ZK60NdY变形镁合金挤压态组织及性能论文41774

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1、 毕 业 论 文题 目： ZK60-Nd-Y变形镁合金挤压态组织及性能 目 录 摘要IVAbstract:V第一章 绪论11.1 选题背景11.2 研究内容及试验手段3第二章 试验42.1 ZK60-Nd-Y变形镁合金的成分42.2 ZK60-Nd-Y变形镁合金元素及其作用的介绍42.3 实验设备52.4 ZK60-Nd-Y变形镁合金的热挤压工艺62.5 挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金的热处理工艺72.6 试验前准备82.7 挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金热处理后的组织、性能检测试验9第三章 试验结果及分析113.1 试验试样组成113.2 ZK60-Nd-Y变形镁合金硬度测量133.

2、3 热挤压工艺对ZK60-Nd-Y变形镁合金组织和性能的影响143.4 热处理工艺对挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金硬度的影响163.5 热处理工艺对挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金组织的影响19结论23参考文献24致谢25 ZK60-Nd-Y变形镁合金挤压态组织及性能摘要：本课题对ZK60-Nd-Y变形镁合金在挤压态进行研究，在铸态、挤压态以及时效或固溶-时效等条件下，采用硬度测试、金相组织观察等试验方法对样品进行试验研究，结果表明：ZK60-Nd-Y镁合金经挤压后，组织均匀,第二相化合物弥散分布，从而使合金的力学性能比铸态的有明显提高；ZK60-Nd-YZK60镁合金直接进行时效处理时

3、，时效温度不变的情况下，硬度随着时效时间的延长，呈现先升高后降低的变化趋势；挤压态ZK60-Nd-Y经固溶处理后，在相同时间时效时，随着时效温度升高，硬度先升高后降低，如时效时间为1h，时效温度分别为100、150、200时，相对应的硬度分别为63.3HBS、70.4HBS、62.1HBS；通过力学性能测试和金相组织的观察、分析，对于ZK60-Nd-Y变形镁合金而言，直接进行时效处理的热处理工艺所表现出来的性能优于固溶-时效处理的热处理工艺所表现出的性能。关键词：ZK60-Nd-Y变形镁合金；固溶；时效；硬度；金相组织Microstructure and Properties of ZK60-

4、Nd-Y Wrought Magnesium Alloys Extrusion StateAbstract: This project studies the extrusion state of ZK60-Nd-Y wrought magnesium alloy, under the condition of as-cast, extrusion and ageing or solution-ageing, it experiments the samples with the experimental methods of hardness testing, observation of

5、microstructure, etc. The result shows that via extruding the structure of ZK60-Nd-Y magnesium alloy is homogeneous, and the second-phase compounds form a distribution state, so that the mechanical properties of the alloy have increased obviously than ascast; When dealing ZK60-Nd-Y magnesium alloy di

6、rectly with aging time, hardness,asageing temperature increases, presents variation tendency with fall after rising in the same aging temperature; Extrusion state ZK60-Nd-Y, after having dealt with solution treatment, its hardness falls after rising with the increasing aging temperature in the same

7、aging time， such as the aging time is 1 h, aging temperature for 100 ，150 , 200 , the corresponding hardness were 63.3 HBS, 70.4 HBS, 62.1 HBS ; According to the mechanical properties test and observation and analysis of microstructure, as for ZK60-Nd-Ywrought magnesium alloy, the properties present

8、ed by technology for heating processing with directly aging treatment are better than those performed by solution-ageing treatment.Key words:ZK60-Nd-Y wrought magnesium alloy, solution, aging, hardness, microstructure 26第一章 绪 论1.1 选题背景镁合金是以镁为基加入其它元素组成的合金。其特点是：密度小、比强度高、高强度、高刚性、弹性模量大、散热好、消震性好、承受冲击载荷能力

9、比铝合金大、耐有机物和碱的腐蚀性能好 1。镁在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。镁合金作为结构材料得到了越来越广泛的重视， 并将在今后发挥越来越重要的作用。镁是地壳中含量最丰富的元素之一，在地壳含量最丰富的金属元素中排第三，仅次于铝和铁两种金属元属。镁的化学活性很高，在自然界一般以化合物形式存在，主要存在于白云石、菱镁矿、橄榄石矿、盐矿、地下卤水以及盐湖、海水中，其中海水总量巨大，因此意味着镁资源极其丰富。镁是当前常用结构材料中最轻的金属。镁是元素周期表第二主族元素，原子序数为12，晶体结构为密排六方。镁合金的合金化是在镁基体中加入某些合金元素，通过其产生的固溶强

10、化、细晶强化及过剩强化作用，使合金的耐热性能、机械性能及抗腐蚀性能等得到提高，其原理与其他金属的合金化原理相似。镁合金是实用金属中密度最低的金属，具有比强度高、刚度好、电磁界面防护性强等特点，机械加工性能好的优点，其屈服强度与铝合金相当，只稍低于碳钢，是塑料的4-5倍，其弹性模量则远远高于塑料，是它的二十多倍，因此在相同的强度和刚度情况下，用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量，这对航空工业、汽车工业、电子产品均有很重要的意义。 镁作为一种轻质工程材料具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于回收等优点，尤其可以满足21世纪航天、航空、现代交通工具

