21、镁合金性能研究：挤压、热处理与晶粒尺寸的影响

最新推荐文章于 2025-11-12 10:29:04 发布

cake8

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分类专栏：镁技术前沿：轻质革命文章标签：镁合金力学性能生物腐蚀

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镁合金性能研究：挤压、热处理与晶粒尺寸的影响

1. Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金研究

1.1 研究背景

镁合金因具有高比强度和比刚度，在车辆、航空航天等领域展现出作为优秀结构和工程材料的潜力。然而，其较差的力学性能，特别是低强度和机械加工性能，限制了进一步应用。Mg - Zn - RE合金因优异的力学性能受到关注，其中Zn的添加能改善强度和延展性，Gd的添加则有利于沉淀强化。含LPSO相的Mg - Zn - Gd合金有望成为高强度镁合金，通过控制LPSO结构的体积分数和形态可调整其力学性能。

1.2 实验方法

合金制备 ：采用常规铸造方法制备Φ60 mm的Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr（at.%）坯料，其化学成分如下表所示：
| 合金 | Zn (at.%) | Gd (at.%) | Zr (at.%) | Mg |
| — | — | — | — | — |
| Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr | 1.268 | 0.753 | 0.171 | 余量 |
处理过程 ：从铸锭上切割的样品在430 °C下均匀化处理14 h后淬火至冷水中。在400 °C的Φ50 mm挤压容器中，以5.6 cm s⁻¹的速度将Φ47 mm的圆柱体间接挤压成Φ12 mm的棒材。研究在200 °C下不同时间（2 - 117 h）的时效硬化行为。部分挤压棒材和拉伸试样在430 °C下固溶处理8 h，其中一部分随后在200 °C下时效以达到T6状态；T5处理则是将挤压样品直接在200 °C下时效。最后，将退火样品浸入水中淬火。
性能测试 ：按照相关标准，使用直径6 mm、标距25 mm的圆柱形试样，在室温下以1 mm/min的十字头速度进行三次拉伸试验。采用图像分析技术估计第二相的体积分数，用3 kg载荷进行15 s的维氏硬度测试，使用线性截距法测定合金的晶粒尺寸。通过光学显微镜（OM）、透射电子显微镜（TEM；JEM - ARM200F）和扫描电子显微镜（SEM；Zeiss Ultra 55，德国）及能谱分析仪（EDS）观察微观结构。

1.3 实验结果

1.3.1 时效硬化行为

样品在200 °C时效时，硬度值最初缓慢增加，8 h后快速上升，16 h达到峰值，随后逐渐下降，之后呈锯齿状波动。

1.3.2 微观结构演变

XRD分析 ：铸态Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金由α - Mg固溶体、W相（Mg₃Zn₃Gd₂）和X相（Mg₁₂GdZn）组成。间接挤压和后续热处理后，第二相组成不变，但X相的衍射峰强度增强，W相的衍射峰强度减弱。
微观组织观察 ：挤压和热处理后，第二相沿挤压方向呈带状分布并开裂。T5处理后动态再结晶（DRX）晶粒尺寸为8 - 12到10 - 15 μm，T6处理后约为18 μm，表明热处理会使晶粒粗化。EDS分析表明块状相为W - Mg₃Zn₃Gd₂相，层状结构接近X - Mg₁₂GdZn相。T5和T6处理过程中，基体中第二相的体积分数增加，X相形态发展为贯穿基体的厚板状。

1.3.3 力学性能

挤压态合金的抗拉强度和屈服强度分别为338 MPa和230 MPa，这是由于硬而脆的层状X相易引发裂纹。
T5态合金表现出最佳力学性能，抗拉强度为390 MPa，屈服强度为295 MPa，伸长率为11.9%，这归因于β′沉淀强化和LPSO X相强化。
T6态合金的抗拉强度降至340 MPa，伸长率略有增加至15.1%。T6态合金力学性能较差可能是由于板状X相的割裂作用和相对较大的DRX晶粒。

