热处理对AZ80镁合金组织

1、热处理对AZ80镁合金组织 目录 1 绪论1 1.1 镁合金材料简介1 1.1.1 镁合金的性能特点1 1.1.2 镁合金的分类及合金元素的作用1 1.1.3 AZ80镁合金的应用及研究现状2 1.2 镁合金的热处理强化及其原理4 1.2.1 退火5 1.2.2 固溶和时效5 1.2.3 镁合金热处理工艺的研究现状6 1.3 镁和镁合金的腐蚀与防护7 1.3.1 镁及其合金的腐蚀机理7 1.3.2 镁合金的防护9 1.4 本课题研究的意义及内容10 1.4.1 课题研究的意义10 1.4.2 课题研究的主要内容10 1.4.3 课题研究的主要方法10 2 实验方法与过程11 2.1 实验材料1

2、1 2.2 实验仪器11 2.3 热处理实验12 2.3.1 热处理原理12 2.3.2 热处理参数选择12 2.4 显微硬度实验12 2.4.1 显微硬度原理12 2.4.2 硬度实验过程13 2.5 金相实验13 2.5.1 金相试样的制备13 2.5.2 金相实验过程13 2.6.1 XRD实验原理13 2.6.2 XRD实验过程14 2.7.1 极化测试和电偶腐蚀的原理14 2.7.2 试样的封装15 2.7.3 极化曲线测试15 2.7.4 电偶腐蚀的测试17 3 实验结果与分析18 3.1 硬度实验结果与分析18 3.2 金相实验结果与分析18 3.3 XRD实验结果与分析24 3

3、.4 极化实验结果与分析25 3.5 电偶实验结果与分析27 4 结论30 参考文献31 致谢33 1 绪论 镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料之一1,具有较高的比强度、比刚度以及良好的铸造、减震、切削加工和尺寸稳定性等性能,早已引起了兵器工业和汽车工业的注意。近年来,镁合金及其成形技术的研究应用已取得重要进展,镁合金的材料质量不断提高而生产成本持续下降,随着成形技术的日趋完善,镁合金在民用、航空、航天等领域都有很好的应用前景。1.1 镁合金材料简介1.1.1 镁合金的性能特点 金属镁及其合金是迄今在工程上应用的最轻的结构材料,具有其它金属材料不可替代的优越性,镁合金具有以下几个特点2-

4、8: 镁合金密度小,是金属结构材料中最轻的金属,可有效降低部件重量,节省能源。 镁合金具有较低的弹性模量,在同样受力条件下,可消耗更大的变形功,具有降噪、减振功能。 镁合金具有较好的铸造性和加工性能好。 镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好,适合作发出电磁干扰的电子产品的壳、罩。镁合金有较高的尺寸稳定性,稳定的收缩率,铸件和加工件尺寸精度高,适于做样板,夹具和电子产品外罩。 镁合金对缺口的敏感性比较大,易造成应力集中。镁合金可回收再利用,降低成本、节约资源、改善环境,是一种绿色环保金属。 虽然镁合金有很多优点,但是我们还是不要忽视它的一些缺点:弹性模量小,硬度低,低温下性能差,强度小,温度波动情况

5、下性能差,凝固快,化学活性高,容易氧化,抗腐蚀能力的差,容易被腐蚀。1.1.2 镁合金的分类及合金元素的作用 镁合金的分类方法一般有三种方式:合金的化学成分、成形工艺和是否含锆。镁合金按合金化组元数目可分为二元、三元和多元合金体系9。常见的镁合金体系一般都含有不止一种合金元素。但在实际中,为了分析方便,可以把镁合金分为Mg-Mn、Mg-Al、Mg-RE、Mg-Th、Mg-Li和Mg-Ag等合金系列。 按合金中是否含锆,镁合金可分为含锆和不含锆两大类。最常见的含锆镁合金系列为:Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr、Mg-Th-Zr、Mg-Ag-Zr系列。不含锆镁合金有:Mg-Zn、Mg-Mn和Mg

6、-Al系列。目前应用最多的是不含锆压铸镁合金Mg-Al系列。 按成形工艺镁合金可分为两大类10,即变形镁合金和铸造镁合金。变形镁合金是指可用冲压、锻造等塑性成形方法加工的镁合金。铸造镁合金是指适合采用铸造的方式进行制备和生产出铸件直接使用的镁合金。 由于纯镁的室温塑性较差,不能满足结构材料的要求,可以通过加入不同的合金元素形成镁合金的方法来提高性能,在镁合金中加入的合金元素主要有Al、Zn、Mn、Zr 、Li 等11,具体归纳如下: Al 镁合金的有效合金化元素,在镁中具有较大的固溶度,不仅可以产生固溶强化,而且可以进行时效热处理、沉淀强化。提高合金强度和塑性,改善铸造性能。 Zn 能增加熔体

