摘要：采用攪拌摩擦加工對(duì)汽車(chē)輕量化Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金進(jìn)行改性，并進(jìn)行了合金的顯微組織、物相組成、微觀(guān)織構(gòu)和力學(xué)性能的分析。結(jié)果表明：攪拌摩擦加工使合金的平均晶粒尺寸減小64.6%、織構(gòu)最大值減小27.69%，顯著提高了合金力學(xué)性能，其中抗拉強(qiáng)度增加22.2%、屈服強(qiáng)度增加44.6%、斷后伸長(zhǎng)率增加6.8%；合金仍是由α-Mg 基體和少量Mg17Al12相組成，但Mg17Al12第二相由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布變成彌散的顆粒狀分布。
關(guān)鍵詞：攪拌摩擦加工； 汽車(chē)輕量化； Mg-8Al-1Zn-0.05Y 鎂合金； 微觀(guān)織構(gòu)； 力學(xué)性能
隨著汽車(chē)輕量化需求的日益迫切， 鎂合金作為廣泛應(yīng)用的輕合金在汽車(chē)上有著極大的應(yīng)用潛力，但是現(xiàn)有的商用鎂合金往往存在力學(xué)性能、耐腐蝕性和疲勞性能等不佳的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化的需求，迫切需要采用新的技術(shù)或方法對(duì)鎂合金進(jìn)行改性。攪拌摩擦加工（Friction Stir Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)FSP）是伴隨攪拌摩擦加工發(fā)展起來(lái)的一種新型材料加工改性技術(shù)。目前，鎂合金的研究主要集中在合金元素優(yōu)化、制備工藝和力學(xué)性能等方面的研究；而對(duì)鎂合金攪拌摩擦加工后的組織織構(gòu)研究的還較少，這限制了鎂合金在汽車(chē)輕量化上的大規(guī)模應(yīng)用。鑒于此，本文嘗試采用攪拌摩擦加工方法，對(duì)Mg-8Al-1Zn-0.05Y新型鎂合金進(jìn)行改性研究，并分析了攪拌摩擦加工對(duì)合金顯微組織、物相組成和微觀(guān)織構(gòu)的影響，為鎂合金在汽車(chē)輕量化上的應(yīng)用提供了一條新的思路。
1試驗(yàn)材料與方法
選擇鑄態(tài)Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金為研究對(duì)象，先在TXZ-150 型中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行合金試樣的熔煉，然后用鐵模澆注、空冷，并去除表面氧化皮，獲得鑄態(tài)Mg-8Al-1Zn-0.05Y 鎂合金，并切割成長(zhǎng)方體試樣，試樣尺寸為200mm（長(zhǎng)）×50mm（寬）×5mm（高）。合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：7.992Al、1.012Zn、0.284Mn、0.103V、0.013Fe、0.008Si、余量Mg。
在FSW-LM-AM16 型小型龍門(mén)攪拌摩擦加工機(jī)上進(jìn)行鑄態(tài)Mg-8Al-1Zn-0.05Y 鎂合金的攪拌摩擦加工試驗(yàn)。攪拌頭由鎢錸合金來(lái)制作， 軸肩直徑15mm， 攪拌針長(zhǎng)度4.8mm， 攪拌頭下降和提升速度均為10 mm/min， 攪拌頭插入和回抽停留時(shí)間均為5 s。試樣攪拌摩擦加工的主要工藝參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)速度600 r/min、加工速度300 mm/min、軸肩下壓量0.15mm。
攪拌摩擦加工后用線(xiàn)切割方法垂直于加工方向切取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光、浸蝕后用JX-08 型金相顯微鏡（OM）和EVO18 型掃描電鏡（SEM）觀(guān)察合金的顯微組織。物相組成采用D/max 2000/PC 型X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行分析，用Cu 靶，管電壓為30 kV、管電流為40mA。織構(gòu)采用X'PertPRD 型織構(gòu)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，用Co 靶，管電壓為35 kV、管電流為40mA。力學(xué)性能在CMT5000GL 型拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，測(cè)試溫度25℃，并用EVO18 型掃描電鏡進(jìn)行拉伸斷口形貌觀(guān)察。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 XRD 分析
