磁场结合时效处理对AZ91D组织和性能的影响

磁场结合时效处理对ＡＺ９　１　Ｄ组织和性能的影响　冯志宽　（江汉大学文理学院，湖北武汉４３００５６）　摘　要：研究了镁合金ＡＺ９１Ｄ在磁场中时效条件下组织和性能的变化规律，结果表明，与没有磁场　时效相比，合金的显微组织变化较为明显，其力学性能也得到一定程度的改善，本文对磁场的作用机理进　行了初步探讨。　关键词：磁场；时效；组织；性能　中图分类号：ＴＧ　１６６．４　文献标志码：Ａ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ＦｉｅＩｄ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＡＺ９　１Ｄ　ＦＥＮ『Ｇ　Ｚｈｉｋｕａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｒｔｓ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｊｉａｎｇｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００５６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＡＺ９１Ｄ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ，ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｅｘｔｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ，Ｈｅａｔ—ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　镁合金材料被称之为２１世纪的绿色工程材料，　在航空航天、汽车工业、电子信息、民用家电等领域　均得到广泛的应用。针对镁合金材料性能上的缺　陷，各种新的制造工艺正在积极探索中［Ｉ］。材料电　磁工艺将电场或磁场引入到材料的制备或加工过程　中，从而实现对材料制备或加工过程和产品质量的　控制及材料组织性能的改善，是一种新型的工艺手　段［２］。本文以镁合金ＡＺ９１Ｄ为研究对象，创建在磁　场中时效的工艺条件，研究该条件下ＡＺ９１Ｄ组织和　性能的变化规律，以期探索新的工艺途径。　１试验装置和方法　１．１试验装置　试验采用创新小组自行开发的热处理装置。其　结构示意图如图１所示，主要包括加热部分、电磁场　激励部分、温度控制部分。为了试验中磁场的分布　尽量少受外部环境的影响，试验仪器制备过程中尽　量少用铁磁材料，而选用不影响磁场的石英玻璃等　材料。为使石英玻璃管２中温度相对均匀，拉伸电　阻丝时让两头的螺旋较中间密。为了保温，同时起　到隔热作用，防止高温对电磁激励线圈的破坏，在玻　璃管１外表面包裹适当厚度的石棉。温度控制部分　采用带热电偶传感器的自动温度控制器，经多次调　试，灵敏度适当。试验用ＡＺ９１Ｄ试样为自行制备，　严格控制各种缺陷的产生，减小次要因素对试验的　影响。　

图１试验装置示意图　１．２试验方法　首先将所制备的试棒进行固溶处理（４２０℃×　１６　ｈ，水冷），然后在上述装置中进行时效热处理　（２００℃×８　ｈ，空冷）。热处理过程中分别在电磁激　励线圈中通以０　Ｖ、３０　Ｖ、５０　Ｖ、７０　Ｖ的交流电。然　后对不同条件下处理后的试样进行组织观察和性能　检测。　

Ｅ５］Ｍａｒｃ　Ｔｈｏｍｍｅｎ，Ｔｏｆｆｅｎ（ＳＥ）．Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｐａｒａ　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｋｅｔｉｍｉｎｅｓ　Ｉ－ｐ］．ＵＳＡ：６６９３２１８，２００４—０２～１７．　作者简介：王新春（１９８５一），女，硕士研究生，主要研究方向为　单组份聚脲树脂的合成。　收稿日期：２０１０年７月２０日　责任编辑王亚昆　《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究　２０１０年　第ｌ１期　・６９・

　２　试验结果　２．１组织观察结果　为检测ＡＺ９１Ｄ在磁场中时效时组织所受影响，　采用扫描电镜分析以获得高倍显微图像，结果如图　２所示。从图２ａ中可以看出，无磁场作用下合金中　组织粗大，且Ｂ相分布不连续、不均匀，多呈块状分　布；从图２ｂ中可以看出，在施加磁场后，合金的微观　组织发生明显的变化。基体ａ相组织在施加磁场后　变得更加均匀，Ｂ相明显长大，且沿晶界连续分布。　进一步改变磁场的大小，观察不同磁场作用下　的显微组织变化，励磁电压分别是３Ｏ　Ｖ、５０　Ｖ、７０　ｖ　时显微组织观察结果如图３所示。从图３中可以看　出，随着磁场的增大，合金微观组织中Ｂ相含量逐渐　增多并逐渐变大且分布更连续。基体Ｍｇ（ａ相）晶　粒更加细小，组织更加均匀，这对提高镁合金的力学　性能有利。　一　

