退火对轧制LA43M镁锂合金组织与性能的影响

王谦 张明玉闵光辉②

（①昌吉学院 昌吉 831100 ②山东大学材料学院 济南 250014）

轻金属及其合金在可持续发展的进程中具有非常美好的前景，这需要增强节能和环境保护以及进一步降低生产成本。在环境保护和可持续发展方面，轻质镁（Mg）合金作为传统结构材料的替代金属备受关注，伴随着对轻量化的需求不断增加以减少燃料消耗和二氧化碳排放任务，镁合金的密度是铝的三分之二，是钢的四分之一，对运输行业具有很大的吸引力。对轻质材料的这种需求，一直以来都是航空航天工业面临最为严重的问题。虽然镁及镁合金，它们具有高比强度、高比刚度，电磁屏蔽性能好和高铸造性一系列的优点，但同时存在两个制约其发展的关键问题，阻碍了它们作为未来潜在结构材料的应用，这些缺陷是：相对低的强度和在室温下有限的冷加工性，换言之，就是材料室温状态下塑性低的问题[1-3]。

Mg-Li合金是目前密度最低的金属结构材料，具有高比强度和良好塑性等特点，在航天航空、汽车、3C电子等领域具有广阔的应用前景。Mg-Li合金除了具备一般镁合金的特性之外，还拥有自己独特的性能，合金密度很低，是唯一低于镁基体密度的镁合金体系，甚至可以低于水的密度；随着Li含量的增加，合金的结构将发生由密排六方(HCP)转为密排六方+体心立方再到体心立方(BCC)的转变，可以改善合金的塑性成形性。但是现有的Mg-Li合金强度较低（σb＜200 MPa），严重制约其得到进一步应用。本实验以LA43M合金为研究对象，通过改变其退火温度，观察其组织演变过程及性能变化规律[4-6]。

1 试验过程

1.1 合金的成分

试验合金为苏州川茂金属材料有限公司提供的LA43M镁锂合金轧制板材。合金成分如表1：

表1 LA43M的成分（%）

1.2 试验方法

本实验为消除LA43M合金在轧制过程中产生的加工硬化，Mg-Li合金在400℃以上易燃、易爆，同时在300℃以下具有优良的塑性。综合考虑，选择的退火工艺为：分别选取180℃，200℃，220℃为退火温度；在此基础上确定退火时间为1.5h。研究不同退火温度对LA43M合金微观组织及宏观性能的影响。

按照取样、粗磨、抛光、浸蚀等步骤进行金相试样的制备。将切割制备好的金属试样在砂纸上进行研磨处理，遵循从低倍数砂纸到高倍数砂纸的研磨过程，本实验对LA43M合金试样粗磨从400目，到600目，再到800目；细磨过程从1200目开始，1500目，2000目，到3000目，完成对LA43M合金试样的研磨过程。观察其表面，没有明显划痕的情况下在抛光机上对试样进行机械抛光，抛光至镜面后，进行腐蚀。本实验选取的腐蚀剂为体积分数14%的磷酸溶液。采用X射线衍射仪（XRD）对不同状态的合金进行物相分析，扫描角度25°～80°，靶材为Cu靶，其扫描速度为0.1°/S。

保留LA43M合金金相试样，经过机械抛光至镜面后，用吹风机吹干，拿到显微硬度计前，做显微硬度实验，做好实验记录。对每个试样打七个测试点，确保每次打点在试样不同位置，尽可能使测试点均匀分布，去掉每次测试的最高值和最低值，求平均值，该值可认为是该组合金的显微硬度。

对LA43M合金进行机加工，加工成标准件，见图1。在钢研纳克GNT100电子万能拉伸压缩试验机上对材料进行室温拉伸实验，测试其抗拉强度及断裂延伸率，比较不同退火工艺对其塑性的影响机制。