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金在攪拌摩擦加工前后的XRD 圖譜，如圖1 所示?？煽闯觯摵辖鹪跀嚢枘Σ良庸で昂蟮奈锵嘟M成未發(fā)生變化， 二者均由α-Mg 基體和少量的Mg17Al12相組成； 但是與攪拌摩擦加工前相比， 攪拌摩擦加工后合金中Mg17Al12第二相的衍射峰強(qiáng)度明顯變?nèi)?。這主要是因?yàn)樵跀嚢枘Σ良庸み^(guò)程中， 具有較低熔點(diǎn)的Mg17Al12第二相發(fā)生了部分溶解，合金中Mg17Al12第二相由原本的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布變成彌散的顆粒狀分布。
2.2 顯微組織
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金在攪拌摩擦加工前后的顯微組織OM 照片和SEM 照片， 分別如圖2、3 所示。綜合可看出，與攪拌摩擦加工處理前相比， 攪拌摩擦加工后鑄態(tài)AZ81 鎂合金的顯微組織得到明顯細(xì)化， 合金的平均晶粒尺寸從24.6μm減小至8.7μm，平均晶粒尺寸減小了64.6%。合金的Mg17Al12第二相由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榧?xì)小的彌散分布。這主要是因?yàn)樵跀嚢枘Σ良庸み^(guò)程中， 攪拌頭和攪拌針與AZ81 鎂合金之間的摩擦產(chǎn)生熱量， 使得該合金的晶粒發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶， 合金晶粒明顯細(xì)化。
2.3 織構(gòu)分析
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金在攪拌摩擦加工前后的織構(gòu)，如圖4 所示?？煽闯?，經(jīng)過(guò)攪拌摩擦加工改性后，上述鎂合金的織構(gòu)發(fā)生明顯變化，合金的內(nèi)部織構(gòu)發(fā)生明顯弱化， 織構(gòu)最大值從8.784 減小至6.352，減小了27.69%。由此可看出，攪拌摩擦加工顯著弱化了Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金的內(nèi)部織構(gòu)。
2.4 力學(xué)性能
Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金在攪拌摩擦加工前后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果， 如表1 所示。從表1可以看出，與攪拌摩擦加工處理前相比，攪拌摩擦加工后Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金的力學(xué)性能得到顯著提高，抗拉強(qiáng)度從243MPa 增加至297MPa，增加了22.2%；屈服強(qiáng)度從139MPa 增加至201MPa，增加了44.6%；斷后伸長(zhǎng)率從8.6%增加至15.4%， 增加了6.8%。由此可看出，攪拌摩擦加工改善了Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金的力學(xué)性能。這主要是因?yàn)樵跀嚢枘Σ良庸み^(guò)程中， 在摩擦和攪拌雙重作用下，合金內(nèi)部發(fā)生了明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，合金晶粒得到明顯細(xì)化，內(nèi)部織構(gòu)得到弱化，從而顯著提高了合金的力學(xué)性能。
3結(jié)論
(1) 攪拌摩擦加工顯著細(xì)化了Mg-8Al-1Zn-0.05Y新型鎂合金的晶粒，平均晶粒尺寸減小64.6%；弱化了合金的內(nèi)部織構(gòu)，織構(gòu)最大值減小27.69%，這顯著提高了合金的力學(xué)性能。
(2) 攪拌摩擦加工使Mg-8Al-1Zn-0.05Y 新型鎂合金的抗拉強(qiáng)度增加22.2% 、屈服強(qiáng)度增加44.6%、斷后伸長(zhǎng)率增加6.8%。
(3) 攪拌摩擦加工未能使Mg-8Al-1Zn-0.05Y新型鎂合金的物相組成發(fā)生本質(zhì)改變， 仍是由α-Mg 基體和少量Mg17Al12相組成；但是與攪拌摩擦加工前相比， 攪拌摩擦加工后合金中Mg17Al12第二相的衍射峰強(qiáng)度明顯變?nèi)?，Mg17Al12第二相發(fā)生了部分溶解， 合金中Mg17Al12第二相由原本的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布變成彌散的顆粒狀分布。