7、的流动性改善铸件品质。主要用于提高铸件的抗蠕变性能。 Mn 锰能细化镁的晶粒,提高焊接性能,但对铸造工艺性能不利。 Zr 锆在镁中的固溶度小,不与Mg形成化合物,对镁的强化作用小,主要起细化晶粒, 提高镁合金机械性能和耐蚀性的作用。 Li 在镁中的固溶度较大,并随温度下降固溶度变化不大,起固溶强化作用,此外还可以降低密度,能提高合金延伸率,并能强烈地降低耐腐性。 稀土 可以细化晶粒,改善铸造性能。能提高合金室温强度,改善高温抗拉、蠕变性能、耐蚀性能。 1.1.3 AZ80镁合金的应用及研究现状 由于镁合金的一系列优异的性能,在各种行业得到了广泛的应用,特别是在3C产品、汽车和航天航空领域的应用

8、: 镁合金的电子产品、薄、美观、传热性好和强的电磁屏蔽能力,质量与工程塑料相当,又可完全回收利用,环保,符合人们追求时尚的心理,具有时代气息。日本已经有大量电子产品采用镁合金作为外壳材料。我国联想和华硕也部分采用镁合金外壳。因此镁合金代替工程塑料将会是发展趋势。 据测,汽车重量每降低10%,可节油5%12,油耗减少,尾气排放量也减少,从而也减少了对环境的污染。目前,已有很多汽车开始采用镁合金制造的部件:四轮驱动变速箱体、齿轮箱壳体前后吊杆、尾盘支架等。在国内,镁合金的优势已经被许多企业所认识,已成功开发出多种镁合金摩托车零件和汽车零件,用户包括如上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等。 在航空航

9、天领域,镁合金由于密度小、刚性高、强韧性好,且能够有效减轻重量,很早就应用于航空航天工业,特别是Mg-Li合金,具有很高的强度、韧性和塑性,是航空航天领域最有前途的材料。2005年西安航空制动科技公司研制出了飞行器用镁合金关键仪器舱和尾舱,已批量生产。同时还研制成功ZM-6镁合金导弹舱体,实现了“伊尔-76”机轮用镁合金国产化13-14。 Mg-Al系合金是应用最为广泛的一类合金。压铸和变形合金主要是Mg-Al系合金,其中变形镁合金以高性能AZ80系列为代表。其中AZ80的强度和耐腐蚀性要远优于AZ31,与ZK60相当;而成本则低于ZK60,与AZ31相当。AZ80变形镁合金跟其他材料相比有相

10、当大的优势。 AZ80镁合金作为众多变形镁合金中的一种,因具有良好的塑性加工性能而备受青睐,但是它也有缺陷。目前,在广泛的工业生产中热处理是改善合金工艺性能和使用性能、充分发挥材料潜力的一种重要手段。显然,研究热处理对AZ80镁合金的组织和力学性能的影响,对于改善此合金的性能及其合理使用是极有裨益的。 我国对镁合金的研究主要集中在一些新型稀土类合金体系的开发,对AZ80合金的研究较少。尽管AZ80镁合金中的Al含量占8%,且具有明显的时效析出效应,但直接析出平衡相Mg17A112缺乏亚稳相和大规模的不连续析出胞状析出使得该合金并未进行最佳时效强化。可能改善的方法有两种,一是加入第三组元产生以亚

11、稳共格方式存在的析出物;二是改变热机械处理工艺,在细化晶粒、尽量减小胞状析出的规模的基础上,利用织构强化。 如图1.1所示Mg-Al二元相图,根据相图, Al在Mg中溶解度随温度下降而迅速降低,在437时溶解度达到最大为12.7wt%,100时降为2%。437为共晶温度,此时发生平衡共晶反应:LMg+Mg17Al12,共晶点含32.3%Al,加热到大约370以上时镁合金由两相区进入单相固溶体区,当温度再继续升高到一定程度时,又进入固液单相区。图1.1 Mg-Al二元相图151.2 镁合金的热处理强化及其原理 材料的组织决定性能,材料微观组织结构的变化对材料的性能会造成很大影响。因此,对材料进行

12、热处理是改变其微观组织,改善材料性能的途径之一。 镁合金是否可以热处理强化取决于合金中各组元在固溶体中的溶解度随温度的变化情况。 多数镁合金都可通过热处理来改善或调整材料的力学性能和加工性能。镁合金能否通过热处理强化完全取决于合金元素的固溶度是否随温度变化。其一,合金元素要有较高的溶解度;其二,合金元素的固溶度随着温度的降低而降低,变化趋势越明显,热处理强化效果越高;其三,时效时,能够析出强化效果明显的第二相。镁合金的常规热处理工艺分为退火和固溶时效两大类。 镁合金热处理强化的特点是:合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢,因此固溶和时效处理时需要保持较长的时间。另外,镁合金在加热炉中应保持