ａ）无磁场　ｂ）有磁场　图２有无磁场时显微组织对比　

ｂ、５ＯＶ　—　

ｃ）７０Ｖ　图３　不Ｉ司磁场条件下的显微组织　２．２相成分分析　由于合金中铝的含量是一定的，但是发现磁场　加入后镁合金中的Ｇ相显著增加，并且随着磁场的　增大而增加，所以有必要分析８相的成分。对扫描　电镜视场中Ｊ３相上Ｓｐｅｃｔｒｕｍ１点进行点能谱分析，　结果如图４所示。从图４可以看出，ｌ３相的成分　Ｍｇ　Ａ１　ｚ发生了变化，其中Ａｌ的含量降低了很多，　Ｍｇ与Ａｌ的原子比接近２：１，而Ｍｇ　Ａ１　的原子比　应接近于３：２。　

＾　，　。　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ１　Ｉ　

Ｏ　Ｚｎ　ｌＩＬ　Ｉ　‘　（　・……　…。。　…’　…　…　……　…　…　’　：ｕＩｌ　Ｓｃａｌｅ　２０１　ｃｔｓ　Ｃｕｒｓｏｒ：３．４６０　ＫｅＶ（１　ａＳ）　ｋｅＶ　

图４　Ｂ相点成分分析　２．３力学性能检测　为检测不同磁场条件下热处理ＡＺ９１Ｄ镁合金　时磁场对其性能的影响，对两Ｉ３相间每间隔０．２　ｍｍ　进行了显微硬度测量，结果如图５所示。　试样显微硬度曲线　：　１　０　０．５　１　１．５　２　２．５　３　３．５　间距／ｎｕｎ　图５　两８相ｌ司每ｌ司隔０．２　ｍｍ硬度（ＨＶ　Ｊ　从图５中可以看出，在磁场下时效时Ｂ相的硬　度略有降低，而晶界处及基体Ｍｇ（ａ相）的硬度略有　增加，并且随着磁场强度的增大，这种趋势越为明　显。还可以看出，加磁场后，两Ｊ３相之问的曲线趋于　平缓，且随磁场强度的增加，曲线曲率减小。　对Ｉ３相、晶界和基体的显微硬度分布进行统计，　结果如表１所示。从表１中可以清楚的看出，镁合　金微观组织中Ｂ相的硬度明显降低，而晶界及基体　处硬度值略有增加。由此可以分析出镁合金的组织　更加均匀，其抗拉强度、屈服强度等力学性能也会提　高。　・７０・　

《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究　２０１０年　第１１期　表１　镁合金各微观组织平均硬度值　（ＨＶ）　