11、对减重、节能和环保的要求 2。镁合金弹性模量低。当受外力作用时，零件发生较大的弹性变形，吸收较大的形变功。镁及其合金的熔点低(如纯Mg为649)，由于熔点低，可以容易地获得较高的过热温度，所以大多数镁合金的流动性比较好，充型能力优于常用的其他金属。镁合金的比热值低。与铝合金相比，镁合金的单位热含量低，故可在模具内能更快速地凝固，从而有效地缩短了压铸件在型内的停留时间。镁合金具有高的散热性。特别适合于制作元件密集的电子产品。镁合金的发展潜力和应用优势，引起了许多国家政府、企业和研究机构对镁合金及其成形技术的高度重视，投入了大量的人力、财力进行开发研究。镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使

12、用的最轻金属结构材料 3。镁的重量比铝轻，比重为1.8，强度也较低，只有200300 MPa，主要用于制造低承力的零件。镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀，因此零件使用前，表面需要经过化学处理或涂漆。德国首先生产并在飞机上使用含铝的镁合金。镁合金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定，适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管，又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。民用机和军用飞机、尤其是轰炸机广泛使用镁合金制品。镁合金也用于导弹和卫星上的一些部件。中国稀土资源

13、丰富，已于70年代研制出加钇镁合金，提高了室温强度，能在300C下长期使用，已在航空航天工业中推广应用。绿色制造是现代制造业可持续发展的基本模式，要求物料转化过程，产品生命刷期过程，都应符合环境保护的要求，并且最大限度地优化利用资源和节约原生资源，非再生资源及能源。轻量化，强韧化，精密化是制造业的发展趋势。产品精密化包括外形尺寸精确和内部组织致密两个方面的质量要求，在材料加工界，毛坯和零件的成型逐渐向近成形方向发展；产品内部质量向近无缺陷方向发展。这些都为具有可回收性的镁锚等有色金属及其合金提供广阔的市场机遇，为精确成型技术提供了广阔的发展空间。而铝及铝合金已于上个世纪末在材料领域掀起了一场革

14、命，现在，镁合金的开发成本已低于铝合金，而且它还有其它材料无法比拟的优点，如较高的比强度、优良的散热性能、电磁屏蔽性能、减震、机械加工性、回收利用等，因此大力发展镁合金足加速材料科技发展，提高人民生活水平。目前应用最广泛的是AL为主加元素的镁合金，在许多要求镁合金具有高强度的情况下难以得到应用。因此，作为变形镁合金中强度较高的ZK60合金便开始崭露头角。镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属材料，具备高比强度和高比刚度等优良的力学性能。高性能镁合金材料主要被应用在航天航空、交通运输等尖端部门，其中力学性能优良的典型合金是 Mg-Zn-Zr系的ZK60变形镁合金，已经在美、英、俄、德等国的航天航空

15、领域得到应用。目前，针对ZK60-Nd-Y变形镁合金的研究主要包括不同的变形加工方式对其性能的影响，如锻造和挤压。但是，针对热处理对该合金性能影响的相关研究工作很少。而该合金却是典型的热处理可强化镁合金，热处理工艺会对该合金的组织和性能有明显的影响。这个课题我们主要针对ZK60-Nd-Y变形镁合金不同的热处理条件下，挤压态（F）、时效态(T5)、固溶时效(T6)等典型状态下，合金的组织和性能变化情况，这对深入了解该合金的性能，掌握该合金显微组织结构的演变及其与宏观性能之间的关系，以及进一步明确合金的实际应用有很大的帮助。1.2研究内容及试验手段镁合金具有比重小、比强度高、电磁屏蔽性能好、抗震性

16、能好等优点，在汽车制造、电子音响设备、航空航天等工业领域具有巨大的应用潜力。此外，镁在地球上有丰富的资源。近年来，节约能源和保护环境的要求促进了镁合金应用的快速增长。目前的镁合金零部件主要通过压铸的方法生产4。但压铸件的力学性能较低，故变形镁合金因具有高强度、高延伸率等力学性能而引起了国内外学者的广泛重视 5。此次研究以典型的高强度变形镁合金ZK60-Nd-Y为研究对象，考察了挤压工艺对变形镁合金ZK60-Nd-Y微观组织和性能的影响以及时效热处理工艺、固溶时效热处理工艺对挤压态变形镁合金ZK60-Nd-Y微观组织和性能的影响，并对材料的时效强化机理进行了研究，通过适当的热处理规范，利用金相显