13、中性气氛或通入保护气体以防燃烧。 1.2.1 退火 退火可以显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性,对某些后续加工有利。变形镁合金根据使用要求和合金性质,可采用高温完全退火和低温去应力退火,镁合金状态表示符号如表1.1。 表1.1 镁合金状态表示符号符号状态F原始态O退火,再结晶(仅适用于加工产品)T热处理至除F、O和H之外的状态T2退火(仅适用于铸造产品)T5冷却并人工时效T6固溶热处理并人工时效 完全退火可以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化效应,恢复和提高其塑性,以便进行后续变形加工。完全退火时一般会发生再结晶和晶粒长大,所以温度不能过高,时间不能太长。当镁合金含稀土时,其再结晶

14、温度升高。AM60、AZ31、AZ61、AZ60合金经热轧或热挤压退火后组织得到改善。去应力退火既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、校正和焊接过程中产生的残余应力,也可以消除铸件或铸锭中的残余应力。 1.2.2 固溶和时效固溶处理 要获得时效强化的有利条件,前提是有一个过饱和固溶体。先加热到单相固溶体相区内的适当温度,保温适当时间,使原组织中的合金元素完全溶入基体金属中,形成过饱和固溶体,这个过程就称为固溶热处理。由于合金元素和基体元素的原子半径和弹性模量的差异,使基体产生点阵畸变。由此产生的应力场将阻碍位错运动,从而使基体得到强化。固溶后屈服强度的增加将与加入溶质元素的浓度成二分

15、之一次方比。 人工时效 沉淀强化是镁合金强化尤指室温强度的一个重要机制。在合金中,当合金元素的固溶度随着温度的下降而减少时,便可能产生时效强化。将具有这种特征的合金在高温下进行固溶处理,得到不稳定的过饱和固溶体,然后在较低的温度下进行时效处理,即可产生弥散的沉淀相。滑动位错与沉淀相相互作用,使屈服强度提高,镁合金得到强化。 由于具有较低的扩散激活能,绝大多数镁合金对自然时效不敏感,淬火后能在室温下长期保持淬火状态。部分镁合金经过铸造或加工成形后不进行固溶处理而是直接进行人工时效。这种工艺很简单,可以消除工件的应力,略微提高其抗拉强度。对Mg-Zn系合金就常在热变形后直接人工时效以获得时效强化效

16、果,即可获得T5状态加工产品。固溶处理+人工时效 固溶淬火后人工时效(T6)可以提高镁合金的屈服强度,但会降低部分塑性,这种工艺主要应用于Mg-Al-Zn和Mg-RE-Zr合金。为了充分发挥时效强化效果,对含锌量高的Mg-Zn-Zr合金也可选用T6处理。进行T6处理时,固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过程中发生分解并析出第二相。时效析出过程和析出相的特点受合金系、时效温度以及添加元素的综合影响,情况十分复杂。另外,不同镁合金系其热处理工艺不同,不同类型工件其热处理工艺也不相同。镁合金挤压件脱模后需要采用强制气冷或水冷进行淬火以获得微细均匀的显微组织。然而在淬火过程中,禁止冷却水与热模具直接

17、接触,否则将导致模具开裂。挤压的镁合金材料其状态主要有T5、T6、F。其中T5为在先淬火后再进行人工时效的状态;T6为固溶处理与人工时效状态;F为原加工状态即挤压状态。固溶处理可提高强度,使韧性达到最大,并改善抗震能力。固溶处理之后再进行人工时效,可使硬度与强度达到最大值,但韧性略有下降。镁合金材料在热加工、成形、矫直和焊接后会留有残余应力。因此,应进行去应力退火。 1.2.3 镁合金热处理工艺的研究现状 田学峰等16人对不同热处理工艺条件下消失模铸态AZ91镁合金的组织和力学性能进行了系统的研究,结果表明, 高温时效沉淀在晶内及晶界处以连续形式析出, 而在低温时效时沉淀以不连续形式在晶界形成

18、, 并具有糖浆状。经过热处理后合金的综合力学性能有较大幅度的提高,其中高温时效对提高强度及加工硬化率尤为有利。另外,晶粒的尺寸和数量会随固溶温度和时间发生改变,且由显微分析可发现不同形态的粒子。通过对析出物的尺寸进行统计分析,可发现该状态的合金固溶温度更接近于435而非415。显微组织的改变使合金硬度在高温下随时间的延长而降低。 麻彦龙17等人对ZK60镁合金热处理后的组织进行了较为全面的研究,初步确定了时效ZK60镁合金中主要合金相的种类和形态。实验结果表明,ZK60镁合金铸态组织中存在大量共晶组织,共晶组织主要由-Mg和MgZn相组成,其形态和分布具有多样性。分段固溶工艺38012h十51

