均匀化退火对WE43镁合金铸坯组织和性能的影响 - 图文

第29卷??第4期2008年??8月

材??料??热??处??理??学??报

TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENT

Vol.29??No.4August2008

均匀化退火对WE43镁合金铸坯组织和性能的影响

王??强,??高家诚,??王??勇,??李??伟,??牛文娟

(重庆大学材料科学与工程学院,国家镁合金材料工程技术研究中心,重庆??400044)

摘??要:为改善铸态WE43镁合金的成形加工性能,对钢模铸坯试样进行了均匀化退火处理,通过组织观察和维氏硬度测试,分析了不同均匀化退火温度和时间对合金组织和显微硬度的影响。通过拉伸试验测定了其退火后的力学性能,并用SEM观察了断口形貌。结果表明,最优的均匀化退火制度为440?? 18h;在该工艺下均匀化退火后,合金表现出了较好的塑性。关键词:WE43镁合金;??均匀化;??显微结构;??力学性能

中图分类号:TG166??4??????文献标识码:A??????文章编号:1009??6264(2008)04??0065??04

Effectofhomogenizingannealingonmicrostructureandmechanicalproperties

ofWE43magnesiumalloy

WANGQiang,??GAOJia??cheng,??WANGYong,??LIWei,??NIUWen??juan

(CollegeofMaterialScienceandEngineering,NationalEngineeringResearchCenterforMagnesiumAlloys,

ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Abstract:Inordertoimprovetheplasticityofas??castWE43magnesiumalloy,homogenizingannealingtreatmentwascarriedout.MicrostructureandmechanicalpropertiesoftheWE43magnesiumalloywereinvestigatedbyopticalmicroscope,hardnesstestandtensiletest.ThetensilefracturesurfacewasanalyzedbySEM.TheresultsshowthattheplasticityoftheWE43alloyismuchimprovedafterhomogenizingannealingat440??for18h.

Keywords:WE43magnesiumalloy;homogenizing;microstructure;mechanicalproperty

????镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料之一,在航空、汽车和电子通信领域得到了日益广泛应用。镁合金具有资源较为丰富,其产品易于回收利用等特点,在能源与资源日益成为影响社会可持续发

[1]

展的形势下,其开发和利用越来越受到重视。WE43镁合金作为高温耐热、抗腐蚀性镁合金引起了各界的极大兴趣,其铸态组织有????Mg、????Mg41Nd5和 ??Mg24Y5组成,其中绝大部分Mg41Nd5和少量Mg24Y5呈粗大网状分布在晶界,绝大部分Mg24Y5呈颗粒状分布在晶内。在变形过程中,晶界处粗大的Mg41Nd5容易破裂,形成裂纹源,产生裂纹。此外,在铸造过程中容易形成枝晶偏析和区域偏析,导致材料合金延性降低,变形能力下降,使本来变形能力就很差的镁合金塑性更差。为改善WE43镁合金的成型性能,扩

收稿日期:??2007??08??06;??修订日期:??2008??01??21

基金项目:??国家自然科学基金(30670562);重庆大学研究生科技创新基金(200706A1A0070227)

作者简介:??王??强(1984!),重庆大学材料学院国家镁合金材料工程技术中心博士研究生,从事镁合金成形方面的研究,E??mail:wqnwj@163.com。

[3??5]

[2]

大其应用范围,本文采用均匀化退火来改善WE43镁合金的组织和成分均匀性,建立该合金退火工艺、组织和性能的关系,确定最佳的均匀化退火工艺参数,并通过拉伸试验测定了退火后的力学性能。

1??实验材料与方法

试验采用!750mm的铸棒坯,成分如表1所示。????

Y

Nd

[6]

表1??WE43镁合金化学成分(wt%)

Table1??CompositionofWE43magnesiumalloy(wt%)

Zr

Cu

Mn

Ni

Zn

Fe

Si

Mg

4??112??280??45?0??03?0??15?0??005?0??20?0??01?0??01Bal.