17、微镜（600、125）+扫描等手段，综合探讨了挤压工艺、固溶、时效处理对合金力学性能的影响。通过对挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金高温力学性能的研究， 并对其在不同条件下所得数据进行对比分析， 从而得到热处理对挤压态镁合金组织和性能的影响、分析其金相显微组织及其组成；测定材料的硬度；分析热处理工艺及工艺参数对ZK60-Nd-Y变形镁合金组织和性能的影响。其中所包含的试验操作或操作程序有：（1）将浇注出来的ZK60-Nd-Y变形镁合金进行热挤压， 具体工艺流程是： 挤压锭、去皮、预热、热挤压、冷却、矫直、截成规定尺寸。（2）对每个小试样进行标号，在预磨机上把圆柱型小试样的端口磨平。（3）对所有

18、试样进行适当固溶、时效处理，并测量试样的硬度。（4）磨制金相试样。观察材料的金相显微组织。根据相关理论指导和前面实验的具体情况对实验结果进行分析。第二章 试 验2.1 ZK60-Nd-Y变形镁合金的成分试验材料：此次试验所用材料是ZK60-Nd-Y变形镁合金，化学成分如下表2-1所示。表2-1 ZK60-Nd-Y变形镁合金的化学成分合金元素ZnZrNdY质量分数6%0.5%2%1%2.2 ZK60-Nd-Y变形镁合金元素及其作用的介绍Zn对ZK60-Nd-Y变形镁合金组织和性能的影晌：Zn是ZK60合金的第一主加元索，其重量百分比为6，因此Zn的含量直接影响ZK60-Nd-Y变形镁合金的组织和

19、性能。镁合金的主要时效强化相也是由Mg-Zn二元相组成的。ZK60-Nd-Y变形镁合金中的Zn既可以提高强度，又可以提高抗腐蚀性能，增加熔体流动性，有形成显微疏松倾向，是晶粒细化剂，有沉淀硬化作用，对腐蚀性能影响较小。但只有当Zn的质量百分含量在一定的范围之内才可以获得优良的综合性能，当Zn6时抗拉强度和屈服强度反而降低，延伸率降低更多。Zr对ZK60-Nd-Y变形镁合金组织和性能的影响：Zr是ZK60-Nd-Y变形镁合金的第二主加元素，其重量百分比一般为0.5。Zr可以强烈地细化晶粒、降低显微疏松倾向，因而它也是影响ZK60合金的组织和性能的关键元素。Zr在镁合金中易形成偏析，有研究表明，在

20、ZK60-Nd-Y变形镁合金中Zr主要分布在晶粒中心，由中心向晶粒边缘逐渐减低，侵蚀后偏析区呈年轮状或花朵状。Zr在镁合金中的极限溶解度为38，是高熔点金属，其熔点为1885。Zr与Mg具有相同的晶体结构，MgZr合金在凝固时，能够析出aZr，作为结晶时的非自发形核核心，细化晶粒。在镁合金中加入0.5-0.8的Zr，其细化效果最佳。Zr可减少热裂倾向，提高力学性能和耐蚀性，降低应力腐蚀敏感性。Zr与Si、AL和Mn不相容，可从熔体中清除Fe和Si等杂质，改善室温抗拉性能。Y和Nd对ZK60-Nd-Y变形镁合金组织和性能的影响：在ZK60-Nd-Y变形镁合金中添加 2 %的稀土元素Nd , 得到

21、了细小的热变形动态再结晶晶粒 ,并形成了含稀土的第二相 ,使合金具有较好的挤压变形能力和热处理强化能力 ,耐热性能也得到了提高。Y和Nd均能细化合金的铸态组织 ,使其室温断裂强度大幅提高6。2.3 试验设备（1）锯子：将原金属切割成小试样。（2）砂轮打磨机（型号：3SL-250）：修整原始金属试样。（3）金相试样预磨机（型号：M-2）：主要用于对镁合金的原始试样进预磨，以便快速制备金相试样，从而观察其显微组织。（4）金相试样抛光机（型号：P-2）：用做制备金相试样的最后一道工序，以便制出少划痕、干净的金相试样；如图2-1所示。（5）布氏硬度计（型号：HBS-3000）：用于测量铝硅合金的原始试

22、样及热处理试样的硬度值；如图2-2所示。 图2-1金相试样抛光机 图2-2 布氏硬度计（6）箱形电阻炉（型号：SRJX-3-9）：固溶处理设备，无机械化装置，供小批量的工件淬火、正火、退火等常规热处理；如图2-3所示。（7）坩埚电阻炉（型号：SG-3-9）：时效处理设备；如图2-4所示。图2-3箱形电阻炉 图2-4 熔炼用坩埚电阻炉及箱式热处理炉（8）金相显微镜（600、125）+扫描装置：观察金相显微组织，拍照保存特征相图。2.4 ZK60-Nd-Y变形镁合金的热挤压工艺挤压成形是固态成形的最好替代工艺。其他工艺跟粉末冶金一样，虽然环境影响较小，但应用范围有限。因此，塑性加工工艺很重要，特别

