董丽君，王 琼，唐博文，吴安如

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭411101）

镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点，也有电磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流动性等优点，被广泛应用于汽车、航空工业中[1－2].但是一般镁合金的高温强度低、耐热性差，能在200℃以上得到应用的镁合金主要是稀土镁合金，镁中加入稀土元素后能显著提高合金的强度和耐热温度.在所有的稀土元素中，Gd、Y被认为是提高镁合金高温性能很有效的元素[3－7].热处理是改善或调整镁合金力学性能和加工性能的重要手段.本文以 Mg－Gd－Y－Zr合金为研究对象，研究了不同热处理条件对合金组织和力学性能的影响，以期为进一步研究该合金的组织性能与工艺的相互关系提供实验参考.

1 试验过程

试验合金在坩埚电阻炉中用石墨坩埚熔炼.Mg以纯镁（99.9%）形式加入，合金元素Gd、Y、Zr分别以Mg－28%Gd、Mg－33%Y、Mg－30%Zr中间合金的形式加入.采用自制稀土镁合金专用熔剂覆盖和氩气保护，熔炼温度为750～780℃.熔炼过程为：将坩埚预热至暗红色，加入适量溶剂，装入镁锭升温熔化，待镁锭全部熔化后升温至730～750℃依次加入Mg－28%Gd、Mg－33%Y中间合金，搅拌后除渣，升温至750～780℃ 时加入Mg－Zr中间合金，搅拌均匀、除渣后静止10min，降温至760℃浇铸成20 mm铸锭，铸型采用空冷钢模.采用PW2403型X射线荧光光谱分析仪进行合金成分分析，合金成分为 Mg－7.92Gd－2.89Y－0.41Zr（wt%）.

为消除铸锭成分的不均匀性，试验合金进行480℃／8h均匀化退火.挤压是提高镁合金塑性的有效手段之一，均匀化退火后试验合金在型号为YX32－315四柱液压机上进行一次挤压，挤压比为25，挤压速度为1m／min，挤压温度为400℃.将挤压后的棒材分别进行T6（480℃固溶2h后在200℃时效）和T5（直接在200℃时效）热处理，通过硬度测量选择硬度值较好的时效状态，然后比较这种状态在175℃、200℃和225℃3种温度下的力学性能，分析温度对时效性能的影响.金相试样的浸蚀剂为：5mL浓硝酸＋95mL乙醇＋5g苦味酸.采用GX60－DS金相分析系统和XD98型粉末X射线衍射仪分别进行显微组织观察和物相分析.采用HVS－1000型显微硬度计测定均匀化后试样晶粒内部的显微硬度值，载荷为25N，保压时间为20s.拉伸力学性能在CMT5305型电子万能材料试验机上进行，拉伸速度为0.5mm／min，拉伸试样按照GB6397－86制备.

2 试验结果与分析

2.1 热处理对合金显微组织的影响

图l为合金铸态显微组织.由图可知，试验合金铸态组织是由分布在晶界的化合物和α－Mg基体相组成，晶界上分布着不连续的＂树枝状＂金属间化合物，枝晶偏析明显.铸态合金的平均晶粒尺寸为30～40μm，这与Zr在镁合金中是一种非常有效的晶粒细化剂有关[8].

图2 为铸态试样均匀化处理后的显微组织.由图2可知，合金经480℃／8h均匀化退火后，晶界清晰，铸态组织中的偏析基本消除，但晶粒尺寸略有长大，合金平均晶粒尺寸约为40～55μm.图中枝晶的完全消除说明合金的均匀化处理工艺制定合理.

图3 为合金挤压＋T5（200℃×10h）峰时效的显微组织.由图可知，经时效后，从α（Mg）基体中弥散析出第二相，从而达到时效强化的作用[9].

2.2 挤压态合金时效强化

图4 为挤压态合金两种不同的热处理工艺的时效硬化曲线.由图可知，T5处理和T6处理均能使合金的硬度升高，但T5处理后的合金硬度高于T6处理的硬度，而且在T5处理过程中，合金达到峰值时效所需时间更短（10h），峰值硬度值达到93HV，即时效硬化反应更快.

由于热加工温度较高，热挤压过程相当于固溶和变形同时在进行，而且棒的直径不大，挤压完毕相当于冷淬，所以挤压态的合金是过饱和固溶体.对挤压态合金进行固溶处理，固溶处理的溶解作用不大；固溶处理不但会消除热加工过程中产生的位错，而且会使合金的晶粒长大（热加工过程中已经完成了再结晶），这会降低合金的强度，导致挤压态合金T6处理的硬度比T5处理的硬度低，达到峰值的时间也较长，但热稳定性比Ext－T5态的要好.

图5 为Ext－T5态合金在不同温度的时效硬化曲线.实验结果表明，随时效温度增加，峰值硬度有所降低.在175℃时效的峰值硬度值最高（94 HV），达到峰值时间最长（16h），在225℃时效的峰值硬度值最低（88HV），达到峰值时间最短（6h），200℃ 的时效峰值硬度和达到峰值的时间介于175和225℃之间.这是由于时效温度越高，析出强化相脱溶的驱动能越大，析出所需的时间就越短，即在较短时间内完成了α－Mg密排六方结构到β′非密排六方结构相的部分转变[10]，但析出相的数量相应要少，时效强化的效果要降低.出现时效峰值后，随时效时间的延长，时效硬度下降，合金在225℃时效表现更为明显.

2.3 热处理对合金拉伸力学性能的影响

表1 是合金在不同处理状态下的室温拉伸力学性能.表1数据表明，铸态合金经过均匀化处理后，由于晶界处偏析相的消除，均匀化处理在一定程度上能提高合金的拉伸力学性能，合金的伸长率由3.1%提高到4.1%，塑性提高了30%，塑性的提高有利于改善合金热加工成形性能；但由于均匀化处理导致晶粒长大，其抗拉强度和屈服强度增加不明显.

表1 合金在不同处理状态下的拉伸力学性能

表1 数据表明，挤压有效地改善了合金的强度和塑性，因热挤压后发生再结晶，晶粒尺寸变小，合金的屈服强度升高，同时，晶粒细小有利于多晶体的协调变形，合金的伸长率也进一步提高.相比铸态，σb提高48% ，σs提高36%，δ达到6.3%

挤压态合金经时效后，由于析出相对位错的钉扎和阻碍作用，合金的强度明显提高，但伸长率有所下降.相比挤压态，σb提高28%，σs提高36%.

3 结 论

（1）试验合金铸态显微组织主要由α－Mg基体和“树枝状”的富稀土相构成.

（2）试验合金经480℃／8h均匀化处理，铸态组织中的偏析基本消除，合金的塑性提高了30%，利于改善合金热加工成形性能.

（3）挤压使合金的强度和塑性均得到明显提高，相比铸态，σb提高48%，σs提高36%，δ达到6.3%.对挤压态合金进行200℃×12h的时效，合金的强度得到进一步提高，σb、σs分别达到385.6MPa、310.8MPa，但塑性有所降低，δ降低至4.8%.

（4）T5处理和T6处理均能使合金的硬度升高，但T5处理后的合金的硬度高于T6处理的硬度.试验合金在175℃、200℃和225℃ 直接时效时，在175℃时效的峰值硬度值最高（94HV），达到峰值时间最长（16h），在225℃时效的峰值硬度值最低（88HV），达到峰值时间最短（6h），200℃ 的时效峰值硬度和达到峰值的时间介于175℃和225℃之间.

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