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第6卷第3期过程工程学报Vol.6No.32006年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2006收稿日期:2005−09−05,修回日期:2005−10−24基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(编号:2001AA335010)作者简介:李红斌(1979−),男,吉林省磐石市人,博士研究生,有色金属冶金专业,E-mail:hongbinli812@163.com;姚广春,通讯联系人.新型Mg-Li-Mn合金的显微组织和力学性能李红斌,吉海宾,姚广春,刘宜汉,郭志强,刘振刚(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004)摘要:向Mg−9Li合金中添加0.5%∼2%(ω)Mn,并在室温下对合金板材进行拉伸测试.结果表明,Mn能够细化α−Mg相,铸态显微组织由α-Mg,β-Li相及富Mn新相组成,合金板材具有较高的强度和良好的延伸率;随着Mn含量的增加,强度不断提高,延伸率有所下降.通过金相观察、SEM和XRD分析可知,随着Mn含量的增加,其存在形式由固溶状态转变为以富Mn新相为主,对合金起到了强化作用,进而能够提高强度.关键词:Mg−Li−Mn合金;冷轧;显微组织;力学性能中图分类号:TG113文献标识码:A文章编号:1009−606X(2006)03−0491−041前言Mg−Li合金是目前最轻的合金,它不仅具有高比刚度和良好的切削加工性能,还具有良好的磁屏蔽、防震等性能[1],因此在通讯电子工业、军工和航空航天工业等领域得到日益广泛的应用,将成为21世纪重要的轻质、高强环保材料之一[1,2].变形镁合金被国际镁协确定为最具发展潜力的镁合金材料,具有广阔的应用前景.目前西方发达国家十分重视其研究与开发,而我国仍处于起步阶段.因此,研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料具有十分重要的意义.向Mg中加Li能够大大提高镁的塑性,甚至能够在室温下变形,这就避免了高温氧化的问题.经过挤压、轧制等方式变形后,合金在保持较好塑性的同时仍具有较高的强度.因此,对Mg−Li合金的研究具有重要的实际意义[3−10].目前国内外很少有人对Mg−Li−Mn系合金进行系统的研究.添加Mn能够提高合金的耐蚀性和稳定性,并能够改善合金的力学性能.因此,对Mg−Li−Mn系合金的研究具有重要的现实意义.两相(α+β)Mg−Li合金(如图1所示)具有良好的塑性和强度,而元素Mn可以进一步提高合金的综合性能,因此本实验以Mg−9Li合金为基体,并添加一定量的Mn元素,在室温下成功地轧制出了厚2mm的Mg−Li−Mn合金板材,同时研究了添加0.5%∼2%(ω)Mn元素对合金板材显微组织和力学性能的影响.2实验2.1实验方法本实验以纯Mg,Li和Mn为原料,采用覆盖剂与Ar气相结合的保护方法,熔炼了Mg−9%Li−(0.5%,1%,2%)图1Mg−Li二元合金相图Fig.1ThephasediagramofMg−LibinaryalloyMn(ω,下同)合金(Mn以Mg−Mn合金形式加入).合金均匀化处理后,将15mm厚的板材进行冷轧.经中间退火后,最终轧至2mm左右,其压下率约为87%.合金用2%的HNO3溶液腐蚀5∼10s,在光学显微镜下观察其显微组织;用化学分析法进行合金成分测试,用SEM和XRD方法分析合金相组成;将冷轧板材在室温下进行拉伸测试,拉伸速率为0.5cm/min,用SEM观察断口形貌.2.2实验结果2.2.1合金铸态显微组织合金铸态显微组织如图2所示,铸态下组织主要由大小不均的白色板条状α-Mg(hcp)和灰色β-Li(bcc)基体组成.添加一定量的Mn(0.5%),在α相和β相中存在少量细小的富Mn颗粒(如图3的EDX分析结果),随着Mn含量的增加(1%,2%),大量大颗粒的富Mn相镶嵌在α相和β相基体上.01020304050100200300400500600700LTemperature(℃)Li(%,atomic)β+Lβα+βαα+L0510152025Li(%,ω)492过程工程学报第6卷(a)0.5%Mn(b)1%Mn(c)2%Mn图2不同Mn含量的Mg−9Li合金的显微组织Fig.2MicrostructureofMg−9LialloywithvariousMncontents(a)SEMimageofMg−9Li−2Mnalloy(b)EDXspectrumofgrayparticles图3Mg−9Li−2Mn合金的SEM图及其中灰色质点的EDX分析Fig.3SEMandEDXanalysisofgrayparticlesinMg−9Li−2Mnalloy(a)0.5%Mn(b)1%Mn(c)2%Mn(a′)0.5%Mn(b′)1%Mn(c′)2%Mn图4不同Mn含量的Mg−9Li合金板材的显微组织Fig.4MicrostructureofsheetsofMg−9LialloywithdifferentMncontents2.2合金板材显微组织图4(a)∼(c)为板材平行轧制方向显微组织.如图所示,轧制后,白色的α相沿轧制方向拉长为板条状,各板条之间彼此衔接,而富Mn相仍均匀分布在组织中;02468100200400600800Intensity(Counts)Energy(keV)50μm⎯50μm⎯50μm⎯(a)50μm⎯(b)50μm⎯(c)50μm⎯(a′)50μm⎯(b′)50μm⎯(c′)50μm⎯第3期李红斌等:新型Mg−Li−Mn合金的显微组织和力学性能493随着Mn含量的增加,α相变化基本相同,而富Mn相仍以较大颗粒形式存在,并没有出现被辗碎变小的迹象,这说明该相为硬质相.图4(a′)∼(c′)为板材垂直轧制方向显微组织.可见α相中为纤细的长条状,说明其在轧制方向和垂直轧制方向均经历了大量的变形.Mn含量不同,其显微组织相差无几,富Mn质点仍大量均匀分布在α相和β相中.