23、是热挤压工艺，因其具有较多的优点而被广泛研究。挤压是指对放在挤压筒中金属坯料的一端施加压力，使之通过特定的模孔流出，以获得所需断面形状和尺寸，实现塑性变形的一种压力加工方法。根据挤压金属相对于挤压杆的流动方向，挤压方法可分为正挤压、反挤压以及复合挤压。镁合金的塑性变形能力较差，采用挤压工艺，能够产生比轧制更为强烈的三向压应力状态，最大限度发挥镁合金的塑性。挤压还可以起到细晶，提高强度和塑性的作用。镁合金的生产主要通过挤压、轧制和锻造等工艺手段实现。目前，镁合金管材、棒材、型材等产品主要采用挤压成形。镁合金铸锭在常温下塑性很差，容易脆裂，200以上时的塑性明显提高，225以上是塑性增长更快，所以

24、镁合金的挤压适宜在200以上进行成形，镁合金在较高温度下尤其400以上容易产生腐蚀氧化，因而一般不宜采用锻造成形。镁合金的变形温度范围比较狭窄，为了防止其与模具之间的温差而产生裂纹，所以常采用等温挤压7。等温成形工艺是近几年针对镁合金特点发展起来的一种先进成形技术，具有常规成形所没有的诸多优点(如变形均匀、变形力小等)8。在传统的镁及镁合金热挤压过程中，随着挤压进行镁合金坯料的温度不断升高，且变形非常不均匀，这会导致挤压制品在尺寸、形状、组织和性能等方面存在诸多缺陷。等温挤压正是一种较理想的限制或消除这些缺陷的方法。其特点即是：要挤压的整个过程中，保证模孔附近变形区金属的温度始终恒定或基本恒定

25、，尽量使金属变形抗力和金属流动保持均匀，使模孔的尺寸不变或基本不变，从而获得形状与尺寸都较精准的挤压型材，同时使得产品在沿断面和长度方向的组织与性能也获得提高9。必须对模具预热，但对于镁合金挤压变形速度不宜过快，变形时间相对较长，故而模具加热温度稍低于坯料温度，一般在200到300之间。同时，在挤压过程中必须采用润滑剂，这样可以提高模具寿命。采用挤压制备镁合金试样有以下优点：挤压时，金属可以发挥最大的塑性，由于镁合金的塑性较差，因此挤压加工是理想的方法。另外，挤压产品尺寸精度高，表面质量好。尽管采用挤压制备镁合金有以上诸多优点，但挤压时，由于挤压压余和缩尾占锭坯比例较大，因此废料损失一般较大；

26、由于挤压工艺固有的特点，不可能有较高的生产率；同时，挤压所需的变形力较大，对设备要求较高，且由于材料与模具之间摩擦力较大，使模具磨损较快；另外，挤压态组织和性能沿长度和断面上不够均匀。因此，采用挤压直接生产镁合金产品较少，主要用来改善镁合金铸锭的性能10。2.5挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金的热处理工艺固溶处理：指的是将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理要获得时效强化的有利条件，得到过饱和固溶体11。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。时效处理：

27、又称低温回火，是把镁合金铸件加热到某个温度，保温一定时间出炉空冷直至室温，使过饱和的固溶体分解，让合金基体组织稳定的工艺过程。时效过程中进行着过饱和固溶体分解的过程，使合金的结晶点阵恢复到较稳定的状态。过饱和程度愈大，时效温度愈高，过饱和固溶体分解过程进行得愈快。时效强化机理：在整个时效过程中，合金的强度基本上随各时效阶段弥散相的变化而变化。其大小与粒子间的有效距离成反比。按照传统的观点，对于时效强化的镁合金，认为存在弥散相颗粒的临界尺寸，当弥散相颗粒尺寸小于临界尺寸时为位错穿过弥散相颗粒的强化，当弥散相颗粒尺寸大于临界尺寸时为位错绕过弥散相得强化，当弥散相粒子平均尺寸等于临界尺寸时，合金具有

28、最大的强度性能。在上述的强化理论中，无论是何种质点作为强化相，其体积分数越大，且分布越弥散，则强化效果越好。若析出相质点刚性大，且分布很均匀，则必然对合金的强度有利。因为这些分布均匀、刚性较大的质点更能有力地阻碍变形过程中位错的运动，从而提高合金的强度。时效处理又分为自然时效和人工时效两大类。自然时效是指时效强化在室温下进行的时效。人工时效又分为不完全人工时效、完全人工时效、过时效三种，不完全人工时效是采用比较低的时效温度或较短的保温时间 , 获得优良的综合力学性能 , 即获得比较高的强度 , 良好的塑性和韧性 , 但耐腐蚀性能可能比较低。完全人工时效是采用较高的时效温度和较长的保温时间 ,

29、获得最大的硬度和最高的抗拉强度 , 但伸长率较低。 过时效是在更高的温度下进行 , 这时合金保持较高的强度 , 同时塑性有所提高 , 主要是为了得到好的抗应力腐蚀性能。为了得到稳定的组织和几何尺寸 , 时效应该在更高的温度下进行。本试验采用人工时效。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。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

