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瀏覽·│•:- 釋出日期·│•:2021-09-06 14:35:58【

劉 俊,王英英

(中國工程物理研究院 機械製造工業研究所,綿陽 621900)

摘 要:採用宏觀及顯微分析▩·☁↟、能譜分析▩·☁↟、密度測試▩·☁↟、硬度試驗等方法,對某 AZ40M 鎂合金鍛件低倍試片上的不規則形狀缺陷進行了分析.結果表明:該不規則缺陷為鋁▩·☁↟、錳▩·☁↟、鐵元素組成的化合物偏析,屬於區域性偏析;該偏析對材料的區域性密度和硬度均勻性均有影響;同時由於該區域含有大量的鐵元素,其耐蝕效能也大大降低.

關鍵詞:AZ40M 鎂合金鍛件;不規則缺陷;化合物偏析;均勻性;耐蝕性

中圖分類號:TG146.2+2;TG316.1+92 文獻標誌碼:B 文章編號:1001G4012(2018)04G0300G04


AnalysisonAnomalyGDefectinAZ40M MagnesiumAlloyForging

LIUJun,WANGYingying

(InstituteofMechanicalManufacturingTechnology,CAEP,Mianyang621900,China)

Abstract:Bymeansofmacroscopicandmicroscopicanalysis,energyspectrumanalysis,densitytestandhardnesstest,theanomalyGdefectinthemacrostructurespecimenofAZ40M magnesiumalloyforgingwasanalyzed.

TheresultsshowthattheanomalyGdefectwassegregationofcompoundscomposedofelementsofAl,MnandFe,

anditbelongedtoregionalsegregation.Thesegregationhadinfluenceonthelocaldensityandhardnessuniformityof

thematerial.Atthesametime,duetothelargeamountofFeelementintheregion,thecorrosionresistancewasalsogreatlyreduced.

Keywords:AZ40M magnesiumalloyforging;anomalyGdefect;compoundsegregation;uniformity;corrosionresistance

劉 俊,王英英

(中國工程物理研究院 機械製造工業研究所,綿陽 621900)

摘 要:採用宏觀及顯微分析▩·☁↟、能譜分析▩·☁↟、密度測試▩·☁↟、硬度試驗等方法,對某 AZ40M 鎂合金鍛件低倍試片上的不規則形狀缺陷進行了分析.結果表明:該不規則缺陷為鋁▩·☁↟、錳▩·☁↟、鐵元素組成的化合物偏析,屬於區域性偏析;該偏析對材料的區域性密度和硬度均勻性均有影響;同時由於該區域含有大量的鐵元素,其耐蝕效能也大大降低.

關鍵詞:AZ40M 鎂合金鍛件;不規則缺陷;化合物偏析;均勻性;耐蝕性

中圖分類號:TG146.2+2;TG316.1+92 文獻標誌碼:B 文章編號:1001G4012(2018)04G0300G04

AnalysisonAnomalyGDefectinAZ40M MagnesiumAlloyForging

LIUJun,WANGYingying

(InstituteofMechanicalManufacturingTechnology,CAEP,Mianyang621900,China)

Abstract:Bymeansofmacroscopicand microscopicanalysis,energyspectrum analysis,densitytestand

hardnesstest,theanomalyGdefectinthemacrostructurespecimenofAZ40M magnesiumalloyforgingwasanalyzed.

TheresultsshowthattheanomalyGdefectwassegregationofcompoundscomposedofelementsofAl,MnandFe,

anditbelongedtoregionalsegregation.Thesegregationhadinfluenceonthelocaldensityandhardnessuniformityof

thematerial.Atthesametime,duetothelargeamountofFeelementintheregion,thecorrosionresistancewas

alsogreatlyreduced.

    Keywords:AZmagnesiumalloyforging;anomalydefect;compoundsegregation;uniformity;corrosionresistance


    AZ40M 為 MgGAlGZn系列鎂合金,是重要的工業用變形鎂合金,具有優良的強度和延展性,其比強度高於鋁合金和碳鋼的.由於其具有獨特的輕質材料 功 能,被 廣 泛 用 於 航 空 航 天 以 及 軍 事 領 域.AZ40M 鎂合金的生產主要是透過擠壓▩·☁↟、軋製和鍛造等工藝手段實現,其常見物理冶金低倍缺陷有夾渣(包括溶劑夾渣)▩·☁↟、氣孔▩·☁↟、初晶偏析▩·☁↟、非金屬夾雜物▩·☁↟、大

    晶粒▩·☁↟、縮孔▩·☁↟、縮尾▩·☁↟、成層▩·☁↟、光亮環▩·☁↟、擠壓裂紋等.某單位生產的 AZ40M 鎂合金鍛件產品,在低倍檢驗時發現材料的低倍試片上有多處不同於基體材料且形狀復 雜 的 缺 陷. 缺 陷 最 長 可 達 15 mm,寬 度 約8mm.筆者對該鍛件產品低倍試片上的缺陷進行了宏微觀形貌分析▩·☁↟、化學成分分析以及缺陷對產品整體密度和硬度影響的分析,並對缺陷產生的主要原因和危害進行了分析,以期為材料使用者在進行產品質量驗收時提供指導建議.