图1 加工标准式样图

2 试验结果与分析

2.1 合金的显微组织

图2 LA43M镁锂合金的晶粒(a)轧制态(b)180℃(c)200℃(d)220℃

图2 为LA43M合金的金相显微组织，从图2（a）中可以看出轧制LA43M镁合金基体组织为等轴晶粒，原始晶粒粗大，最大晶粒尺寸超过50 μm，形状不规则，晶界较细，平均晶粒尺寸为46.7μm，另外，晶粒分布没有明显的方向性，平衡相分布于晶界和基体上。经180℃×1.5h退火后，晶粒尺寸变化不明显，但晶界平衡相数目增多，大多富集于晶界处，平均晶粒尺寸为42.6 μm，晶界粗化，如图2（b）所示。200℃×1.5h退火后，晶粒尺寸减小，平均尺寸为31.4μm，析出相的数目增多，可以看到在基体上存在较多二次相粒子，如图2（c）所示。最后经220℃×1.5h退火后，晶界变得更加清晰，晶粒进一步细化，平均晶粒尺寸为25.6μm，可以看到沿着轧制的方向，有再结晶的形成[7]。

由于轧制变形提供了较大的能量，因此合金在变形过程中发生了再结晶，使轧制态合金具有动态再结晶组织特点。但由于轧制过程进行得很快，动态再结晶没有完全进行，导致晶粒尺寸较大，合金基体存在亚晶界，同时含有较高的形变储存能。晶粒分布没有明显的方向性，表明轧制LA43M镁-锂合金将不存在明显的各向异性。过冷度作为驱动力，决定了形核和再结晶过程，温度和时间的不同会决定再结晶完成程度。经过200℃×1.5h退火，LA43M镁-锂合金基体内的储存能得到释放，亚境界逐渐形成完整晶界，使合金晶粒得到细化。同时在退火过程中，固溶在基体内的合金化元素与基体形成化合物逐渐析出。随着退火温度的升高，再结晶充分进行，使晶粒进一步细化[8]。

2.2 合金的XRD分析

对LA43M镁锂合金进行了X射线衍射分析，并根据PDF卡片进行了物相的标定。

图3 LA43M的XRD图谱

如图3所示，合金以（100）面和（101）面晶粒占主导，在该晶面上晶粒得到优先生长，晶粒百分比增加。为了确定退火前后合金中物相的变化，对三种退火态的LA43M镁-锂合金进行了X射线衍射分析。

图4 不同退火下的XRD图谱

从图4中可知，不同温度下的退火处理XRD图谱未发生明显变化，在经过220℃×1.5h退火后的XRD图谱中，有一些杂峰的特征衍射峰强度有所增强，这说明，随着退火温度的升高，析出相对应的衍射峰相对强度增加，析出相的数目增多。

2.3 合金的力学性能

2.3.1 显微硬度

图5 不同退火下的显微硬度

根据金属学理论，合金的主要强化方式主要有细晶强化、析出强化、加工硬化以及固溶强化[9]。经过轧制变形后，LA43M镁锂合金保持较高的显微硬度，这是由于在轧制的过程中发生了材料的加工硬化。经过退火处理后，材料的显微硬度增加，这是由于细晶强化和析出强化共同作用的结果。从图5中可知，经过180℃×1.5h退火后，其硬度达到89.2HV，随着退火温度的升高，其显微硬度呈现了降低的趋势，这是由于升高温度的时候发生了再结晶，材料晶粒尺寸降低，再结晶的过程是回复基体，消除形变的过程，所以经220℃×1.5h退火后，硬度值降低，为81.4HV。

2.3.2 拉伸力学性能

图6不同退火下的抗拉强度及延伸率

图6 为LA43M合金在不同退火温度下的抗拉强度及延伸率，在轧制后，LA43M镁-锂合金体现出了优异的塑性，其伸长率达到21%；经退火处理后，其强度增加，延伸率下降。

轧制过程提供了能量，使轧制态LA43M合金具有完全的动态再结晶组织，晶粒为等轴晶，大部分晶界为大角晶界，合金在变形过程中能够有效地缓解应力集中，抑制裂纹的扩展，有利于获得高的塑性。热处理诱发了再结晶，细化了晶粒。晶粒尺寸的减小将会增加位错运动障碍的数目，降低位错的可动性，使合金强度提高。根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式可得，晶体的平均直径尺寸越细小，相对应的，该合金的强度就越高。但与此同时，较高温度的退火使得LA43M镁锂合金基体上析出二次相，这些析出相数目的增多，使合金的延伸率下降[10-11]。

3 结论

（1）轧制态LA43M镁锂合金体现出了良好的塑性和可变形性，其延伸率达到了21%；

（2）提高退火温度，LA43M镁-锂合金晶粒细化，析出相数目增多，使合金强度提高;

（3）经220℃×1.5h退火后，晶粒尺寸为25.6μm，抗拉强度达到了206MPa。