Al对Mg-5%Cu合金显微组织及力学性能的影响
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Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ开发研究
Ａｌ对Ｍｇ一５％Ｃｕ合金显微组织及力学性能的影响
李向平’，黄晓锋１Ｉ２，冯 凯’，王鹏飞 ，张少辉’
（１．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州７３００５０； ２．兰州理工大学有色金属合金及）ＪＤ Ｔ教育部重点实验室，兰州 ７３００５０）
摘要：通过光学显微镜、ｘ射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪及万能力学试验机等研究了不同Ａｌ含量（１％、
３％、５％）对Ｍｇ一５％Ｃｕ合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：在Ｍｇ一５％Ｃｕ合金中添加Ａｌ元素后，显微组织 得到明显细化；当Ａｌ含量为５％时，其主要相组成为ｏ【一Ｍｇ基体相、１３－Ｍｇ Ａｌ 相、Ａｌ Ｃｕ相和ＡＩＣｕＭｇ三元相；随 着Ａｌ含量的增加，合金的抗拉强度逐渐上升，Ｍｇ一５％Ｃｕ一５％Ａ１合金的抗拉强度最高，为１９２ＭＰａ；而伸长率呈逐
渐下降的趋势。 关键词：铝；Ｍｇ一５％Ｃｕ合金；显微组织；力学性能
中图分类号：ＴＧ１４６．２ ２：文献标识码：Ａ；文章编号：１００６—９６５８（２０１１）０６－４
镁合金是最轻的工程金属结构材料，具有低密度、 较高的比强度和比刚度、较好的阻尼减震性能和电磁
基金项目：９７３前期研究专项（项目编号：２０１０ＣＢ６３５１０６），甘肃省高等 学校基本科研项目 收稿日期：２０１１－０７—１０ 文章编号：２０１ １－１０５ 作者简介：李向平（１９８６一），男，硕士研究生，主要从事镁合金的研究
＋－－－４－－＋“＋ ＋・・＋・・＋“＋”＋一＋”＋“＋ ［１】范晓明，万朋，文红艳．Ｍｎ含量对含铁ＡＺ９１镁合金铸态组织与性 能的影响［＿『】．中国铸造装备与技术，２００８（６）：１６—１８． ［２】郑飞燕．ｓｒ、Ｂ对ＡＺ９１Ｄ镁合金组织和性能的影响［Ｄ］．郑州：郑州大 学．２００７． 【３】周吉学，汪彬，童文辉，等．ｓｒ对ＡＺ９１Ｄ镁合金枝晶生长和相析出的 影响［Ｊ】．金属学报，２００７，４３（１１）：１１７１—１１７５． ［４］Ｌｅｅ Ｙ Ｃ，Ｄａｈｌｅ Ａ Ｋ，Ｓｔｊｏｈｎ Ｄ Ｈ．Ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｓｏｌｕｔｅ ｉｎ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ［Ｊ］．ＭｅｔａｌＭａｔｅｒ．Ｔｒａｎｓ．，２０００，３１Ａ（１１）：２８９５－２９０６． ［５］刘倩，唐靖林，曾大本．ｓｒ与电磁搅拌对ＡＺ９１Ｄ合金显微组织的影 屏蔽性能，切削加工性能良好，易回收利用等优点，在 汽车、电子、家电、通信、仪表以及航空航天等领域的应
用日益增多，被誉为“２１世纪绿色工程金属”［１－３１，有着
很乐观的应用前景。但是，与钢、铝等传统的金属材料 相比，到目前为止对镁的研究还远远不够。近些年来，
国内外出现了研究开发镁基材料的热潮，其中，对镁的 合金化的研究是很重要的一个方面。镁的合金化是改
＋一—・卜”——卜“＋“＋”＋”—－卜“＋－＋”＋一—・卜ｗ－４－”－＋－“＋－＋ 响［Ｊ】．特种铸造及有色合金，２００８，２８（１）：６３—６５． ［６】Ｂｙｕｎ ＪＹ，Ｋｗｏｎ ＳＩ，Ｄｏｈ ＪＭ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆＡＺ９１Ｄ Ｓｌｕｒｒｉｅｓｆｏｒ Ｓｅｍｉ－Ｓｏｌｉｄ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ＡＩ８（Ｍｎ，Ｆｅ）５ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈｓ，２００４，２２（Ｓｕｐｐ１．）：４２—４６． ［７］Ｐｅｎｇ Ｃａｏ，Ｍａ Ｑｉａｎ，Ｄａｖｉｄ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｎ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｇ ＡＩ ｂａｓｅｄ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２００６，（５４）： １８５３—１８５８． 【８】石路，李江委，管仁国，等．Ｃａ、Ｍｎ对镁合金凝固组织的影响［Ｊ】．有色 矿冶，２００８（２）：２３—２５．