1 理化檢驗

1.1 缺陷宏觀形貌分析

    AZ40M 鎂合 金 鍛 件 產 品 低 倍 試 片 採 用 苦 味酸+乙酸+水混合溶液腐蝕,經氫氟酸+水溶液進行光亮處理後顯示出低倍組織.由圖1a)可見,缺陷顏色與基體材料本身顏色一致,均呈銀灰色,凸出於基體表面,邊界清晰,沿零件鍛造變形方向分佈,與基體 結 合 較 為 致 密. 採 用 計 算 機 斷 層 掃 描 儀(CT)對缺陷的宏觀形貌和深度進行掃描,結果見圖1b),可見缺陷貫穿試片整個厚度,從 CT 影象的灰度值來看,缺陷處材料的密度高於 AZ40M 鎂合金的,說明缺陷處含有大量原子序數大於鎂的元素.


1.2 缺陷微觀形貌分析

    在缺陷處切取金相試樣,經過粗磨▩·☁↟、細磨▩·☁↟、拋光處理,採用1mL硝酸+1mL乙酸+1g草酸+150mL水侵蝕液[1]對試樣進行化學侵蝕,在 AxioObserverA1m 光學顯微鏡(OM)和 KY3200掃描電鏡(SEM)下觀察缺陷組織形貌,結果見圖2和圖3.

圖1 缺陷宏觀及 CT形貌


圖1 缺陷宏觀及 CT形貌

Fig│╃✘•☁。1 Thea macroscopicmorphologyand

b CTmorphologyofthedefect

    A1m 光學顯微鏡(OM)和 KY3200掃描電鏡(SEM) 下觀察缺陷組織形貌,結果見圖2和圖3.

圖2 缺陷處和基體顯微組織 OM 形貌

圖3 缺陷處和基體顯微組織SEM 形貌



    由圖3可見,高放大倍數下觀察,缺陷處存在不同形狀的夾雜物相,有長條狀▩·☁↟、球狀▩·☁↟、立方狀以及不規則形狀.經過化學侵蝕後,絕大部分長條狀夾雜物在基體組織的晶界上析出,部分在晶粒內析出,與基體的聯絡非常脆弱.由於這些夾雜物的耐蝕性相比基體的要好,所以在掃描電鏡下的形貌均是凸出於基體表面,這與缺陷宏觀上的形貌特徵相一致.


1.3 化學成分分析


圖4 立方狀結構相成分面掃描和點掃描結果


    採用能譜儀(EDS)分析了各種形狀夾雜物相的化學組分.先採用面掃描方式分析了各元素在基體和不同形狀缺陷上的分佈情況,然後採用點掃描方式分析了每種元素的含量.圖4~6以及表1~3分別為3種典型夾雜物相的成分分析結果,可見雖然這些夾雜物的形狀不同,但其主要成分都是鎂▩·☁↟、錳▩·☁↟、鋁的化合物,有些相中含有少量鎂合金常有的雜質元素,如鐵▩·☁↟、鈣▩·☁↟、鈉▩·☁↟、鉀等.這些微量雜質元素含量不同,相結構也不同.比如:立方狀結構相中鐵和鈉含量較高;條狀結構相中不含有鐵元素,且鈉元素含量較低;而橢球狀結構相中只含有3種主元素,即鎂▩·☁↟、鋁▩·☁↟、錳.如果不考慮含量小於1%的雜質元素和基體主元素鎂,立方狀▩·☁↟、條狀和橢球狀3種形狀夾雜物相中錳與鋁的原子比分別為1∶2,1∶4,1∶7,由於能譜儀成分分析誤差較大,所以能譜分析得到的各種形狀夾雜物的物相組分與準確資料之間存在一定的誤差,但是鎂▩·☁↟、鋁▩·☁↟、錳3種元素的組合比例趨勢是一致的.

1.4 缺陷區域密度分析

    切取包含全部缺陷區域在內試樣以及未有缺陷試樣共計4件,分別編號為缺陷G1▩·☁↟、缺陷G2▩·☁↟、缺陷G3▩·☁↟、正常,採用液體靜力衡量法檢測4件試樣的密度,結果見表4.可見含有缺陷試樣的密度均高於正常試樣的,且隨著試樣體積的減小,這種趨勢更加明顯,這說明缺陷處的化學組分影響試件的區域性密度.


試樣密度檢測結果


1.5 缺陷區域硬度分析

採用小負荷維氏硬度試驗方法檢測了缺陷試樣和正常試樣的硬度,結果見表5.可見缺陷對材料硬度的均勻性有一定影響,造成材料區域性維氏硬度分散性增大,在缺陷處材料的硬度忽高忽低,極差(最大值與最小值的差值)達8.7HV,而無缺陷處材料的維氏硬度均勻性非常好,最大值與最小值只差1.1HV.


