本發(fā)明涉及材料表征領(lǐng)域，具體涉及一種固相再生AZ31B鎂合金的氧化相表征方法。

背景技術(shù)：

鎂合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能、低密度、高尺寸穩(wěn)定性和良好的機(jī)械加工性能等諸多性能優(yōu)點，在航空航天、車輛等領(lǐng)域顯示巨大應(yīng)用潛力。然而，在鎂合金機(jī)械加工過程中將有大量鎂合金廢屑產(chǎn)生。隨著鎂合金應(yīng)用不斷拓展，鎂合金廢屑回收問題吸引越來越多的注意。

對鎂合金廢屑的再生，一項先進(jìn)固相再生方法于1995年在日本開展研究。固相再生法無需將廢料重熔，直接通過熱擠壓由屑或邊角料制成高性能的型材。與傳統(tǒng)重熔精煉法相比，固相再生方法具有很大優(yōu)點，可以減少重熔過程中的氧化損失和能耗，且可避免重熔過程加入覆蓋劑和精煉劑產(chǎn)生有害氣體引起的環(huán)境污染。固相再生法加工的AZ80合金，ZK60合金和Mg-Zn-Y-Zr合金顯示高的強(qiáng)度和塑性。Yasumasa等人還開展了Mg-Al-Ca合金的固相再生工藝研究，再生合金不僅具有高的室溫拉伸性能，且在573K和673K溫度下表現(xiàn)出原材料不具有的超塑性。研究者顯示了鎂合金固相再生的可行性。

由于鎂和氧之間極高的化學(xué)親和力，將鎂合金置于空氣中，它的表面就會自然地形成一層很薄的氧化膜。在機(jī)械加工及隨后放置過程中，鎂合金屑表面會形成一定厚度的氧化膜，因此由屑固相再生的鎂合金材料中一定含有一定量的氧化鎂，氧化相的存在不可避免地影響固相再生鎂合金的組織及力學(xué)性能。氧化相及界面的研究一直是固相再生鎂合金研究領(lǐng)域的一個難題。

在前面工作中，通過采用超薄屑，借助高分辨透射電子顯微鏡對固相再生鎂合金中氧化相的微觀形貌及其與鎂合金基體間界面結(jié)構(gòu)已進(jìn)行成功研究。但是，對于固相再生鎂合金中氧化相的宏觀分布沒有研究報道。在光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡下觀察固相再生鎂合金組織時，由于樣品中氧化相較少且氧化相尺寸較小，氧化相難于觀察到。即在宏觀上對固相再生鎂合金中氧化相的表征存在困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種固相再生AZ31B鎂合金的氧化相表征方法，通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡成功觀察到了氧化相。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

固相再生AZ31B鎂合金的氧化相表征方法，包括如下步驟：

S1、將AZ31B鎂合金鑄態(tài)坯料車削成尺寸為(0.01-0.02)mm×(1.48-1.52)mm×(10-200)mm的超薄屑；

S2、將所得的超薄屑置于箱式電阻爐中進(jìn)行氧化處理，在空氣氣氛下將超薄屑緩慢加熱到673K并保溫2h；

S3、將完成氧化處理的超薄屑裝入直徑為40mm模具中，采用單向壓力法冷壓成坯錠，冷壓成坯錠的工藝參數(shù)為：壓力保持350MPa，保壓時間為60s；

S4、將裝有坯料的模具放入加熱爐中加熱到673K，保溫20min，然后以0.2mm s^-1的擠壓速率進(jìn)行擠壓，加工成棒材；

S5、在OLYMPUS-GX71-6230A型光學(xué)顯微鏡(OM)及JEOL JSM6360-LV掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行顯微組織觀察；元素分布由EDAX GENESIS FALCON 60S能譜儀分析。

優(yōu)選地，組織觀察所用腐蝕劑為：2.5g苦味酸、2.5ml冰乙酸、5ml蒸餾水與25ml無水乙醇配制成的混合溶液

優(yōu)選地，擠壓溫度為400℃，擠壓比為11.1∶1、25∶1、44.4∶1或100∶1中的一種。

本發(fā)明具有以下有益效果：

采用超薄的AZ31B鎂合金屑，以增加再生合金中氧化相的數(shù)量，并對超薄的鎂合金屑進(jìn)行氧化處理，以增大氧化相的尺寸。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡成功觀察到了氧化相。在固相再生鎂合金中，氧化相由于在擠壓過程中破碎呈不連續(xù)形態(tài)。破碎的氧化相沿線狀排列，并大體上平行于擠壓方向。