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｍｉｘｉｎｇ Ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｎ ａｎｄ Ｓｒ ｏｎ ｔｈｅ ＡＳ－Ｃａｓｔ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ
ＡＺ９１ Ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ Ｆｅ Ｃｏｎｔｅｎｔ
ＴＡＮＧ ＤａＣｈａｏ１．ＦＡＮ ＸｉａｏＭｉｎｇ０，ＬｌＵ ＣｈｅｎＨｕｉ 。ＭＡ Ｂｉｎ （１．ＳｈｉＹａｎ ＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａＩ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｌｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｙａｎ ４４２０００，Ｈｕｂｅｉ Ｃｈｉｎａ：
２．Ｗｕｈａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｗｕｈａｎ ４３００７０ Ｈｕｂｅｉ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ０．５％Ｓｒ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｍｎ（ＷＭｎ＝０％，０．２％，０．５％ａｎｄ ０．８％）ｏｎ ｔｈｅ ａｓ— ｃａｓｌ ｍｉｃｒＯｓｌｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＡＺ９１ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ０．２％Ｆｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＯＭ）．Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＸＲＤ）ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ（ＥＰＭＡ）．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｓｈｏｗｎ ｌｈａｔ ｊｎ
ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ Ｓｒ ａｄｄｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ，ｐｒｏｐｅｒ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｍｎ ｃｏｕｌｄ ｆＯｒｍ ｈｅｔｅｒＯａｅｎｅＯｕｓ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ． Ｗｈｅｎ Ｍｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｒｅａｃｈｅｄ ０．８％，ＡＩ６Ｍｎ ｐｈａｓｅ ｆｏｒｍｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ ｈａｖｅ ｃｏａｒｓｅ ｔｒｅｎｄ ｌＯ ｔｈｅ ｍａｓｓｉｖｅ．
Ｍｎ ｃｏｕｌｄ ｐｏｉｓｏｎ ｔｈｅ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｓｒ ｗｈｉｌｅ ｍｉｘｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｏｎ Ｏｆ Ｍｎ ａｎｄ Ｓｒ．Ｍｎ ｐｒｏｍｏｔｅｄ ｔｈｅ ｆＯｒｍａｔｉｏｎ
Ｏｆ Ａｌ４Ｓｒ ｗｈｉｌｅ ＡＩ４Ｓｒ ｗｅａｋｅｎｅｄ ｔｈｅ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｒ；Ｍｎ；Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
中国铸造装备与技术６／２０１ １ ＣＦＭＴ
７ ０譬 ％ｍ ： 发 究Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ “＊ｕｕ