試樣檢測結果分析


2 綜合分析

    AZ40M 鎂合金為 MgGAlGZn系列合金,主要元素含量 (質 量 分 數,%)如 下:3.0~4.0Al,0.15~0.50Mn,0.20~0.80Zn,≤0.04Cu,≤0.005Ni,≤0.08Si,≤0.04Fe,≤0.01Be,其 他 雜 質 元 素 總 和≤0.20,餘 Mg.合金元素的加入能改善鎂合金的組織結構和效能,但是由於鎂的密度小,與一些合金組元的密度相差過大,同時如果這些組元在鎂中溶解度又低的情況下,在熔鍊過程中,如工藝控制不當,很容易造成晶內偏析和區域偏析,如錳▩·☁↟、鋅等元素,從而會產生組織缺陷,進而影響材料的效能[1].晶內偏析可透過組織均勻化來減少和消除.而區域偏析較為複雜,消除較為困難,容易沉澱在熔體的底部.同時,鎂合金中最危險的有害雜質元素是鐵,鐵在鎂中含量較高時,會使合金的韌性降低,脆性增大,在酸性和潮溼環境中易發生原電池腐蝕.這是因為鐵元素不能固溶於鎂中,只能遊離分佈在晶界,從 而 降 低 鎂 合 金 的 耐 蝕 性 能. 當 鐵 含 量 大 於0.016%(質量分數,下同)時,鎂合金的腐蝕速率急劇增大[2].AZ40M 鎂合金中加入錳元素的目的就是為了與嚴重損害鎂合金耐蝕效能的雜質元素鐵形成高熔點化合物而沉澱出來,減少鐵的有害影響,提高鎂合金的耐蝕效能,同時起到細化晶粒的作用[3].

    目前,降低鎂合金中鐵含量的方法主要是以中間合金或其他形式加入錳元素,使錳與鐵形成複雜化合物除去或改變鐵的存在形態,但是這樣處理易造成元素的偏析,處理效果難以均勻,如果靜置時間不夠,該化合物會殘留在鎂液中形成夾雜物.研究者為了解決該問題,研製出了一些溶劑除鐵方法,比如上海交通大學研製的JDMJ鎂合金溶劑內,加入少量的硼化物可達到既除鐵又除雜的目的[4].另外,鎂合金在冶煉過程中需加入一些鹼金屬溶劑,如處理不當容易產生一些溶劑夾雜物,這些溶劑夾雜物主要是鹼金屬的氯鹽或氟鹽[5].

    AZ40M 鎂 合 金 中 元 素 鋁 一 般 以 強 化 相β(Mg17Al12)相分佈在基體α(Mg)相中.微量元素鋅和錳的加入,改變了 Mg17Al12 相的形態▩·☁↟、結構特徵和效能[1].錳在合金中的含量非常低,不到1%.而鐵元素為雜質元素,含量越少越好,但是從圖4~6以及表1~3的分析結果可知,缺陷處的夾雜物,

    雖然其形狀不同,但是都含有不同比例的鋁元素和錳元 素,鋁 含 量 在 33.51% ~69.98%,錳 含 量 在20.38%~34.59%.由此可見,缺陷的產生是因為鋁▩·☁↟、錳元素的偏析而形成不同物相結構的夾雜物.

3 結論

    (1)AZ40M 鎂合金鍛件中的不規則缺陷是其在鑄造過程中由於工藝不當而產生的區域性化合物偏析,在後期的鍛造過程中,由於劇烈的熱變形,偏析化合物沿流線方向分佈,在低倍腐蝕條件下沿鍛造流線顯示出來.

    (2)由於該偏析中含有大量的鐵和錳元素,這將大大降低產品的耐蝕效能,同時影響材料的區域性密度.變孔洞成為裂紋源,然後在腐蝕介質的作用下,裂紋在晶界處萌生並沿晶界擴充套件,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

3 結論及建議

    該主汽門閥蓋螺栓斷裂為一次性沿晶脆性斷裂;造成其斷裂的原因是螺栓顯微組織粗大且分佈不均勻,在長期的高溫和應力作用下,區域性位置的晶界發生蠕變產生蠕變孔洞,然後在腐蝕介質的作用下晶界蠕變孔洞處萌生裂紋並沿晶界擴充套件,最終造成螺栓一次性沿晶脆性斷裂.

    建議加強對螺栓使用前的抽查檢驗;檢修過程中應對螺栓進行無損檢測,必要時可進行現場化學成分▩·☁↟、硬度▩·☁↟、金相等專案的檢驗;加強對鍋爐水質溶解氧以及pH 值等指標的監測│╃✘•☁。


(文章來源·│•:材料與測試網-理化檢驗-物理分冊 > 2018年 > 4期 > pp.300

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