19、0×12h最大限度消除了共晶组织,使固溶样品显微硬度接近镁基体。在铸态、固溶处理和时效处理的ZK60镁合金中均存在MgZn2相,它们无取向分布,形貌呈近似平行四边形,大小在200nm500nm之间,对热处理不敏感。时效ZK60镁合金中的第二类析出相是MgZn相,形态为长约500nm的条状,与基体有严格的位相关系。第三类析出相是Mg2Zn3相,形态为长约100nm的短杆状,它是时效ZK60镁合金中数量最多,尺寸最小,分布最均匀的析出相。 董文超18等研究了T61热处理工艺和过热度对AM60镁合金显微组织及力学性能的影响。结果表明:热处理过程中,相在相内的固溶以及在晶内和晶界上的析出改善

20、了AM60镁合金的显微组织,同时AM60镁合金的力学性能有了较大的改善。 1.3 镁和镁合金的腐蚀与防护1.3.1 镁及其合金的腐蚀机理 镁在干燥大气中及在熔炼过程中的氧化是简单的化学腐蚀。形成致密度小于1的MgO膜, 基本无任何保护作用。由于大气中氧的浓度很高,而氢的浓度很低,难以满足析氢腐蚀所要求的氢析出电位要比大气中氢的平衡电位更负的条件。因此镁在潮湿大气的腐蚀与大部分金属相同为吸氧腐蚀 19 。 化学反应方程式为:2Mg+O22MgO 镁是碱土金属,电极电位很负,在中性水以及弱碱性的水溶液中不同于大部分其他金属材料的吸氧腐蚀,而发生典型的析氢腐蚀,溶液中的氧含量对镁的腐蚀影响不大。当溶

21、液的pH减小时析氢腐蚀加快, 镁析氢腐蚀的电化学过程: 阳极反应: MgMg2+2e-;Mg2+2OH-MgOH2 阴极反应: 2H+2e-H2;2H2O+2e-2OH-+H2 总反应: Mg+2H2OMgOH2+H2 镁的电化学腐蚀与大部分其他金属不同之处还在于,腐蚀过程中表现出强烈的负差数异效应NDE,不能用简单的动力学腐蚀像描述其他金属的腐蚀那样描述镁的腐蚀.如从腐蚀的数据观察,可看到镁的实际腐蚀率远大于电化学测量的数据,也远大于按法拉第定律计算所得到的结果20.这使得仅通过电化学方法检测镁及其合金的腐蚀,不能够准确的反映在模拟和真实环境中用失重法检测镁及其合金的真实腐蚀数据。资料认为镁

22、合金基体直接参与腐蚀而导致负差数效应. 由于镁比较活泼,所以容易受到环境或冶金因素的影响,产生腐蚀,腐蚀的形态共有八种21,即电偶腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、选择性浸出、磨损腐蚀、应力腐蚀、氢损伤。下面重点介绍几个对镁及镁合金可能发生的腐蚀: 1 电偶腐蚀 电偶腐蚀又称双金属腐蚀,指两种不同金属浸在腐蚀性或导电性的溶液中时,两金属之间通常存在着电位差,当电位差使电子在他们之间流通时,耐蚀性较差的金属变为阳极,而耐蚀性较好的金属则为阴极。镁合金很容易发生电偶腐蚀,镁基体与阴极相邻的局部区域通常都会发生严重的腐蚀,阴极可能是外部与镁合金相接触的其它金属,也可能是镁合金内的第二相或杂质。通常情况

23、下,析出相或杂质在合金中以金属间化合物的形式存在,它们的电位比基体正得多,成为有效的阴极,而基体作为阳极,在合金内部形成典型的小阴极和大阳极的组合。如果这些金属间化合物的阴极活性很强,在腐蚀性介质中,镁合金即使不与其它金属接触也会发生严重的电偶腐蚀。因此,控制冶金因素,避免镁合金内部形成这种腐蚀微电池,是提高镁合金腐蚀性能的一种途径。 2 点蚀 在点或孔穴类的小面积上的腐蚀叫点蚀。这是一种高度局部的腐蚀形态,孔有大有小,一般孔表面直径等于或小于它的深度,小而深的孔可能使金属板穿孔;孔蚀通常发生在表面有钝化膜或有保护膜的金属(如不锈钢、钛等)。关于镁及其合金点蚀的研究主要集中在其它方法制备的镁合

24、金同铸态镁合金耐点蚀能力的比较。 3 应力腐蚀 合金在腐蚀与拉应力的同时作用下产生的破裂,称为应力腐蚀开裂。是一种最危险的腐蚀形态,但它只是在一定条件下才能发生:一是有一定的拉应力;二是有能引起该合金发生应力腐蚀的介质;三是合金本身对应力腐蚀敏感。应力腐蚀的裂缝形态有:沿晶界发展的晶间破裂和穿越晶粒的穿晶破裂,也有二者的混合型。1.3.2 镁合金的防护 镁合金的抗蚀性差,大大限制了其在结构材料方面的应用。镁合金的防蚀处理是镁合金研究中的一个重要主题。近年来,冶炼、焊接特别是表面处理技术的发展使镁合金的腐蚀防护问题取得了很大的进展,并已成为一门专业技术。除了传统的改变合金元素成分、优化热处理工艺