30、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12。具体试验步骤为：（1）将浇注出来的ZK60-Nd-Y变形镁合金进行等温挤压， 具体工艺流程是： 挤压锭、去皮、热挤压、冷却、矫直、截成规定尺寸。（2）对每个小试样进行标号，在预磨机上把圆柱型小试样的端口磨平。（3）对所有试样进行适当固溶、时

31、效处理，并测量试样的硬度。（4）磨制金相试样，观察材料的金相显微组织。根据相关理论指导和前面试验的具体情况对实验结果进行分析。2.6 试验前准备ZK60-Nd-Y变形镁合金的熔炼：根据试验的具体要求，进行镁合金的熔炼，熔炼大致的步骤为：预热熔炉，配料计算，装料，炉料装好后，升温熔化炉料，等熔料全熔后，除净浮渣，加入炉料总重量0.3%0.5%的六氯乙烷进行精炼处理，精炼总时间为1015min。精炼完后，静置12min，当温度达到780800时，加入炉料总重量的1%的变质剂进行变质处理，变质总时间为1518 min。当温度达到740时，扒渣出炉，用坩埚将合金液浇入铸型中，冷却，取出浇注的试样。变质

32、处理：变质处理是铸造过程中的一个重要环节，在铸造过程中是否进行变质处理对铸件的性能的影响非常大。变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法。2.7挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金热处理后的组织、性能检测试验此次研究对ZK60-Nd-Y变形镁合金试样进行的性能检测包括合金硬度测量及显微组织观察。（1）硬度测量在材料学中，硬度是指材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。实践证明，金属材料的各硬度值之间，硬度值与

33、强度值之间具有近似的相应关系。一般硬度越高，耐磨性和抗压性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。本试验采用布氏硬度。原理：金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触力作用下，抵抗塑性变形的一种能力，金属硬度能够给出金属材料软硬的数量概念。由于在金属表面以下不同的深处材料所能承受的应力和发生的变形程度不同，因而，硬度值可以综合的反映压痕附近局部体积内金属的弹性。微量塑性变形抗力，塑变强化能力以及大量形变抗力。金属的抗拉强度和硬度有一定的关系，硬度越高，强度值也越高，并有一定的对应关系。另外，硬度与其机械性能之间有着一定的内在联系。在试验过程中，常采用布氏硬度计测定硬度(以HBS表示)。

34、在硬度测试过程中最主要采用压入法来测量硬度，具体操作如下： 试样进行磨制：将试样的端面先在预磨机上磨平，然后可在耐水砂纸上磨平，使被测量面平整光亮，无明显磨痕、凹坑。在硬度机上进行测试：在每次测试时，选取试样测量面上合适的不同点进行测量，每个试样选3个点进行测试，测试时，应注意相邻两压痕的中心以及任一压痕中心距试样边缘的距离都不得小于3 mm，试样应放置平稳，防止受压时翘起。测量结果整理：记录数据，并对相同组别的数据进行平均值计算。（2）试样的显微组织观察试样的金相组织金相对比，分析组织对性能的影响。最重要的是磨制金相，具体操作步骤为：取样和磨制。手工细磨：将试样用清水冲洗并擦干后进行手工细磨

35、操作，即依次在由粗到细的各型号金相砂纸上依次进行细磨，常用的金相砂纸号数有400、500、600、800、1000五种，号数越大，磨粒越细、砂纸颜色相对也较浅。细磨时为了保证观察面的平整，需在金相砂纸下放一块厚玻璃板，在细磨时用力力求均匀、平稳，防止磨痕过深和造成金相磨面的变形；试样退回时要抬起，不能与金相砂纸相接触，进行“单程、单向”的磨制方法，直到磨掉试样磨面上的旧磨痕，形成的一层新的、均匀一致磨痕为止。在调换下一号砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清理干净，并转动90角，即与上一号砂纸磨擦的磨痕垂直，直到将上一号砂纸留下来的磨痕全部消除为止。使用各种型号的金相砂纸的细磨时间也是依据不同的试样

36、而定，一般说来硬度大一些的细磨时间要稍长些。经细磨后的试样观察面平整光滑，就想一个镜面，在同一个面上进行反光。抛光：金相试样经磨制后，磨面上仍然存在着细微的磨痕及金属扰乱层，影响正常的组织分析，因而必须进行抛光处理，以得到平整、光亮、无痕的金相磨面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光等，我们所采用的是最常用的机械抛光。机械抛光靠抛光磨料对金相磨面的磨削和滚压作用使其成为光滑的镜面。抛光时应在抛光盘上铺以细帆布、平绒、丝绸等抛光织物，并不断滴注抛光液。抛光液一般是氧化铝、氧化铬、氧化镁等细粉末状磨料在水中形成的悬浮液，在本次试验中我们用的是氧化铬磨料。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛

37、光盘上，并且沿着抛光盘的边缘到中心不断地作径向往复运动，同时使试样本身略加转动，使磨面各部分抛光程度一致，并且可以避免出现“曳尾”现象，抛光液的滴入量以试样离开抛光盘后，其表面的水膜在数秒钟内可自行挥发为宜，一般抛光时间为35min。抛光后的试样磨面应光亮无痕，石墨或夹杂物应予以保留，且不能有“曳尾”现象。由于抛光液具有腐蚀性,操作时最好戴橡皮手套。显微组织的显示和鉴定。在抛光后，我们在进行观察前需要完成的任务有：清水冲洗-酒精擦拭-吹干-侵蚀-清水冲洗-酒精擦拭-吹干。其具体操作步骤如下所示：经抛光后的试样，用吹风机将水分沿一个方向吹干，就可以进行显微组织的观察。抛光后未经侵蚀的试样，放在金

38、相显微镜下进行放大100倍的观察，一般可以根据分布参考图进行直接对比评定或拍照后评定。显微组织的显示：抛光后的试样磨面是一光滑的镜面，在金相显微镜下只能看到非金属夹杂、石墨、孔洞、裂纹等。要观察金相的组织特征，必须经过适当的侵蚀，使金相的组织正确的显示出来。目前常采用化学试剂侵蚀来显示。我们采用的化学试剂是1%的氢氟酸溶液。将抛光过的试样表面先用无水乙醇擦洗，再浸入1%的氢氟酸溶液中，时间为15分钟，然后用清水冲洗干净，再用无水乙醇将其表面擦干净，用吹风机吹干即可放在显微镜下观察基体组织。第三章 试验结果及分析3.1 试验试样组成本试验主要由下述三组试验试样组成：（1）预留一个铸态试样2#用于

39、对比实验。（2）A、B、C系列和1#，进行固溶处理，1#不进行时效处理，其他的再进行时效处理。固溶、时效的温度和时间如下表3-1所示。（3）D、E、F系列和0#，0#维持挤压态，D、E、F系列直接进行时效处理，示意图如图3-1所示。时效的温度和时间如下表3-2所示。挤压态镁合金进行固溶处理不进行固溶D系列五个试样E系列五个试样F系列五个试样A系列五个试样B系列五个试样C系列五个试样1#一个试样时效处理时效处理时效处理时效处理时效处理时效处理0#一个试样图3-1 固溶、时效处理示意图表3-1 A、B、C系列、1#和2#固溶、时效的温度和时间表编号固溶温度（）固溶时间（h）时效温度（）时效时间（h

40、）A138021000.5A238021001A338021002A438021004A538021008B138021500.5B238021501B338021502B438021504B538021508C138022000.5C238022001C338022002C438022004C53802200813802-2（铸态）-表3-2 D、E、F系列和0#时效的温度和时间表编号固溶温度（）固溶时间（h）时效温度（）时效时间（h）D1-1000.5D2-1001D3-1002D4-1004D5-1008E1-1500.5E2-1501E3-1502E4-1504E5-1508F1-20

41、00.5F2-2001F3-2002F4-2004F5-20080（挤压态）-3.2 ZK60-Nd-Y变形镁合金硬度测量采用布氏硬度计测量测量每个试样的硬度，测出3个点的硬度值，取平均值，数据记录如下表3-3所示。表3-3 试样硬度表试样编号硬度（HBS）试样编号硬度（HBS）A160.2B163.3A261.7B265.3A359.7B366.0A459.5B468.6A556.6B566.3C157.2D158.2C258.5D263.3C359.7D368.0C463.9D465.2C541.4D561.7E164.9F164.3E270.4F263.2E368.3F360.2E465

42、.9F455.1E563.4 F551.30（挤压态）65.51（固溶态）53.42（铸态）47.83.3 热挤压工艺对ZK60-Nd-Y变形镁合金组织和性能的影响（1）热挤压工艺对ZK60-Nd-Y变形镁合金硬度的影响试验测得2#（铸态）的硬度为47.8HBS，0#（挤压态）的硬度为65.5HBS，挤压态下合金的硬度有非常明显的提高。合金经挤压后，晶粒细化，故挤压后形成的孪晶较少。ZK60-Nd-Y变形镁合金经挤压后，由于动态再结晶，晶粒得到了明显的细化，其组织中有第二相析出，并呈均匀、弥散分布，从而使合金的力学性能明显提高，尤其在挤压态下合金的硬度的提高是非常明显的。（2）热挤压工艺对ZK

43、60-Nd-Y变形镁合金显微组织的影响对铸态ZK60-Nd-Y变形镁合金及挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金试样显微组织进行分析。2#试样（铸态下的金相组织）和0#试样（挤压态下的金相组织）相比较，如图3-2所示。ba （a）铸态125 (b) 铸态600dc （c）挤压态125 (d)挤压态 600图3-2 铸态、挤压态的金相组织ZK60-Nd-Y变形镁合金铸态组织由粗大的（Mg）基体和呈连续网状分布于晶界上的（MgZn)相组成13。可以清晰地看到合金组织中存在很明显的枝晶，有相当数量的共晶组织沿晶界或枝晶边界断续分布，在晶界和枝晶网胞间存在大量的黑色第二相化合物，主要是（MgZn)相，这些