善镁合金的力学性能、工艺性能、阻燃性、耐蚀性的有
效手段 。 在Ｍｇ—Ａｌ合金中加入ｃｕ可改善铸件的韧性及固 溶处理特性，可在室温和高温下表现较为良好的力学
性能。研究表明，Ｃｕ的加入能够显著提高Ｍｇ～Ａ１合金
的固相线温度，能够在更高的温度下进行固溶处理，使 较多的合金元素固溶于合金中，增强了随后的时效强
化效果，而且ｃｕ还能显著提高合金的延展性ｌ５Ｉ６］。对于
Ｍｇ—ｃｕ二元合金来说，ｃｕ含量在５％左右时，具有较好 的铸造力学性能（ｃｒｂ＝１４２ＭＰａ，６＝４．５％）。Ａ１是镁合金中
最常用、最有效的合金化元素，随着Ａｌ含量的增加合
金的铸造性能得到改善，并且具有优异的力学性能， 但Ａｌ含量也不宜过高，否则将导致合金变形能力下降
［７－９］。因此，本实验在Ｍｇ一５％Ｃｕ基体合金中加入（１％、 ３％、５％）的Ａｌ元素后，研究在金属型铸造工艺条件下
的显微组织和力学性能的变化规律。
１试样制备与试验方法
１．１试样制备 试验所用的原材料为９９．９％的纯镁、纯铝和纯铜，
配制合金如表１所示。实验合金在７．５ｋＷ井式坩埚电
阻炉中进行熔炼，用ＫＳＷ一１２—１２Ａ恒温控制箱控制电 炉温度，并采用ＲＪ一２熔剂保护。坩埚、钟罩、浇勺等
工具在使用前先预热至２００￣Ｃ左右，在表面涂以一定
表１试验合金的成分（埘 ％）
合金编号 Ｍｇ Ｃｕ Ａ１
１ 余量 ５ １
２ 余量 ５ ３
３ 余量 ５ ５
厚度的涂料，然后烘干待用。熔炼过程通入氩气进行保 护，待Ｍｇ和ｃｕ熔化后，在６８０￣Ｃ时将预热好的纯铝加
入熔体中，当温度升至７２０￣Ｃ采用ｃ ｃｌ 进行精炼、扒
渣，静置１５～２０ｍｉｎ，待炉温降至７０５ｏＣ时浇注到预热的 金属型模具中，分别得到Ｍｇ一５％Ｃｕ一１％Ａ１、Ｍｇ一５％Ｃｕ一
３％Ａ１和Ｍｇ一５％Ｃｕ一５％Ａ１三种合金。 １．２试验方法 在岛津ＡＧ一１０ＴＡ型万能试验机上进行拉伸试 验，拉伸速度为ｌｍｍ／ｍｉｎ，每组３个试样取平均值，试
样尺寸如图１所示；在浇注成￣１５ｍｍ￣１００ｍｍ的棒料 上取ｏｌ５ｍｍｘｌ０ｍｍ的小试样，经预磨和抛光后，用８％
的硝酸水溶液腐蚀，在ＭｅＦ一３型光学显微镜上进行显
微组织观察；采用ＪＳＭ一６７００Ｆ型扫描电镜对显微组织 和拉伸断口形貌进行观察；利用Ｒｉｇａｋｕ Ｄ／ｍａｘ２４００型
ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ）进行物相分析；采用ＥＤＡＸ能谱
仪进行微区成分分析。
２结果与讨论 ２．１合金的显微组织分析
图２为不同铝含量的Ｍｇ～５％Ｃｕ合金的铸态显微 组织。Ｍｇ一５％Ｃｕ－ＸＡ１合金的组织主要由白色的基体
相和在晶界上呈网络状分布的黑色的第二相组成，第 二相的数量随着铝含量的增加而增多，晶间第二相粗
化，合金晶粒随着铝含量的增加而逐渐细化。对于亚共
晶的Ｍｇ—Ａ１合金，随着铝含量的增加，ｏ【一Ｍｇ晶粒尺寸 明显减小，主要是由于Ａｌ的生长抑制因子（ＧＲＦ）值较
小，所以Ａｌ含量较低时，在生长的晶粒表面前沿难以
产生较大的成分过冷，因此其晶粒细化能力较弱嘲，随 着Ａｌ含量的增加，晶粒细化显著。
（ａ）Ｍｇ一５％Ｃｕ一１％ＡＩ （ｂ）Ｍｇ一５％Ｃｕ－３％Ａ１ （Ｃ）Ｍｇ一５％Ｃｕ一５％Ａｌ 图２ Ｍｇ一５％Ｃｕ－ＸＡ１合金 的显微组织
图３是Ｍｇ一５％Ｃｕ一５％Ａ１合金的ＸＲＤ图谱。结果 表明，当Ａｌ含量为５％时，合金显微组织主要由０【一Ｍｇ
基体（包括初生 一Ｍｇ和共晶仅一Ｍｇ）和以离异共晶方
ｏＦＭＴ中国铸造装备与技术６／２０１ １
式析出的ｐ相（Ｍｇ Ａ１ ）（ｐ相基本上是以粒状和短棒
状形态存在于晶界，少量位于晶内），另外还有少量
Ａｌ Ｃｕ相和在晶界或者晶内分布的点、块状的ＡＩＣｕＭｇ
三元相组成。 图４和表２、图５和表３，图６和表４分别为三种
实验合金Ｍｇ一５％Ｃｕ—Ｉ％ＡＩ、Ｍｇ一５％Ｃｕ一３％Ａ１和Ｍｇ－
５％Ｃｕ一５％Ａ１的ＥＤＳ分析结果，其中ａ点成分均为基 体相成分，其ｃｕ的含量很低。图４中当铝含量为１％
时，基体中的Ａｌ含量为０，其原因有如下两个：一方面 是合金中加入的Ａｌ含量较少，另一方面是Ａｌ与ｃｕ或
Ｍｇ形成了共晶相。由ＸＲＤ分析结果（图３）及对能谱
分析结果（图６和表４）可进一步得知，当Ａｌ含量为 ５％时，试验合金主要由基体 一Ｍｇ相（ａ点），主要沿晶
界分布、少量位于晶内的白色Ｂ—Ｍｇ ７Ａｌ 相和Ａｌ：Ｃｕ
图４ Ｍｇ一５％Ｃｕ—Ｉ％ＡＩ合金的ＳＥＭ形貌
表２ Ｍｇ一５％Ｃｕ一１％Ａ１合金的能谱分析结果（ Ｂ，％）
位置 Ｍｇ Ｃｕ ＡＩ
９９．４２ ０．５８ ０
ｂ ６５．２１ ２９．４６ ５．３２
７３．５２ ２６．４８ ０
图５ Ｍｇ一５％Ｃｕ一３％Ａ１合金的ＳＥＭ形貌
表３ Ｍｇ一５％Ｃｕ一３％Ａ１合金的能谱分析结果（ Ｂ／％）