25、得到更优良的组织形态以及化学氧化、阳极氧化等表面处理手段来提高耐蚀性外,新的工艺方法如激光表面合金化等也不断出现。主要的镁合金腐蚀防护方法有22: 提高纯度。 表面清洗。 镁合金的表面清洗包括机械清洗和化学清洗两大类。其中,化学清洗方法有:溶剂清洗、蒸汽去脂、酸洗和碱洗。 机械研磨。 机械研磨主要用于修正镁表面以备其后的化学处理或镀膜。它不作为最后处理,因为暴露的新鲜表面在多数环境中很快形成氧化膜/污物膜。 化学氧化处理。 在镁表面自然形成的膜具有保护性,但并不是所有的环境中都是如此。而且,由于它的pH值为10.5,这就导致了进一步进行涂装的效果。化学氧化处理提供了比自然环境更好的保护效果,更

26、重要的是它使膜从碱性变为中性,是进一步的涂装保护变得容易。 阳极氧化处理。 阳极氧化处理方法是一种重要的表面处理方法,成本比大多数化学表面处理高,主要用在一些特殊的场合,如耐磨或苛刻条件下图装准备。镁合金阳极氧化处理膜中不仅包含了合金元素的氧化物,还包含了溶液中通过热分解并沉积到镁合金工件表面的其他氧化物。后者是在初始形成膜的节点强度达到所施加电压是产生,并且伴随着金属-溶液街面上产生电弧。镁表面的整流特性允许在某些阳极氧化处理中使用交流电及直流电。 此外,镁合金的表面防护还有:有机涂层、气相沉积和其他表面改性技术等。1.4 本课题研究的意义及内容1.4.1 课题研究的意义 随着镁合金在3C、

27、汽车、航空航天等领域应用的不断深入,对镁合金性能的要求也越来越高,但镁及镁合金的耐蚀性较差,严重限制了镁合金的广泛应用。如何提高镁合金的综合性能,成为目前镁合金材料研究的一个难点和重点, 本论文就镁合金经过热处理后对组织和耐蚀性的影响。 通过研究热处理研究镁合金的组织及成分的变化,研究耐蚀性的变化,从而找到规律,提高镁合金的耐蚀性。1.4.2 课题研究的主要内容根据相图制定出合适的热处理工艺,研究不同热处理温度对AZ80镁合金的组织和耐蚀性能的影响。 采取试样测定其不同热处理工艺下组织变化,总结规律。 对不同温度处理后的AZ80镁合金进行耐腐性检验,并分析其原因。分析总结热处理对AZ80组织及

28、腐蚀性能的影响1.4.3 课题研究的主要方法通过测显微硬度,表征不同温度处理的材料软硬程度,从而分析热处理对析出的组织及成分影响采用金相显微镜、X射线衍射等技术方法研究分析不同热处理温度对镁合金组织形貌及成分的影响,并把握规律性。通过电化学动电位极化曲线测试实验与电偶腐蚀实验,研究不同热处理温度对AZ80的腐蚀程度影响,并作出极化曲线图,分析规律。实验的基本流程如下:2 实验方法与过程2.1 实验材料实验所用的材料为20mm×10mm×10mm的镁合金AZ80,其主要组成如表2.1。表2.1 镁合金AZ80主要成分AlZnMnFeSiCuNiMg8.90.530.200.0

29、050.010.010.001balance2.2 实验仪器本实验所主要采用的的实验仪器及试剂:SX2-2.5-12箱式电阻炉,额定功率2.5千瓦,额定温度1200。DIGITAL MICROHARDNESS TESTER DHV-1000显微硬度计,载荷9.8N,加载30s。HV-50维氏硬度计,载荷49N(即5kg),加载30s。(山东莱州市试验机总厂)。天平一架。烧杯数个,玻璃棒数根,导线若干,金相砂纸若干,金刚石研磨抛光膏若干。DT9308型万能电表。甘汞电极。ZF-10B数据采集存贮器。ZF-3恒电位仪。ZF-4电位扫描信号发生器。抛光机一台。ZEISS数码金相显微镜。XRD?X射线

30、衍射仪(D/?RB型)日本,理学电机株式会社(rigaku)。另外本实验还需要以下化学试剂:工业乙醇。浓硝酸。丙酮溶液。环氧树脂聚酰胺树脂(凝固剂)。去离子水若干。分析纯NaCl。2.3 热处理实验2.3.1 热处理原理 热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省材料和能源,而且能够提高机械产品质量、大幅延长机器零件的使用寿命。多数镁合金都可通过热处理来改善或调整材料的力学性能和加工性能。本次实验是对试样进行不同温度的热处理,以研究其对AZ80镁合金组织与耐蚀性能的影响。2.3.2 热处理参数选择 由于AZ80镁合金熔点低(437),故选择热处理温度为400以下,