附圖說明

圖1為由超薄AZ31B鎂合金屑固相再生所得材料的光學(xué)顯微組織；

圖中，(a)為橫向組織；(b)為縱向組織。

圖2為氧化處理的超薄屑固相再生AZ31B鎂合金的光學(xué)顯微組織；

圖中，(a)為橫向組織；(b)為縱向組織。

圖3為氧化處理的超薄屑固相再生AZ31B鎂合金的掃描電鏡組織及氧元素分布；(擠壓比為11.1∶1)

圖中，(a)為橫向組織；(b)為縱向組織；(c)為0元素分布。

圖4為不同擠壓比下氧化處理AZ31B鎂合金屑固相再生材料的組織；

圖中，(a)為25∶1；(b)為44.4∶1；(c)為100∶1。

圖5為不同擠壓比固相再生AZ31B鎂合金的力學(xué)性能；

圖中，(a)為抗拉強(qiáng)度；(b)為延伸率。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本實施例所選用的試驗材料為AZ31B變形鎂合金，成分見表1。利用車床將鎂合金鑄態(tài)坯料車削成一定尺寸的屑，在本具體實施中，為研究固相再生鎂合金中氧化相的形態(tài)分布，特將AZ31B鎂合金鑄態(tài)坯料車削成尺寸超薄的屑， 其尺寸為：(0.01～0.02)mm×(1.48～1.52)mm×(10～200)mm，以增加再生鎂合金中氧化相數(shù)量，便于觀察分析。，。此外，為獲得屑表面更厚的氧化層，即固相再生鎂合金中尺寸更大的氧化相，對超薄屑進(jìn)行氧化處理，以研究再生鎂合金中氧化相的宏觀分布特征。超薄屑的氧化處理在箱式電阻爐中進(jìn)行，在空氣氣氛下將屑緩慢加熱到673K并保溫2h。鎂合金屑氧化處理時，需嚴(yán)格控制加熱溫度和時間，防止鎂屑燃燒。為區(qū)別經(jīng)過氧化處理的鎂合金屑，將未經(jīng)氧化處理的超薄鎂合金屑稱為原始屑。

表1 AZ31B鎂合金的化學(xué)成分

將車削的鎂合金屑裝入直徑為40mm模具中，采用單向壓力法冷壓成坯錠，冷壓成坯錠的工藝參數(shù)為：壓力保持350MPa，保壓時間為60s。將裝有坯料的模具放入加熱爐中加熱到673K，保溫20min，然后以0.2mm s^-1的擠壓速率進(jìn)行擠壓，分別采用四種擠壓比11.1∶1，25∶1，44.4∶1和100∶1。

為對比研究由原始屑和氧化處理屑固相再生鎂合金的組織及力學(xué)性能，將原始屑及氧化處理屑在完全相同固相再生工藝下加工成棒材。

在OLYMPUS-GX71-6230A型光學(xué)顯微鏡(OM)及JEOL JSM6360-LV掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行顯微組織觀察。元素分布由EDAX GENESIS FALCON 60S能譜儀分析。組織觀察所用腐蝕劑為：2.5g苦味酸、2.5ml冰乙酸、5ml蒸餾水與25ml無水乙醇配制成的混合溶液。

測試了由原始屑及氧化處理屑固相再生鎂合金的拉伸性能，擠壓比分別為11.1∶1，25∶1，44.4∶1。室溫拉伸試驗在WDW-10型電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。初始應(yīng)變速率為2.5×10^-3s^-1，拉伸軸平行于擠壓方向。對擠壓比為100∶1的再生合金，由于其直徑過小(4mm)，沒有進(jìn)行拉伸試驗。

超薄的AZ31B鎂合金屑在空氣中于400℃氧化2小時后，可見屑表面呈灰 黑色，屑表面發(fā)生了嚴(yán)重的氧化，產(chǎn)生了一層厚厚的氧化鎂層。鎂合金屑表面自然氧化產(chǎn)生的氧化膜非常疏松，不能阻止高溫下鎂合金基體的進(jìn)一步氧化，通過屑的氧化處理可得到屑表面厚的氧化層。

圖1為由超薄AZ31B鎂合金屑固相再生所得材料的光學(xué)顯微組織，其擠壓溫度為400℃，擠壓比為11.1∶1。圖1(a)所示的橫向組織中看不到氧化相，由圖1(b)所示的縱向組織中可看到沿著擠壓方向的變形流線特征，但固相再生鎂合金中存在的氧化相的形態(tài)及分布信息也無法觀察到。這是因為盡管鎂合金極易氧化，但在室溫下自然氧化形成的氧化膜極薄，再生合金中氧化相尺寸太小而不易觀察到。