1.4 结论

Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr（at.%）合金由α - Mg、X相和W相组成，热处理使第二相体积分数增加，但相种类不变。
T5处理的合金在α - Mg基体中析出大量细小的β′相，具有优异的抗拉和屈服强度以及一定的伸长率。
T6处理后，基体中出现少量椭球状β′颗粒，力学性能相对较差。

mermaid格式流程图展示Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金处理流程：

graph LR
    A[铸造Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr坯料] --> B[均匀化处理]
    B --> C[间接挤压]
    C --> D[时效硬化研究]
    D --> E1[T5处理]
    D --> E2[固溶处理]
    E2 --> F[T6处理]
    E1 --> G[淬火]
    E2 --> G
    F --> G
    G --> H[性能测试]

2. AZ31镁合金晶粒尺寸对生物腐蚀性能的影响

2.1 研究背景

镁及其合金在汽车、航空和临床应用领域具有重要作用，尤其是在生物植入领域，AZ31镁合金作为可生物降解材料备受关注。了解AZ31镁合金微观结构与腐蚀性能的关系至关重要，本研究聚焦于晶粒尺寸这一微观结构特征。

2.2 实验方法

样品制备 ：从AZ31镁合金棒材制备直径12 mm、高度10 mm的圆柱形样品，其化学成分约为3%铝、1%锌和96%镁。将一批样品在200 °C下热处理72 h以获得不同晶粒尺寸，将热处理和未处理的样品用P600砂纸抛光以确保相同的表面光洁度。
腐蚀测试 ：使用模拟体液（SBF）溶液进行浸泡测试，浸泡时间分别为0.5天、1天、7天、14天和28天。测试在36.5 ± 1.5 °C和pH值6.3 - 7.8的条件下进行，SBF体积与样品表面积之比为30 ml/cm²，每2 - 3天更换一次SBF以维持生理pH值。浸泡测试后，用乙醇清洗样品并通过热空气干燥，测量样品浸泡前后的质量。
观察分析 ：使用光学显微镜表征样品热处理前后的晶粒尺寸，使用扫描电子显微镜（SEM）观察样品在SBF中腐蚀后的表面形态变化。

2.3 实验结果

2.3.1 晶粒尺寸

未处理样品的平均晶粒尺寸约为7.43 ± 4.79 μm，热处理后样品的平均晶粒尺寸约为14.69 ± 12.28 μm，约为未处理样品的两倍。热处理显著增加了晶粒尺寸，但晶粒尺寸分布的离散程度变化不大。

2.3.2 pH值变化

在整个SBF浸泡测试中，两种样品的pH值均随浸泡时间增加而升高，这是由于镁基体作为阳极发生反应产生氢气和氢氧根离子，反应式为：2 Mg + 2 H⁺ + 2 H₂O → 2 Mg²⁺ + 2 OH⁻ + 2 H₂↑。随着浸泡时间的增加，pH值变化逐渐减小，且热处理样品的最高pH值低于未处理样品，表明热处理样品更具耐腐蚀性。

2.3.3 重量损失和腐蚀速率

两种样品的重量损失均随浸泡时间增加而增加，且溶解速率也随之增加。未处理样品的重量损失高于热处理样品，这可能与两种样品的晶粒尺寸不同有关，热处理样品平均晶粒尺寸较大，晶界面积较小，而晶界易在溶液中被侵蚀。腐蚀速率随浸泡时间的变化趋势为：在0 - 72 h内，腐蚀速率以相同速率增加；72 - 168 h内，腐蚀速率急剧增加；168 - 336 h内，腐蚀速率保持不变，可能是样品表面钝化保护膜的形成与溶解达到平衡；之后，在更长时间的浸泡中，腐蚀速率显著增加。

2.3.4 表面形态

两种样品在SBF中浸泡时，表面形态变化趋势相似。初始阶段（浸泡24 h内），表面轮廓完整，无点蚀现象，表明样品表面形成了一层保护膜。浸泡168 h后，表面出现明显点蚀，表明主要由Mg(OH)₂组成的膜层在某些位置破裂。浸泡时间超过168 h后，致密的保护层不再存在，局部腐蚀开始发生，但表面仍有部分完整的层起到保护作用。

2.4 结论

两种样品的pH值均随浸泡时间增加而升高，且变化幅度随浸泡时间增加而减小。
未处理样品的重量损失和腐蚀速率高于热处理样品，热处理样品更具耐腐蚀性。
浸泡至少168 h后，点蚀成为腐蚀机制。