44、共晶组织具有多样性，它们既可以出现在晶界也可以出现在晶内，它们的形态也有谷穗状和条状等多种情况，而且这些析出相和基体有着确定的位向关系，有的与基体平行，有的与基体垂直。显微组织基本由变形孪晶构成，其晶粒大小不均匀14。挤压变形后，合金中的晶粒沿变形方向被拉长，呈现出明显的变形组织形貌特征，显微组织中有严重的变形带和孪生形貌。此外，由于挤压变形是在较高的温度下进行的，在高温下镁合金变形时，由于镁的层错能低，容易在热变形过程中产生动态再结晶，发生动态再结晶的晶粒夹杂在变形比较严重的晶粒间，一般比较细小。经过挤压变形后的组织由于动态再结晶，晶粒获得了细化，同时由于挤压效应的存在，合金的力学性能明显提

45、高，尤其在挤压态下合金的硬度和强度的提高是非常明显的。经挤压后的晶粒组织主要以等轴晶为主，孪晶较少。大量研究表明，孪生主要发生在粗晶内部，而细晶镁合金中只有当变形温度很低，变形速度极快时才会产生大量孪晶。合金经挤压后，晶粒细化，故挤压后形成的孪晶较少15。ZK60-Nd-Y变形镁合金经挤压后，由于动态再结晶，晶粒得到了明显的细化，其组织中有第二相析出，并呈均匀、弥散分布16。3.4 热处理工艺对挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金硬度的影响（1）时效温度的改变对固溶+时效试样硬度的影响。如图3-3所示：（其中G0.5、G1、G2、G4、G8代表固溶+时效，固溶后时效时间分别为0.5h、1h、2h

46、、4h、8h）。 图3-3 固溶、时效处理时，试样的温度-硬度图挤压态ZK60经固溶处理后，时效时间相同的情况下，随着时效温度升高，有第二相析出，呈粒状分布，并逐渐长大，在150形成网状，笫二相析出较多，硬度达到最大。随后加热到200有新相沿晶界析出，分布比较均匀，硬度有所下降。因此整个过程中，硬度先升高后降低。（2）时效时间的改变对固溶+时效处理的试样硬度的影响。如图3-4所示：（其中A、B、C分别代表100、150、200）。图3-4 相同温度下，时效处理时间-硬度图（经固溶处理）挤压态ZK60-Nd-Y经固溶处理后，在相同温度下对试样进行不同时间的时效处理，随着时效时间的延长，硬度先升高

47、再降低。原因是产生了过时效，所谓过时效就是指当时效温度超过正常时效温度，也就是达到峰值硬度时的温度及时间，此时，材料内部的析出相开始长大，间距变大，宏观表现为材料得强度降低，塑韧性有所提高。经过固溶处理再继续时效后，合金中析出了第二相，这些第二相在此时效制度下的尺寸明显大于直接时效状态的第二相尺寸，因此其强度会有一定程度的下降。（3）时效时间的改变对直接进行时效处理的试样的硬度的影响如下图3-5所示:（其中D、E、F分别代表100、150、200）。图3-5温度相同，失效时间-硬度图（未经固溶处理）结果表明，挤压态ZK60合金经直接时效处理后，硬度大致呈现先上升后下降的趋势。挤压态ZK60合金

48、经直接时效处理后仍然保留有部分变形组织，但是由于在时效过程中有大量第二相会析出，因此合金中黑色第二相明显增多，比较细小的一类第二相是析出的（MgZn)相，这些细小的析出相对合金强度的提高是有益的，所以硬度先上升的，但由于时效时间比较长，因此该相有长大的趋势，出现了一些粗大相，因此硬度反而下降。（4）时效时间和时效温度的改变对直接时效处理的试样硬度的影响。如图3-6所示：（其中H0.5、H1、H2、H4、H8代表直接时效，时效分别时间为0.5h、1h、2h、4h、8h）。图3-6 时效温度-硬度图ZK60镁合金时效后的硬度呈现如下变化规律：低温时效时硬度变化缓慢，随着时效温度升高，硬度变化很大，

49、会达到一个峰值。随后又随时效温度升高，硬度转为下降。从组织来看，低温时析出二次相较少，当温度升高时，二次相增加很多，硬度达到最大。进一步升高温度，第一次析出的相长大，出现过时效现象，从而硬度减小。3.5 热处理工艺对挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金组织的影响0#试样（挤压态金相组织）和D2（挤压后时效处理的金相组织）对比，如图3-7。ba （a）挤压态125 (b)挤压态 600dc （c）挤压后时效1h125 (d)挤压后时效1h 600图3-7 0#挤压态、挤压后时效的金相组织挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金经时效处理后,其晶粒尺寸变化不大，析出相较挤压态时明显增多，但部分聚集长大。D

