0.   引言

镁合金因为比重小、阻尼减震性好、回收性佳等特点，在汽车等领域具有广阔的应用前景，如汽车车架、轮毂、座椅、发动机壳体等^[1]，因此也吸引了众多科研人员的研究兴趣。根据是否含有稀土元素，镁合金可以分为含稀土镁合金和不含稀土镁合金两大类。含稀土镁合金的主要特点：强度高、韧性好、蠕变抗力大、高温性能好、价格较为昂贵等。李海斌和郄彦辉^[2]研究了不同成分Mg-Ga-Hg-Ce-Y新型稀土合金汽车电池的铸造工艺。郝亮^[3]等研究了汽车用高强稀土镁合金Mg-12Gd-3Y-1Zn-0.5Ti的铸态性能。与含稀土镁合金相比，不含稀土镁合金具有明显的价格优势，但综合性能往往更差。孙宏图等^[4]研究了采用AZ61镁合金结构对某轿车车身前端进行轻量化的改进设计。陈锴等^[5]分析了AZ80镁合金汽车轮毂的挤压成形工艺，并进行了数值模拟分析。张淬^[6]采用试验方法进行了新能源汽车用AZ31B变形镁合金表面改性研究。向峻伯等^[7]研究和分析了汽车用MB15镁合金的表面改性与耐腐蚀性能。王耀耀等^[8]分析了挤压温度对汽车用AZ91镁合金组织以及力学性能产生的影响。林绍义^[9]研究了半固态流变成形AZ91D镁合金汽车零件的裂纹尖端特征。宋飞等^[10]研究了AM50-1.8%Ca镁合金汽车轮毂的挤压变形与性能。如何提高不含稀土镁合金的力学性能是一个亟待解决的重要技术课题。我们都知道合金化是改善合金性能的重要措施。金属钛是一种常用的合金元素，在改善金属材料内部组织、提高综合性能方面起着重要作用。郝孟军等^[11]研究了汽车轮毂用AZ80-0.5V-0.1Ti改性镁合金的锻造工艺。魏云和赵行^[12]对Mg-Al-Zn-Ti含钛镁合金新能源汽车型材的挤压工艺进行了优化研究。庄彦霞和李宁^[13]研究分析了钒钛改性汽车用新型镁合金Mg-8Al-0.6Zn-xV-0.5Ti(x=0，0.1，0.5，0.8)的组织与性能。但是，目前在不含稀土元素镁合金中添加合金元素钛的研究还有待进一步深入，以获得更具实用价值的镁合金。

Mg-8Al-1Zn镁合金具有较好的抗蠕变性能和耐腐蚀性能，是一种极具应用前景的镁合金，但其力学性能不够理想（抗拉强度约365 MPa）。为此，笔者研究了汽车车架用挤压态含钛镁合金Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0，0.05，0.15，0.3)的显微组织、织构和力学性能，为汽车车架用不含稀土的含钛镁合金商用开发提供理论支持和试验数据。

1.   试验材料和方法

采用中频感应炉熔炼制备的汽车车架用挤压态含钛镁合金Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0，0.05，0.15，0.3)圆棒形铸锭，尺寸φ400 mm×600 mm，合金的化学成分如表1所示。Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0，0.05，0.15，0.3)合金试样依次编号为：试样1^#、试样2^#、试样3^#、试样4^#。铸锭经过380 ℃×10 h均匀化处理后，在500 t挤压机上进行挤压，各试样均采用相同的挤压工艺：挤压温度350 ℃，挤压比20、模具预热温度250 ℃、挤压速度3 m/min。挤压试样的厚度为3 mm、宽度100 mm。

表  1  试验合金化学成分

Table  1.  Chemical compositions of the testing alloys %

编号	Al	Zn	Ti	Si	Fe	Mg
试样1#	8.021	0.995	0	0.010	0.004	Bal.
试样2#	8.022	0.994	0.051	0.011	0.004	Bal.
试样3#	8.024	0.996	0.148	0.011	0.005	Bal.
试样4#	8.025	0.997	0.301	0.012	0.005	Bal.

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采用线切割方法在试样中部位置切取方形金相试样，尺寸为10 mm×10 mm×3 mm。经过金相制样后在腐蚀液（腐蚀液由5 g苦味酸、5 mL冰醋酸、5 mL氢氟酸、10 mL去离子水和175 mL无水乙醇组成）中浸蚀15 s并立即在流动水下冲洗、吹干，然后在PG18型显微镜下进行显微组织分析。采用线切割方法在试样两端及中部位置分别切取拉伸试样（尺寸如图1所示），以3个不同切取位置拉伸试样测试值的算术平均值作为试样的力学性能测试值，在CMT5000型拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速度1 mm/min，并用JSM6510型扫描显微镜观察试样的拉伸断口形貌。

图  1  拉伸试样尺寸 (单位: mm)