31、参考相关资料温度选择八组分别为:铸态、150、210、230、250、270、350、370。 加热时间选择为2h,空冷。 加热设备为SX2-2.5-12厢式电阻炉,额定功率2.5千瓦,额定温度1200。2.4 显微硬度实验2.4.1 显微硬度原理 硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能,它能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异,被广泛用于检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。目前应用最广泛的硬度测定方法主要有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。不论哪种方法测定的硬度值,均表征材料表面抵抗外物压入时引起塑性变形的能力。由于镁合金硬度范围较低,所以选择维氏硬度法,维氏硬

32、度的压头为菱形,轮廓清晰,对角线测量准确,精度高,重复性也很好。显微硬度测试法原理和维氏硬度测试一样,不过用的载荷很小,可以测定某一组织组成物的硬度,例如测定某个相、某个晶粒、夹杂物等,故本实验采用两种硬度计测试硬度值。 通过显微硬度实验来研究不同热处理温度对AZ80镁合金的力学性能的影响,来表征其对组织成分的影响。2.4.2 硬度实验过程 实验仪器:DHV-1000数字显微硬度计,测量显微硬度,载荷9.8N,加载30s。 HV-50型号的维氏硬度计测量显微硬度,载荷5公斤,加载30s。 每个试样依次打三个点,测量两条对角线,算出压痕面积(两对角线D1、D2的算术平均值),通过公式23: HV

33、 常数×试验力/压痕表面积 0.1891 F/d2 算出HV,求取平均值。作出曲线,找出规律。2.5 金相实验2.5.1 金相试样的制备 金相实验是研究金属材料低倍组织最常用的试验手段。对经过各种温度处理的试样,先用粗砂纸粗磨后用1000或者1200的细砂纸精磨,到一定程度之后进行抛光,抛光时用粒度为W1.5的抛光膏,直到试样表面磨成镜面效果为止。将抛好之后的试样进行腐蚀,腐蚀剂成分为:20ml乙醇+2ml的硝酸,腐蚀时间依据试样表面的明暗程度而定,一般约为15秒左右。 2.5.2 金相实验过程 ZEISS金相显微镜下观察显微组织时按照从低倍到高倍的顺序,特别需要注意的是在调焦过程中

34、,先粗调后细调,一定不能将试样碰到物镜,以免压碎物镜。 照好的金相照片需用MZLY材料显微图像处理软件进行标尺。2.6 X射线衍射实验2.6.1 XRD实验原理 XRD(X-ray diffraction)即X射线衍射分析24。是通过对材料进行X射线衍射,分析其衍射图谱,获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。在金属中主要应用于物相分析、精密测定点阵参数、取向分析、宏观应力的测定、结构分析等。其中物相分析应用最多,分定性分析和定量分析。定性分析是把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较,确定材料中存在的物相;定量分析则是根据衍射花样的强度,确定材料

35、中各相的含量。本实验主要是利用物相分析测定,AZ80试样在不同温度处理后对物相成分及含量的影响。2.6.2 XRD实验过程 实验仪器:X射线衍射仪(D/?RB型)日本,理学电机株式会社(rigaku)。 X射线衍射试样制备:将预测试样用不同型号水砂纸手磨后,要求没有明显划痕,再用去离子水清洗抛光表面,冲净吹干,然后用D/?RB型衍射仪进行成分检测。电化学动电位极化曲线测试实验与电偶腐蚀实验2.7.1 极化测试和电偶腐蚀的原理 腐蚀速度是一个十分重要的材料参数,它是材料耐蚀性的重要指标。因此如何测量镁合金的腐蚀速度,不仅是镁合金腐蚀性评价的主要参数,也是镁合金应用设计中不可缺少的数据。研究不同温

36、度热处理对AZ80镁合金耐蚀性的影响,需要测量其在NaCl溶液中的腐蚀速度。本实验中采用两种测量方法即电化学方法?极化曲线与和碳钢的电偶腐蚀。 当电极上有外电流通过时,电极电势显著偏离了未通电时的开路电势(平衡电势或非平衡的稳态电势),这种现象叫做电极的极化。电化学方法是研究与测量腐蚀的重要手段,它不仅能提示出许多与腐蚀过程相关的各种参数供研究使用,还能在一定条件下反映腐蚀的瞬时速度。极化曲线测试采用恒电位仪配套工作方式,仪器为ZF-10B数据采集存贮器,ZF-3恒电位仪、ZF-4电位扫描信号发生器。试样为工作电极,钛合金为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极。利用电化学方法测量电极电势的变化过程