????在距铸锭中心约3??4半径处用线切割切取12个

试样,尺寸均为18mm 18mm l5mm。采用管式实验电阻炉加热,均匀化退火温度选择400??,440??,480??;保温时间选择8h,13h,18h,23h;保温结束后出炉水冷。采用#5%浓硝酸+95%乙醇?侵蚀,稀酸清洗腐蚀产物,采用OLYMPUS金相显微镜观察组织,用HBRVU??1000型光学显微硬度计测定维氏硬度。采用新三思万能电子试验机CMT??5150,拉伸速率为1mm??min,测试力学性能,并用扫描电镜观察断口形貌。66材??料??热??处??理??学??报第29卷

2??结果与分析

2??1??合金的微观组织

图1是WE43镁合金的原始铸态组织。从图1中可知,存在着分布于晶间的????Mg+????Mg41Nd5伪共析组织+少量的 ??Mg24Y5以及一些非平衡合金相,其中黑色的??相大多于晶间分布。同时由于非平衡条件下Zr在固相中不能充分扩散,在基体组织中易造成成分偏析,必须通过适当的均匀化退火提高组织和成分的均匀性,改善合金的塑性加工成型性。

[7]

均匀;在相同时间下,随着退火温度的升高,枝晶偏析减少,析出相数量也减少,分布变得越均匀。在400??保温18h时,均匀化后组织与铸态组织(图1)相比,枝晶偏析只得到部分消除,晶内的析出相变化不明显;保温时间增加到23h时,枝晶偏析得到进一步的消除,晶界上的析出相数量减少,且分布变得非连续,但仍以分布在晶界为主,晶内的析出相比较均匀。440??下保温8h的组织形态与400??下保温23h的组织形态相近,枝晶偏析与析出相数量基本相同,在440??下保温13h时,大部分枝晶偏析得到消除,析出相主要集中在晶界上,也有少量的分布在晶内,当保

温时间延长到18h时,枝晶偏析基本消除,析出相均匀弥散的分布在????Mg基体和晶界处。在440??下保温23h时,出现了晶粒明显长大的现象。当温度上升到480??时,晶粒形态已经没有明显变化,但由于温度过高,不同的保温时间下出现了不同程度的组织过烧现象。因此,提高均匀化退火温度对WE43镁合金组织的影响比延长保温时间的影响要大。

由图1,图2的结果可知,均匀化退火时,主要的

图1??WE43镁合金原始铸态组织

Fig??1??MicrostructureoforiginalcastingingotofWE43alloy

组织变化是枝晶偏析消除和析出相溶解。由于WE43镁合金铸态组织中,在????Mg基体上分布有颗粒状的Mg24Y5相,所以退火过程中,上述两个过程均会发生。枝晶偏析消除及非平衡相溶解是同时进行的两个过程。在均匀化过程开始阶段,枝晶网胞与非平衡相的界面处将建立相应于该均匀化温度下的浓度平衡关系。在440??退火时,首先??固溶体成分发生

????均匀化退火后合金的组织如图2所示。均匀化退火后,试样的晶粒尺寸随温度升高和时间延长有增大的趋势,但变化不大,最明显差异在于组织中的合金相数量和形态不同。在同一温度下,随着退火时间的延长,枝晶偏析减少,析出相数量也减少,分布变得

图2??均匀化退火后组织

Fig??2??MicrostructureofWE43alloyafterhomogenizingtreatments

(a)400?? 18h;(b)440?? 18h;(c)480?? 8h;(d)400?? 23h;(e)440?? 23h;(f)480?? 13h

第4期王??强等:均匀化退火对WE43镁合金铸坯组织和性能的影响67

均匀化过程,使??枝晶与??相界面处??固溶体浓度达到低于最大溶解度处的浓度值。由于界面处平衡关系破坏,??相将溶入??基体中,因而??固溶体枝晶边部浓度又升至平衡浓度。这样的过程不断进行,??????界面将向??相的方向移动,而固溶体内部成分逐渐均匀化。2??2??合金的显微硬度