將400℃氧化2小時的超薄AZ31B鎂合金屑進(jìn)行固相再生，所得再生鎂合金的光學(xué)顯微組織如圖2所示，擠壓比為11.1∶1。與原始屑再生材料的組織明顯不同，在經(jīng)氧化處理的屑再生的鎂合金橫向組織與縱向組織中，均可看到黑色顆粒構(gòu)成不連續(xù)線狀，且按一定規(guī)律排布在鎂合金基體中。在橫向組織中，顆粒排成的線間大致平行，局部區(qū)域略呈彎曲。在縱向組織中，不連續(xù)顆粒排成的線間仍大致相互平行，且基本平行于擠壓方向。由原始屑及氧化處理屑固相再生的兩種合金，除鎂合金屑的氧化程度不同，沒有其它差別，因此經(jīng)氧化處理的屑與原始屑再生合金組織的不同應(yīng)與屑表面氧化膜有關(guān)。

經(jīng)氧化處理的超薄鎂合金屑固相再生的材料，在掃描電鏡下觀察到與光學(xué)組織相同的分布特征，如圖3(a)和圖3(b)。圖3(c)為EDS表征的再生鎂合金縱向組織即圖3(b)對應(yīng)的氧元素面分布結(jié)果?？煽闯鼋M織中由顆粒構(gòu)成的且平行于擠壓方向的不連續(xù)線正好對應(yīng)于氧元素高含量部分。而且由圖2(b)和圖3(b)中可看出，大致平行的線間距離約為10～20μm，與所用再生原料超薄鎂合金屑的厚度一致，說明再生鎂合金組織中排成不連續(xù)線狀的顆粒即為屑表面引入的氧化相。并且表明鎂合金屑表面氧化膜在擠壓過程中被破碎，破碎后的規(guī)則及不規(guī)則氧化相顆?；狙卦瓉淼男急砻嫫叫杏跀D壓方向分布，而沒有被打亂重新彌散分布于鎂合金基體中。

經(jīng)氧化處理的屑在擠壓比為25∶1、44.4∶1和100∶1的條件下所得的固相再生AZ31B鎂合金的組織見圖4，觀察表面平行于擠壓方向?？煽闯鰯D壓比為25∶1、44.4∶1和100∶1的再生鎂合金中氧化相也大體沿平行于擠壓方向分布，與擠壓比為11.1∶1的材料相同，表明增大擠壓比可影響動態(tài)再結(jié)晶組織，但沒有改變再生材料中氧化相分布狀態(tài)。圖中氧化相間距的不同是由于車削的鎂合金屑的厚度不均勻所致。

固相再生鎂合金中，氧化相主要由屑表面引入，因此再生合金中氧化相的數(shù)量決定于屑的總表面積。屑的總表面積直接與屑尺寸有關(guān)。按照計算結(jié)果，再生合金中總的屑表面積與氧化相的量隨屑厚度的減小而增加。本具體實施中采用超薄的鎂合金屑，以增加再生合金中氧化相的數(shù)量。并對屑進(jìn)行氧化處理，獲得屑表面厚的氧化層，更多更大的氧化相存在于固相再生鎂合金中，因此再生合金組織中氧化相可清晰觀察到。

研究結(jié)果也表明盡管熱擠壓過程使屑表面氧化層破碎，但在常規(guī)擠壓比下通過單一熱擠壓工藝不能獲得氧化相顆粒的均勻彌散分布。應(yīng)指出，通常機(jī)加屑再生合金中不會存在如此多和大的氧化相，然而，此研究可揭示由機(jī)加屑固相再生鎂合金中氧化相的宏觀分布特征。

固相再生鎂合金中，氧化相顆粒在沿擠壓方向上的分布有流線組織特征，并具有沿擠壓方向準(zhǔn)一維分布的特征，這是擠壓過程中鎂合金基體產(chǎn)生大塑性變形和氧化相顆粒為適應(yīng)基體金屬的塑性流動而發(fā)生轉(zhuǎn)動的必然結(jié)果。與其它擠壓態(tài)合金相同，第二相經(jīng)擠壓后沿擠壓方向呈明顯的帶狀組織特征。這是由于在高溫擠壓時，基體金屬在塑性變形區(qū)受到強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用，其中徑向壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向壓應(yīng)力，致使基體金屬在擠壓方向上大大伸長而在垂直于擠壓方向被壓扁。由于基體金屬發(fā)生了較大程度的塑性變形，第二相顆粒的相對位置也隨之發(fā)生了較明顯的改變。對基體材料塑性變形阻礙較小的等軸顆粒，會隨同基體金屬作相應(yīng)的塑性流動；而那些長徑比較大且排列方向與基體材料滑移方向不一致的第二相顆粒，由于嚴(yán)重阻礙基體材料滑移，會 受到通過滑移而塞積于顆粒與基體間界面近旁的大量位錯所引起的垂直于第二相顆粒長軸方向的剪切力作用，朝利于基體金屬塑性變形的方向偏轉(zhuǎn)，形成定向、有序排列的特征。

