通過在AZ61鎂合金中添加質量分數0.5%TiN，研究了TiN對鑄態(tài)及擠壓態(tài)AZ61鎂合金顯微組織和拉伸性能的影響。結果表明：添加TiN后鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金晶界處出現TiN顆粒，TiN未與其他元素發(fā)生化學反應；添加TiN后鑄態(tài)合金晶粒尺寸由243.2µm減小到90.2µm，擠壓態(tài)合金晶粒尺寸由8.1 µm減小到5.1μm；添加TiN后，合金中第二相含量明顯增多，擠壓過程中晶粒的動態(tài)再結晶行為受到抑制，組織中出現不完全動態(tài)再結晶晶粒；添加TiN后鑄態(tài)合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低了38.3%，31.3%，30.0%，擠壓態(tài)合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低了3.3%，3.7%，28.3%，拉伸性能的降低與硬度較高TiN相在晶界處的偏聚、孿晶的產生、施密特因子的降低和織構的增強有關。
01研究背景
節(jié)能減排推動了輕質金屬材料的廣泛應用，因而提升輕質金屬材料的性能成為當前研究的熱點。鎂合金作為密度最小的金屬結構材料，具有比強度和比剛度超高、電磁屏蔽性能良好、環(huán)保易回收等優(yōu)點，在航空航天、交通、通信和醫(yī)療等領域具有顯著的商業(yè)價值和廣泛的應用前景。但是，鎂合金具有密排六方結構，在室溫變形時沒有足夠的滑移系，其變形能力差且塑性低，因此應用受限。提高鎂合金的力學性能特別是塑性變形能力，有助于進一步擴大其應用范圍。
根據Hall-Petch理論，減小晶粒尺寸可以提高金屬材料的屈服強度。鈦是極具潛力的鎂合金晶粒細化劑，鈦與α-Mg具有較低的晶格錯配度，會使鎂合金凝固過程中產生較大的成分過冷，從而形成細小晶粒。相比于鈦，TiN的硬度更高，耐腐蝕性能和導電性能更加優(yōu)異，與α-Mg之間的晶格錯配度也較低，理論上也能作為α-Mg良好的異質形核核心，從而細化晶粒。然而，由于TiN的穩(wěn)定性較高，目前研究較多集中于TiN在硬質涂層方面的應用上，少有將TiN添加進鎂合金中的研究報道。作者以AZ61鎂合金為研究對象，將質量分數為0.5%的TiN添加到AZ61鎂合金中，研究了TiN對鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金物相組成、顯微組織和力學性能的影響，旨在發(fā)現一種新型晶粒細化劑，以提升AZ61鎂合金的力學性能，拓寬其應用范圍。
02研究亮點
1 試樣制備與試驗方法
本節(jié)重點：
1. 試驗材料：
使用工業(yè)純鎂、鋁、鋅、錳和TiN粉末（1μm）制備AZ61鎂合金，添加0.5% TiN。
2. 合金制備：
在混合氣體保護下熔煉，電磁攪拌后澆注成鑄態(tài)合金，經673K×24h固溶處理，再擠壓成板材（擠壓比17.4∶1）。
3. 對比試樣：
未添加TiN的鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金作為對照。
4. 分析設備與方法：
XRD：分析物相組成（20°~80°掃描）。
OM/SEM：觀察顯微組織與形貌，測定晶粒尺寸，EDS分析微區(qū)成分。EBSD：電解拋光后分析晶粒和織構。
5. 力學性能測試：
按ASTM標準進行室溫拉伸試驗（拉伸速度1mm/min），SEM觀察斷口形貌及元素分布。
不同試驗合金的 SEM 形貌
2 試驗結果與討論
本節(jié)重點：
1. TiN的作用：
TiN未與鎂合金中其他元素反應，僅作為獨立相存在。
TiN顯著細化鑄態(tài)AZ61晶粒（細化率62.9%），擠壓態(tài)晶粒進一步細化（37.1%），但細化效果低于鑄態(tài)。
TiN作為α-Mg的有效異質形核核心（晶格錯配度均<12%）。
2. 顯微組織變化：
鑄態(tài)添加TiN后，β-MgAl相由長棒狀變?yōu)轭w粒狀，晶界出現富鈦相（TiN）。
擠壓后β-MgAl相固溶，第二相主要為AlMn相；
TiN使第二相尺寸減小、分布更均勻。TiN抑制動態(tài)再結晶，導致擠壓態(tài)合金中出現不完全再結晶粗大晶粒。
3. 力學性能影響：
添加TiN后，鑄態(tài)和擠壓態(tài)合金的強度、塑性均下降（如擠壓態(tài)屈服強度降低28.3%）。
原因包括：TiN偏聚、孿晶產生（引發(fā)裂紋）、施密特因子降低（滑移系難啟動）、織構增強（織構強度從7.108升至18.659）。
4. 斷裂行為：
鑄態(tài)合金呈沿晶脆性斷裂，添加TiN后斷口出現孔洞和裂紋。
擠壓態(tài)AZ61為韌窩斷裂，塑性好；添加TiN后韌窩減少、裂紋增多，塑性惡化。
5. 其他發(fā)現：
TiN釘扎晶界和亞晶界，阻礙再結晶過程。
EBSD顯示TiN合金織構強度高，孿晶增多（因位錯塞積應力集中）。
不同試驗合金的拉伸斷口形貌
結論：TiN細化晶粒但惡化力學性能，主要歸因于TiN偏聚、織構強化及孿晶缺陷。
03研究結論
（1）添加TiN后鑄態(tài)和擠壓態(tài)AZ61鎂合金的晶界處出現TiN顆粒，TiN未與其他元素發(fā)生化學反應；TiN可以有效細化AZ61鎂合金的晶粒尺寸，其中鑄態(tài)合金的平均晶粒尺寸由243.2μm減小到90.2μm，擠壓態(tài)合金由8.1μm減小到5.1μm，擠壓態(tài)合金的晶粒細化率低于鑄態(tài)合金。添加TiN后，合金中第二相含量明顯增多，且第二相尺寸較小，分布均勻，在擠壓態(tài)組織中出現不完全動態(tài)再結晶晶粒。
（2）添加TiN后鑄態(tài)AZ61鎂合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低了38.3%，31.3%，30.0%，擠壓態(tài)AZ61鎂合金的抗拉強度、斷后伸長率、屈服強度分別降低了3.3%，3.7%，28.3%，添加TiN后合金拉伸性能的降低與晶界處硬度較高TiN相的偏聚、孿晶的產生、施密特因子的降低和織構的增強有關。
京公網安備11010802046783號