37、。 当两种电极电势不同的金属相接触并放入电解质溶液中时,即可发现电势较低的金属腐蚀加速,而电势较高的金属腐蚀速度减慢(得到了保护)。这种在一定条件(如电解质溶液或大气)下产生的电化学,即由于同电极电势较高的金属接触而引起的腐蚀速度增大的现象,称为电偶腐蚀。此种腐蚀实际为宏观原电池,它是一种最普遍的局部腐蚀类型。电偶腐蚀率与阴、阳极相的面积比有关。本实验中采用小阳极大阴极来研究腐蚀速率,即镁合金的面积与碳钢比为:1:12。2.7.2 试样的封装 将环氧树脂与聚酰胺树脂(或者硅橡胶)以大约1:1的比例均匀混合,涂抹于事先磨平的试样上并露出1cm2的面积,除此1cm2外其他处基体一定要密封良好,另外

38、引出一条导线以便与恒电位仪相接,导线连接要好,待环氧树脂完全凝固(大约需要一天时间)后再进行下面的实验。 其中电化学法?极化曲线测试实验和电偶腐蚀实验的测试装置图如下所示: 图2.2 动电位极化曲线测试装置图2.3 电偶腐蚀测试装置2.7.3 极化曲线测试 按说明书接好线路,事先用去离子水配制好3%的氯化钠溶液,将其作为电解质溶液,极化曲线测试中试样为工作电极接黑色导线,用饱和甘汞电极作为参比电极接黄色导线,以钛合金片为辅助电极接红色导线,将这三个电极浸没在电解质溶液中,其中工作电极和参比电极尽量靠近且要和辅助电极尽量保持平行关系,即将其露出的1 cm2尽量相对放置。用万用表检查线路各处是否都

39、导通。带待测试样电位稳定后,将测试装置连接到计算机完成测试。恒电位仪测极化曲线线路图如图2.4所示: 极化曲线测定的试验步骤:对应连接F-3恒电位仪、ZF-4电位扫描信号发生器、ZF-10B数据采集储存器。将F-3恒电位仪电流量程调到2mA,注意不要让它过载。ZF-4电位扫描信号发生器扫描形式调到“” 。将F-3恒电位仪上黄导线接头接饱和甘汞电极SCE,红色导线接头接辅助电极钛合金,黑色导线接头接镁合金试样。将试样完全浸入3%NaCl溶液腐蚀介质中,过5min后开始测试镁合金表面的腐蚀电势,给定阴极电势,并检查ZF-4电位扫描信号发生器上下限是否合理。ZF-10B数据采集存贮软件上设定采用恒电

40、位仪配套工作方式,采样间隔为:1s,扫描范围为:-1985mV-1500mV。接通所有仪器,开始测试镁合金阳表面的腐蚀电势。保存数据。重复?分别测定在3%NaCl溶液中不同温度处理的试样的极化曲线。2.7.4 电偶腐蚀的测试 与极化曲线测试所不同的是在电偶腐蚀测试中辅助电极为碳钢且同时接黄色和红色导线,参比电极仍为饱和甘汞电极需另外从仪器上拉一根线相接。电偶腐蚀测试所得结果为三种曲线关系:电量-时间关系、电流-时间关系和电位-时间关系。恒电位仪测量电偶电流线路图如图2.5所示: 电偶腐蚀的实验步骤:对应连接F-3恒电位仪、ZF-10B数据采集存贮器。将F-3恒电位仪电流量程调到200mA,注意

41、不要让它过载。将F-3恒电位仪上黄导线接头和红色导线接头接辅助电极碳钢,黑色导线接头接试样,标准甘汞电极SCE另外从仪器上拉一根线相接。ZF-10B数据采集存贮软件上设定采用恒电位仪配套工作方式,采样间隔为:1s,初始电位为0。即不外加电位。实验所测的电极电位为腐蚀电位。在F-3恒电位仪上给定外加电压为零。将试样完全浸入3%NaCl溶液腐蚀介质中,并使其和碳钢相对(每次实验时都应使镁合金垂直悬挂且和碳钢相对,距离尽量保持一致)。同时软件开始记录数据。此时电路还没有接通。900S后接通电路,此时电偶腐蚀开始。6300s后断开电路,但继续记录数据直至7200s后。保存数据。重复步骤?分别测定在3%

42、NaCl溶液不同温度处试样的电偶腐蚀。3 实验结果与分析3.1 金相实验结果与分析 已有的研究表明AZ80镁合金的组织由初生-Mg固溶体和-Mg17Al12离异共晶体组成,即共晶相依附在初生相上,相在晶界上以不规则块状或片状不连续分布。在共晶凝固后的冷却过程中从相中析出相,其析出受固态相变规律所控制。由于非平衡凝固而形成的离异共晶经固溶处理后可全部溶入-Mg基体中,形成单相过饱和的-Mg固溶体。致-Mg17Al12相再次从基体中分解析出,大量的研究表明:-Mg17Al12相在析出方式上有两种类型,即非连续析出和连续析出,在一般情况下这两种方式是共存的,但通常以非连续析出为先导,然后再进行连续析

43、出。这表明前者在能量上处于有利地位,易于形成。从晶界开始的非连续析出进行到一定阶段后,晶内将会产生连续析出。伴随着-Mg17Al12相的析出与形状转变过程,合金的性能也随之变化。当平衡相-Mg17Al12呈弥散的薄片状时,其表面平行于基体的底面,提高了合金的强度。相随着Al含量的增加而增加,但是当合金在低温时(120130)由于-Mg17Al12在该温度较软,起不到钉扎晶界的作用,故机械性能下降,从而合金韧性较高,硬度较低。随着时效温度的升高,-Mg17Al12 逐渐变硬,韧性下降。当温度在230左右时,形核变得很容易,细化了晶粒,从而硬度升高。不同温度处理后的AZ80金相组织如图3.1-3.

