高形核率从而起到晶粒细化作用外,还可以 在合金变形过程中有效阻碍位错运动从而产生弥散 强化作用,最终提高合金的力学性能。这种弥散强 化作用在 Al-4B中间合金质量分数超过1%后越来 越明显。由图8还可以看出,Al-4B 中间合金质量 分数不高于1%与超过1%时k 值明显不同,分别为 173.56,715.55MPa·μm -1/2,二者的差别非常大,这 恰好说明 Al-4B 中间合金质量分数超过1%后,合 金的主要强化机制发生改变。 图8 添加不同含量 Al-4B中间合金 AZ31镁合金屈服强度与 晶粒尺寸的拟合曲线 Fig.8 FittingcurveofyieldstrengthandgrainsizeofAZ31 magnesiumalloywithdifferentcontentofAl-4Bmasteralloy 

3 结 论

 (1)通 过 熔 融 铝 与 KBF4 盐 反 应 制 备 得 到 由 AlB2 和α-Al相组成的 Al-4B中间合金,其中 AlB2 呈多边形颗粒状。 (2)随着铸造过程中 Al-4B中间合金添加量的 增加,AZ31镁合金的晶粒尺寸减小,尺寸均匀性得 到改善,孔隙率降低;Al-4B中间合金的质量分数为 1%时,晶粒细化作用最明显。晶粒细化效果主要与 AlB2 颗粒可以作为有效的形核核心来提高熔体的 形核速率有关。 (3)随着 Al-4B 中间合金含量的增加,镁合金 的硬度、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均增大; AZ31镁合金合金力学性能的提高主要归因于 AlB2 相产生的细晶强化、弥散强化以及铸造组织孔隙率 的降低,且当 Al-4B中间合金质量分数超过1%后, 其弥散强化效果开始显现。添加 Al-4B中间合金细 化的 AZ31镁合金晶粒尺寸和屈服强度符合 HallPetch关系,拟合得到相邻晶粒位向差对位错运动 的影响系数为259.58MPa·μm -1/2。

来源：材料与测试网