实验选用最大的实验力9??8N,加载时间为20s,每个试样测定5次,各次测定值和平均值(测定结果)的相对误差除了440?? 23h样为2??3%,其他试样均在0??3%~1%之间,说明测定值具有代表性,结果见图3。

[8]

的升高而不断减小,说明硬度在适当的保温温度下,随着保温时间的延长变化不明显;硬度随温度的变化非常明显,即保温温度较高的试样硬度下降明显。480??,8h试样的硬度值已经相当于440??,23h试样对应的硬度值。这也说明了,均匀化退火过程中,温度对试样硬度的影响更为显著。

综合以上分析,均匀化退火本质上在于通过原子的扩散来达到成分均匀,伪共析组织和析出相的溶解都要靠原子的扩散来实现,而过程中起决定作用的还是受均匀化退火温度影响的原子扩散速度。而在同一温度下适度地延长退火时间,是有助于原子的充分扩散。但从实验结果来看,在440?? 18h时,均匀化的效果非常明显,对组织和性能的改善作用较大。随着合金相的溶解与枝晶偏析的消除,维氏硬度值降低,WE43的组织成分均匀性提高,在一定程度上可使塑性增强,有利于改善材料的成形性能2??3??合金的力学性能和拉伸断口分析

[9,10]

。

图4为WE43镁合金在440??下经18h均匀化处理后,室温下的拉伸断口SEM形貌和应力??应变曲线。从图4(a)中观察到,合金的断口有撕裂棱,撕裂棱之间有河流状花样,并带有较多的圆形韧窝,形成了准解理和韧性断裂的混合特征,表现出了较好的塑性。图4(b)为合金的应力??应变曲线,合金在断裂前

图3??(a)硬度??时间关系;(b)硬度??温度关系Fig??3??(a)Relationshipbetweenhardnessandannealingtime;

(b)hardnessandannealingtemperature

不同温度下的硬度??时间规律大致相近,硬度值都随着保温时间的延长而单调下降,并且在超过一定的保温时间后下降趋势缓慢(见图3(a))。具体地表现为:在400??下保温18h和440??下保温18h后硬度值的下降趋势趋于平缓;480??下进行均匀化,硬度值明显小于400??和440??,但随保温时间的延长,硬度值下降趋势缓慢。可以认为,短时保温(400??和440??取18h,480??取13h)能显著地降低试样硬度,继续延长保温时间对试样硬度已无太大影响。

图3(b)中列出的四条折线均呈单调下降的趋势,且保温13h和18h两条曲线之间的距离随着温度图4??(a)WE43镁合金拉伸断口的SEM形貌;

(b)应力??应变曲线

Fig.4??(a)SEMmicrographshowingoffractureof

WE43alloy;(b)curveofstress??strain

68材??料??热??处??理??学??报第29卷

发生了屈服,力学性能结果如表2所示,伸长率达到了15??8%。

表2??WE43镁合金440??退火18h后力学性能Table2??MechanicalpropertiesofWE43magnesiumalloy

annealedat440??for18h

?s??MPa140

?b??MPa225

#????8

3??结论

1)WE43铸态镁合金进行均匀化退火处理后,铸锭枝晶偏析消除和非平衡相溶解,镁合金的组织和性能均变得均匀,晶粒大小一致;其强度下降,塑性大大

提高,使后续塑性变形工艺容易进行;

2)均匀化退火中温度的影响占主导地位,在同一温度下过度延长保温时间作用不大。在本试验条件下,优化的均匀化退火工艺制度为440?? 18h;

3)均匀化处理后的合金在室温下表现出了较好的塑性,伸长率达到了15??8%。

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