列表总结AZ31镁合金实验结论：
1. pH值随浸泡时间增加而升高，且变化幅度减小。
2. 未处理样品腐蚀更严重，热处理样品耐腐蚀性更好。
3. 长时间浸泡后，腐蚀机制为点蚀。

mermaid格式流程图展示AZ31镁合金实验流程：

graph LR
    A[制备AZ31镁合金样品] --> B[热处理部分样品]
    B --> C[抛光样品]
    C --> D[表征晶粒尺寸]
    D --> E[SBF浸泡测试]
    E --> F[清洗干燥样品]
    F --> G[测量质量]
    F --> H[SEM观察表面形态]

3. 综合分析与展望

3.1 两种合金研究的关联与差异

3.1.1 关联

两者都围绕镁合金展开研究，旨在改善镁合金的性能以满足不同领域的应用需求。Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金研究侧重于提高力学性能，而AZ31镁合金研究聚焦于生物腐蚀性能，这两种性能对于镁合金在工程和生物医学领域的应用都至关重要。
都采用了热处理的方法来改变合金的微观结构，从而影响其性能。在Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金中，T5和T6热处理改变了第二相的形态和分布以及晶粒尺寸；在AZ31镁合金中，热处理改变了晶粒尺寸，进而影响了腐蚀性能。

3.1.2 差异

研究重点不同 ：Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金主要研究挤压和热处理对微观结构和力学性能的影响，关注的是合金的强度和塑性等力学指标；而AZ31镁合金主要研究晶粒尺寸对生物腐蚀性能的影响，关注的是合金在生物环境中的耐腐蚀能力。
合金成分不同 ：Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金含有Zn、Gd和Zr等元素，这些元素的添加形成了特定的第二相，如X相和W相，对合金的强化起到重要作用；AZ31镁合金主要含有Al和Zn元素，其性能主要受晶粒尺寸和晶界的影响。

3.2 对实际应用的启示

3.2.1 Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金

在航空航天和汽车领域，对材料的强度和轻量化要求较高。Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金的T5处理态具有优异的力学性能，可用于制造承受高载荷的零部件，如飞机的机翼框架、汽车的发动机缸体等。
通过控制挤压和热处理工艺，可以精确调整合金的微观结构和性能，满足不同工程应用的需求。例如，根据具体的强度和塑性要求，选择合适的挤压比和热处理参数。

3.2.2 AZ31镁合金

在生物医学领域，如骨植入物和血管支架等应用中，需要材料具有良好的生物相容性和耐腐蚀性能。AZ31镁合金经过适当的热处理，增大晶粒尺寸可以提高其耐腐蚀性能，减少在生物体内的腐蚀速率，延长植入物的使用寿命。
可以根据不同的临床需求，通过调整热处理工艺来控制AZ31镁合金的晶粒尺寸，从而优化其生物腐蚀性能。

3.3 未来研究方向

3.3.1 Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金

进一步研究不同元素含量对合金微观结构和性能的影响，探索更优的合金成分设计，以提高合金的强度和塑性。
研究复合强化机制，如结合纳米颗粒强化、纤维强化等方法，进一步提升合金的综合性能。
开展高温性能研究，了解合金在高温环境下的微观结构演变和力学性能变化，拓展其在高温领域的应用。

3.3.2 AZ31镁合金

研究表面处理技术与晶粒尺寸协同作用对生物腐蚀性能的影响，开发更有效的表面防护方法，提高合金的耐腐蚀性能。
深入研究合金在复杂生物环境中的腐蚀机制，如在不同pH值、离子浓度和生物分子存在的条件下的腐蚀行为。
探索AZ31镁合金与其他生物材料的复合应用，开发新型的生物医学材料。

mermaid格式流程图展示两种合金研究的关联与未来研究方向：

graph LR
    A[Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金研究] --> B[提高力学性能]
    C[AZ31镁合金研究] --> D[改善生物腐蚀性能]
    B --> E[航空航天、汽车应用]
    D --> F[生物医学应用]
    A --> G[未来研究：优化成分、复合强化、高温性能]
    C --> H[未来研究：表面处理协同、复杂环境腐蚀、复合应用]
    A & C --> I[关联：热处理改变微观结构]

综上所述，对Mg - 1.27Zn - 0.75Gd - 0.17Zr合金和AZ31镁合金的研究为镁合金的性能改善和应用拓展提供了重要的理论和实验依据。未来的研究将进一步深入探索合金的性能优化和应用潜力，推动镁合金在更多领域的广泛应用。