３　讨论　３．１磁场对合金组织的影响　在固一固相变时＿３］，由于新旧相比热容差别和晶　体向位的差异，以及这些差异发生在一个弹性介质　中，形成核胚周围（包括核胚在内）一定区域内的弹　性应力场，它所储存的能量构成相变阻力的第二相。　基本能量关系式为：　ＡＧ—ＡＧ相变＋△Ｇ表＋ＡＧｍ　式中，ＡＧ畸项又称畸变自由焓。　ＡＧ相变＝＝＝ＡＧ新相一ＡＧ１日相ｄ０时，新核能够长大。　根据以上理论分析可以初步知道ＡＺ９１Ｄ镁合　金在磁场作用下时效时Ｇ相明显增多，分布更加均　匀的原因可能有２个：一是由于磁力的作用改变了　ＡＺ９１Ｄ镁合金中各成分的分布，尤其是可能改变了　Ａｌ元素的分布情况，也就是说在磁力的作用下，镁　合金中Ａｌ元素与Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ等元素的结合力发生　改变，使得Ａｌ元素在Ｍｇ元素中的固溶度增加，而　Ｍｎ、Ｚｎ等元素的化合物将减少，从而使Ｂ相的含量　增加，组织形貌及分布改变；二是磁场作用下为镁合　金　相的形核提供了能量，使得ｐ相的形核及长大　更加容易。　３．２磁场对合金相成分的影响　由扫描电镜结果可知，镁合金中各相的成分发　生了很大的变化，Ｊ３相中Ａｌ的含量降低，而且越到　晶界处，其Ａ１的含量就越低，这是由于磁场中磁力　的作用使得Ａｌ元素发生扩散造成的。　在交流磁场作用下，镁合金中８相的形成更加　容易，这是因为磁场力为镁合金中Ｇ相的形成提供　了驱动力，随着磁场强度的提高，磁场力增大，这种　作用也就越发明显。因此，Ｉ３相的数量随着磁场强　度的增大而增加。但同时磁场也使Ａｌ的分布发生　变化，即改变了Ａｌ固溶度，从而使镁合金中各部分　的成分发生了变化，　相中Ａｌ向周围扩散，促使Ｊ３　相增多，但ｐ相中各部分Ａｌ的含量不均匀，从ｐ相　中心向边界呈减少趋势。而磁场的作用使得Ａｌ在　基体ａ—Ｍｇ中的固溶度增加，同时Ａ１与Ｚｎ、Ｍｎ、　Ｃｕ等元素形成的间隙化合物减少，这些都改变了　Ａｌ的分布，同时也改变了镁合金中各组织中成分的　分布。　３．３磁场对合金力学性能的影响　由于磁场的加人，使得镁合金ＡＺ９１Ｄ整体的硬　度变化更趋于平缓，基体和晶界处硬度略有升高，Ｂ　相的硬度降低，其硬度不发生突变，这对镁合金提高　抗拉强度和伸长率，改善其综合力学性能是十分有　利的。　产生以上结果是由于磁场的引入使得相变驱动　力增大，促进了镁合金中Ｇ相的形核及长大，使镁合　金中８相增多，并且由块状和树枝状变为花瓣状，从　而使Ｂ相分布更为均匀。在磁场作用下Ｍｇ基体晶　粒细化，这些原因都使得镁合金的力学性能向有利　的方向发生着改变。　磁场的引入使得镁合金的Ｇ相中铝的含量及分　布发生了变化，因为Ａ１的含量决定镁合金的硬度，　因此随着Ａｌ的含量及分布的变化，镁合金的硬度　也随之发生变化。　相中Ａｌ含量降低，　相的硬度　就随之减小，晶界处及基体处铝的含量增加，其硬度　也随之提高。并且随着磁场强度的加大，这种变化　趋势越发显著，镁合金的硬度分布就更加均匀，其力　学性能也更加优异。　４　结语　在磁场中对ＡＺ９１Ｄ进行时效处理时，与无磁场　时相比，合金中相的成分发生重新分布，显微组织发　生明显变化，其力学性能得以改善。具体表现在微　观组织发生变化，Ｂ相增多且分布均匀；各相成分发　生变化，Ｉ３相中Ａ１的含量降低，晶界及基体中Ａｌ的　含量增加；硬度分布更加均匀，Ｂ相的硬度降低，晶　界及基体的硬度升高。　参考文献　［１］刘生发，郭洪河．镁及其合金铸造组织的细化［Ｊ］．材料　导报，２００３，１７（１０）：２４．　［２］张伟强．金属电磁凝固原理与技术［Ｍ］．北京：冶金工业　出版社，２００４．　［３］刘宏昌，任慧平．金属固态相变教程［Ｍ］．北京：冶金工　业出版社，２００３．　作者简介：冯志宽（１９８７一），男，工程师，研究方向为材料加工　新技术。　收稿日期：２０１０年８月４日　责任编辑王亚昆　

《新技术　工艺》・热加工工艺技术与材料研究　２０１０年　第ｌ１期　。７１・