44、8所示。图3.1 铸态时的金相组织 ×100图3.2 150时的金相组织 ×100图3.3 210时的金相组织 ×100图3.5 250时的金相组织 ×100图3.7 350时的金相组织 ×100图3.4 230时的金相组织 ×100图3.6 270时的金相组织 ×100图3.8 370时的金相组织 ×100 根据金相图,不同温度处理下的组织变化有差异,在300以下组织变化程度不是很明显,在350下组织有明显变化,特别是不连续相的析出,大量覆盖在相基体上,在370下组织有由不连续相逐渐向连续相转变的趋势。组织的变化

45、会影响材料性能,而在300以下处理时,在210和230下组织相比较铸态组织而言,原铸态中相溶解在基体中,得出210和230加热两个小时相的溶解析出过程相对较缓慢。3.2 硬度实验结果与分析表3.2.1所示为不同热处理温度后,显微硬度计测出的硬度值:表3.1 显微硬度测试硬度结果试样号加热温度D1D2HVHV平均值1铸态174.44155.0768.3268.49174.69157.4467.25156.69157.0769.92150159.13160.3272.7272.65146.44156.6380161.94175.3165.223210163.19174.7564.9867.4916

46、9.44164.7566.45157.25165.9471.044230161.75176.564.8362.12183.19179.9459.11158.13186.6962.415250146.57154.6981.7477.02162.75150.1375.78160.32157.3873.536270162.94151.3875.1178.21160.6115977.44147.6915382.077350170.31172.3863.1958.68177185.9456.33176.56185.7556.538370178.44163.2563.5665.64164.31163.57

47、69.47163.19163.2563.88 单从数据上看似乎热处理温度在400以下,并没有太大规律,没有递增递减的规律,可能是热处理时间太短,大部分试样组织成分改变不是很明显。 图3.9所示为不同热处理温度后,AZ80镁合金试样的显微硬度曲线:图3.9 硬度曲线 有研究表明150下处理时,虽然相的析出量很少,不连续析出相只占金相表面的10%,但显微硬度在此时有明显增大。 这说明相虽然析出量很少,但对镁合金的硬度产生了很大的影响,当相析出越多,导致合金的硬度增大。通过金相照片的分析,得出组织中析出的连续相影响着显微硬度的大小,连续析出的相类似一个网状,析出的相越多,则显微硬度越大。由金相照片与

48、显微硬度一一比较,基本上完全符合这一规律。表3.2所示为不同热处理温度后,维氏硬度计测出的硬度值:表3.2 维氏硬度测试硬度结果试样号试样状态D1D2HV1HV2HV平均值1铸态0.4240.45551.644.847.050.4680.41942.352.80.4470.45746.444.421500.3770.43565.24951.450.4470.43246.449.70.4420.42747.550.932100.4030.4257.152.653.700.4290.42850.450.60.4030.41357.154.442300.3880.41261.654.655.0670

49、.420.41352.654.40.4150.41753.953.352500.3960.38659.162.362.250.3460.35477.5740.4230.43651.848.862700.4030.39857.158.559.470.4130.41654.453.60.3820.36563.669.673500.4280.45350.645.245.000.4730.44441.3470.4670.46242.543.483700.2760.279121.7119.1133.580.2710.279126.3119.10.2410.243159.6155.7 由维氏硬度计测出的硬

50、度值,维氏硬度计加载的力相比较显微硬度较大,数据结果表明在350以下显示出明显的递增关系,研究表明AZ80镁合金250时效2h后,合金的强度最高。由维氏硬度曲线可以看出从150到270递增的规律,而且在250时明显产生一个峰值。但在350出现明显下降,由金相图可见,该温度下的组织有明显的不同。不连续析出的-Mg17Al12大量的分布在晶体组织上,连续相较少,致使硬度出现明显降低。图3.10所示为不同热处理温度后,AZ80镁合金试样的维氏硬度曲线:图3.10 维氏硬度曲线 相关研究表明,Mg-Al系合金的铸态组织粗大,分布很不均匀,一般为镁合金基体上分布着第二相即-Mg17Al12,Mg17Al12是该系合金中最重要的析出相。-Mg17Al12如果大量析出,相的析出将导致镁合金内产生大量强化相,因而使合金的强度提高,但塑性下降。