由于超薄的鎂合金屑在進(jìn)行預(yù)氧化處理過程中，屑表面氧化程度不均勻，表面氧化膜厚度存在差別，因此，擠壓比對固相再生鎂合金中氧化相的破碎程度及氧化相的形態(tài)大小的影響無法得到進(jìn)一步研究。

在不同擠壓比下，原始屑與400℃氧化2小時的屑固相再生所得鎂合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別見圖5(a)及圖5(b)。由圖可看出，在擠壓比為11.1∶1、25∶1和44.4∶1條件下，經(jīng)氧化處理的屑固相再生所得鎂合金的抗拉強(qiáng)度及延伸率均低于原始屑再生材料，表明屑的嚴(yán)重氧化降低了再生鎂合金的力學(xué)性能，但降低幅度并不大。例如擠壓比為44.4∶1時，屑的氧化處理使再生鎂合金的抗拉強(qiáng)度由原始的320.0MPa下降到313.5MPa，延伸率由11.15％下降到8.16％。

MgO作為固相再生鎂合金中的第二相顆粒，本身具有比鎂合金基體高的強(qiáng)度和硬度。在拉伸變形過程中，MgO顆粒的存在很大程度上改變了基體的流變應(yīng)力狀態(tài)，也即顆粒的存在大大限制了基體的變形，使得裂紋易于在顆粒附近的基體中萌生并迅速沿位錯高密區(qū)擴(kuò)展，不能發(fā)揮基體的塑性作用；同時脆性顆粒本身的斷裂應(yīng)變很小，在材料應(yīng)力狀態(tài)較低的情況下，顆粒本身也可能發(fā)生斷裂形成裂紋源，因此MgO的存在會導(dǎo)致再生合金的拉伸性能尤其是塑性降低。在常規(guī)尺寸屑再生合金中，氧化相顆粒很小，數(shù)量也很少，MgO對再生合金力學(xué)性能影響不大。在本具體實施中，由尺寸超薄并進(jìn)行氧化處理的屑固相再生的合金中，存在數(shù)量多且尺寸較大的氧化相，而微裂紋更容易在大塊氧化相附近區(qū)域形成并優(yōu)先擴(kuò)展，致使其降低合金塑性的作用增大。

屑經(jīng)嚴(yán)重的氧化處理，再生鎂合金的力學(xué)性能下降，但其力學(xué)性能仍然是較好的。如前所述，固相再生鎂合金中原來屑表面的氧化相破碎后平行于擠壓方向分布，在與擠壓方向垂直的平面內(nèi)，氧化相與基體的界面是少的，因此氧 化相的存在沒有顯著降低再生鎂合金沿著擠壓方向的力學(xué)性能。鎂合金屑經(jīng)400℃氧化2小時后，表面氧化程度已極其嚴(yán)重，固相再生鎂合金仍表現(xiàn)出沿擠壓方向較好的力學(xué)性能，是由再生鎂合金中氧化相的分布特征決定的，這一研究結(jié)果進(jìn)一步證實了鎂合金固相再生的可行性。

結(jié)論

通過采用厚度為10～20μm的超薄AZ31B鎂合金屑，以及通過對屑的預(yù)氧化處理，獲得再生鎂合金中更多更大的氧化相，從而成功表征了固相再生鎂合金中氧化相的宏觀分布。屑表面氧化相在擠壓過程中破碎后，呈大致相互平行的不連續(xù)線狀分布于固相再生鎂合金中，且在縱向組織中，不連續(xù)的氧化相基本平行于擠壓方向。在所研究的擠壓比范圍內(nèi)(11.1∶1至100∶1)，增大擠壓比，再生合金中氧化相的分布狀態(tài)沒有改變。

屑的氧化降低了固相再生鎂合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率，但拉伸性能尤其是抗拉強(qiáng)度的降低幅度不大。屑經(jīng)嚴(yán)重氧化，再生合金仍具有沿擠壓方向優(yōu)良的力學(xué)性能，這是由再生合金中氧化相的分布特征決定的。本具體實施結(jié)果進(jìn)一步證實鎂合金固相再生的可行性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。