50、2(挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金经时效后的金相组织)和B2（挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金经固溶+时效处理后的金相组织）对比，如图3-8所示。ba （a）挤压后时效1h125 (b)挤压后时效1h 600dc （c）挤压后固溶+时效125 (d)挤压后固溶+时效600图3-8 挤压后时效、挤压后固溶+时效的金相组织固溶+时效处理后的合金中析出了第二相，这些第二相在此时效制度下的尺寸明显大于时效处理状下的第二相尺寸，因此其强度会有一定程度的下降。挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金固溶处理+不同温度下时效处理后的金相组织的对比，如图3-9所示。bca （a）固溶+时效（100）125 （

51、b）固溶+时效（150）125 （c）固溶+时效（200）125fed (d)固溶+时效（100）600 (e)固溶+时效（150）600 (f)固溶+时效（200）600 图3-9 固溶处理+不同温度下时效处理后的金相组织在固溶处理时，合金在高温下停留了2h，此时合金中除了合金元素锌向镁基体中固溶，产生一定的固溶强化作用外，同时也相当于合金在高温下退火，这样会造成合金的强度有明显的降低。但由于镁属于密排六方晶体结构，合金元素在镁基体中的扩散速率较小，要获得充分固溶的合金固溶体，必须使合金在高温下保温较长的时间，这样才能使第二相充分溶解到基体中形成固溶体，在后续时效过程中析出更多的沉淀相来增强

52、合金。经过固溶处理后的合金再进行时效后，其强度与固溶状态比较会有所提高。随着时效温度升高，有第二相析出，呈粒状分布，并逐渐长大，在150形成网状，笫二相析出较多，硬度达到最大。随后加热到200有新相沿晶界析出，分布比较均匀。挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金在不同温度下时效处理后的金相组织的对比，如图3-10所示。cba （a）时效（100）125 （b）时效（150）125 （c）时效（200）125fed (d)时效（100）600 (e)时效（150）600 (f)时效（200）600图3-10固溶处理+不同温度下时效处理后的金相组织挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金经直接时效处理后，仍

53、然保留有部分变形组织，但是由于在时效过程中有大量第二相会析出，因此合金中黑色第二相明显增多，比较细小的一类第二相是析出的（MgZn)相，这些细小的析出相对合金强度的提高是有益的，但由于时效温度的升高，因此该相有长大的趋势，出现了一些粗大相。相比于固溶+时效处理后的合金中析出了第二相，直接时效处理的强度会更大。几种热处理状态中，挤压后直接时效的T5态合金强度最高。这是因为在固溶处理的长时间高温停留时，使挤压过程中产生的有利于第二相析出的亚结构消失。而直接时效处理状态，不但挤压效应可以保持，而且挤压过程中产生的位错、亚晶界等还可以促进第二相弥散析出，从而提高合金的强度。对直接时效处理、固溶+时效处

54、理后合金性能比较可知，两种处理状态下合金强度时效态高，但塑性固溶+时效态好17。因此，在塑性可接受的范围内，采取直接时效处理，可以在提高合金性能的同时减少热处理时间，尤其避免了在高温固溶处理时镁合金过烧、表面氧化等严重缺陷的产生。结 论（1）挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金经挤压后，与铸态组织相比，基体组织均匀细化,析出相弥散分布，从而使合金的力学性能明显提高。（2）挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金直接进行时效处理时，时效温度不变的情况下，硬度随着时效时间的延长，呈现先升高后降低的变化趋势。如时效温度为100，时效时间分别为0.5h、1h、2h、4h、8h时，对应的硬度硬度分别为58.2H

55、BS、63.3HBS、68.0HBS、65.2HBS、63.8HBS。（3）挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金经固溶处理后，再进行时效处理，时效温度不变的情况下，硬度随着时效时间的延长，呈现先升高后降低的变化趋势。如时效温度为100，时效时间分别为0.5h、1h、2h、4h、8h时，对应的硬度硬度分别为60.2HBS、61.7HBS、59.7HBS、59.5HBS、56.6HBS。（4）挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金经固溶处理后，相同时间下，随着时效温度升高，硬度先升高后降低，当时效温度较低时，硬化峰值不出现。如时效时间为1h，时效温度分别为100、150、200时，相对应的硬度分别为63

56、.3HBS、70.4HBS、62.1HBS。（5）通过力学性能测试和金相组织的观察，在塑性可接受的范围内，挤压态ZK60-Nd-Y变形镁合金直接进行时效处理的热处理工艺要优于先固溶处理再时效处理的热处理工艺。参考文献1 刘正，张奎，曾小勤镁基轻质合金理论基础及其应用M北京：机械工业出版社，2002，1202 张津，章宗和等镁合金及应用M北京：化学工业出版社，20043 訾炳涛，王辉 镁合金及其在工业中的应用J稀有金属，2004，28(1)： 2292324 吕宜振，曾小勤镁合金铸造成形技术的发展J铸造，2000，(7)：3833875 姜银方，徐金成，朱元右镁合金压铸技术的几个主要问题及其应用

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