由图可知,室温下轧制后α相和β相均有充分的变形,而富Mn颗粒为硬质相,均匀分布在组织中,并未发生明显变化,说明Mg−Li−Mn合金室温下具有优良的变形能力,能够轧制成薄板.2.3合金板材力学性能图5为合金板材的拉伸性能.由图可见,添加0.5%Mn,合金板材具有较高的强度(拉伸强度σb=149MPa,屈服强度σ0.2=131MPa)和良好的塑性(39.4%).随着Mn含量的增加(1%,2%),板材强度大大提高,σb和σ0.2分别提高了16%和17%.添加一定量的元素Mn(0.5%)能够细化和球化合金图5不同Mn含量的板材拉伸性能Fig.5TensilepropertiesofsheetswithMncontent中的α相[图2(a)],同时Mn能起到固溶强化作用,使合金板材具有较高强度.随着Mn含量的增加(1%∼2%),合金的强度大大提高.这是因为Mn在Mg中固溶度较低,大量的Mn元素被排挤到Mg晶粒外,并以Mn质点为核心形成了新相,对合金起到了弥散强化作用,在两种强化作用下,大大提高了合金板材的力学性能.3分析与讨论3.1Mn对合金显微组织的影响由图2可知,添加Mn元素能够使Mg−9%Li合金中α相细化、球化,并且显微组织中出现了新的黑色质点相,因此有必要对其显微组织作进一步探讨.图6为Mg−9%Li−2%Mn合金的显微组织.如图所示,显微组织主要由α相和β相组成,同时有大量的黑色颗粒镶嵌其中.元素Mn对α相形貌的影响是由于在合金凝固过程中Mn在Mg中的溶解度过小,被排挤到α相晶粒的晶界处,进而抑制了晶粒的长大,使其球化.对黑色质点进行EDX分析[图3(b)]可知,质点成分以Mn元素为主.同时XRD分析结果(图7)表明,添加元素Mn后显微组织中出现了3种新相,即Mn单质、化合物MgMn2O4和Li0.5MnO2.综上所述,可以判定黑色颗粒为Mn单质或化合物MgMn2O4和Li0.5MnO2(SEM方法分析不出Li是否存在).3.2拉伸断口形貌分析图8为室温下板材拉伸测试后的断口形貌.金属Mg为典型的hcp结构,塑性相当差,一般为脆性断裂,但加入Li后,塑性大大提高.如图8(a)所示,板材在拉伸后断口存在大量较深的大孔径等轴韧窝,这是典型的韧性断裂形貌.随Mn含量增加[图8(b),(c)],部分韧窝逐渐变浅,整体形貌趋于扁平,塑性变差.图6Mg−9Li−2Mn合金显微组织图7Mg−9Li−2Mn合金的XRD谱Fig.6MicrostructureofMg−9Li−2MnalloyFig.7XRDpatternofMg−9Li−2Mnalloy0.51.01.52.0130140150160170σbσ0.2Mncontent(%,ω)Strength(MPa)202428323640Elongation(%)50μm⎯2030405060708090010000200003000040000500006000070000800001.Mg2.Li3.Mn4.MgMn2O45.Li0.5MnO245454352454535433512415142θ(o)Intensity(CPS)494过程工程学报第6卷(a)0.5%Mn(b)1%Mn(c)2%Mn图8不同Mn含量的Mg−9Li合金板材的断口形貌Fig.8FractureofsheetsofMg−9LialloywithdifferentMncontents4结论(1)合金Mg−9%Li−xMn具有优良的变形能力,能够在室温下轧制,得到强度和延伸率良好的板材.(2)添加少量元素Mn(0.5%)可以使合金板材具有良好的强度和延伸率,随着Mn含量的增加(1%∼2%),板材强度得到极大提高.(3)添加元素Mn能够使α-Mg相细化和球化.当Mn含量较少时,其在合金中主要以固溶形式存在;随着Mn含量的增加,有大量黑色质点生成,即形成了新的Mn单质相及硬质化合物MgMn2O4和Li0.5MnO2,进而大大提高了合金的强度.参考文献:[1]乐启炽,崔健忠.Mg−Li合金的过去、现在与未来[J].宇航材料工艺,1997,27(2):1−6.[2]WatanableH,TsutsuiH.DeformationMechanismsinaCoarse-grainedMg−Al−ZnAlloyatElevatedTemperatures[J].Int.J.Plasticity,2001,17:387−397.[3]CahnRW.非铁合金的结构与性能[M].丁道云,译.北京:科学出版社,1999.101.[4]HaferkampH,NiemeyerM,BoehmR.Development,ProcessingandApplicationRangeofMg−LiAlloy[J].MasterSci.Forum,2000,350(3):31−41.[5]KamadoS,AshieT,OhshimaY.TensilePropertiesandFormabilityofMg−LiAlloyGrainRefinedECAProcess[J].MasterSci.Forum,2000,350(3):55−62.[6]AlanA,LuoA,MichaelP.GreepandMicrostructureofMagnesium−Aluminum−CalciumBasedAlloys[J].Metall.Mater.Trans.,2002,33A(3):567−574.[7]MihribanO,EricB.DevelopmentofCreepResistantMg−Al−SrAlloys[J].MagnesiumTechnol.,2001,6:119−125.[8]HaferkampH,NiemeyerM,BoehmR.Development,ProcessingandApplicationRangeofMg−LiAlloy[J].MasterSci.Forum,2000,350(3):3142−3146.[9]汤彬,李培杰,曾大本.Ca对AZ91D合金抗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