Figure  1.  Dimensions of tensile specimen

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2.   试验结果及讨论

2.1   显微组织

不同钛含量的Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0，0.05，0.15，0.3)镁合金试样的显微组织如图2所示。表2是四种合金试样的平均晶粒尺寸。从图2和表2可以看出，不含钛Mg-8Al-1Zn合金试样（图2a，试样1^#）的内部晶粒最粗大，组织分布均匀性最差，合金的平均晶粒尺寸最大（~16.4 μm）。随钛含量的增加，合金平均晶粒尺寸先减小后增大，当钛含量为0.15%（图2c，试样3^#）时，合金晶粒细化效果最显著，平均晶粒尺寸最小（~9.2 μm），较不添加钛的Mg-8Al-1Zn合金减小7.2 μm。添加适量的合金元素钛后，合金的内部晶粒明显细化，组织分布更加均匀。当钛含量为0.05%（图2b，试样2^#）时，合金平均晶粒尺寸~14.6 μm），晶粒尺寸较不添加钛的Mg-8Al-1Zn合金有所减小，但减幅较小。当钛含量进一步增大到0.3%（图2d，试样4^#）时，合金内部晶粒非但没有进一步变细，反而有所增大，组织分布均匀性也变差，合金的平均晶粒尺寸有所增大（~11.4 μm）。由此可以看出，合金元素钛的添加显著细化了合金试样的内部晶粒，改善了合金试样的组织分布均匀性。但钛含量过高或过低，都难以获得优异的晶粒细化效果。

图  2  合金试样的显微组织

Figure  2.  Microstructures of the alloy samples

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表  2  试验合金的平均晶粒尺寸

Table  2.  Average grain size of the samples

编号	钛含量/%	平均晶粒尺寸/μm
试样1#	0	16.4
试样2#	0.05	14.6
试样3#	0.15	9.2
试样4#	0.3	11.4

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2.2   力学性能

不同钛含量的Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0，0.05，0.15，0.3)镁合金试样的室温力学性能测试结果如表3所示。从表3可以看出，与不含钛Mg-8Al-1Zn合金（试样1^#）相比，添加钛后合金试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均有增加，合金的力学性能得到改善。随钛含量的增加，合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均表现出先增大后减小的变化趋势，当钛含量为0.15%（试样3^#）时，合金抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均最大，分别为398 MPa、290 MPa、11.2%。与不含钛Mg-8Al-1Zn合金（试样1^#）相比，钛含量0.15%的Mg-8Al-1Zn-0.15Ti合金的抗拉强度由366 MPa增大到398 MPa，增加32 MPa；屈服强度从257 MPa增大到290 MPa，增加33 MPa；断后伸长率从7.4%增大到11.2%，增加3.8个百分点。当钛含量进一步增大到0.3%（图2d，试样4^#）时，合金力学性能非但没有进一步提高，反而有所下降。由此可以看出，合金元素钛的添加显著提高了合金试样的力学性能。钛含量对Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0，0.05，0.15，0.3)镁合金力学性能影响明显，钛含量不宜过低也不宜过高。

不同钛含量的Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0，0.05，0.15，0.3)镁合金试样的拉伸断口在扫描电子显微镜下的SEM照片如图3所示。从图3可以看出，不含钛Mg-8Al-1Zn合金试样（试样1^#，图3a）的拉伸断口中除了韧窝和撕裂棱外，还存在一部分解理台阶，表现为塑性断裂和脆性断裂共存的混合断裂特征；而含钛Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0.05，0.15，0.3)试样（试样2^#、3^#和4^#，图3b～d）的拉伸断口中未发现明显的解理台阶，仅有韧窝和撕裂棱，表现为较为明显的塑性断裂特征。此外，从图3还可以看出，钛含量0.15%的Mg-8Al-1Zn-0.15Ti合金（试样3^#，图3c）的拉伸断口中韧窝明显更细，表现出更好的拉伸性能。

表  3  试验合金力学性能测试结果

Table  3.  Test results of the mechanical properties of used alloys

编号	钛含量/%	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	断后伸长率/%
试样1#	0	366	257	7.4
试样2#	0.05	371	261	7.7
试样3#	0.15	398	290	11.2
试样4#	0.3	382	273	11.8

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图  3  合金试样拉伸断口SEM照片

Figure  3.  SEM images of the tensile fracture for used alloys

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2.3   讨论与分析

金属钛作为一种常用的合金化元素，适量的合金元素钛添加到Mg-8Al-1Zn镁合金中时，一方面，在合金凝固过程中钛可以在固液界面前沿富集，抑制合金中铝的扩散，减少离异共晶数量，改善合金内部组织，提高合金力学性能^[11]；另一方面，合金元素钛与合金中铝可以形成钛铝化合物TiAl₃，由于TiAl₃晶格常数（0.3848 nm）与金属铝很接近，可以起到促进铝形核的作用，促使镁合金中的含铝β相（Mg₁₇Al₁₂相）更加密集和连续，起到显著细化基体α-Mg晶粒的效果^[13]，从而提高了镁合金的力学性能。所以，与不含钛Mg-8Al-1Zn合金相比，含钛Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0.05,0.15,0.3)合金的晶粒明显细化、组织分布更均匀、力学性能得到提高。适量合金元素钛的添加，有助于改善镁合金的力学性能。

由试验可知，随钛含量的增加，Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0.05,0.15,0.3)合金的平均晶粒尺寸先减小后增大，抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均先增大后减小，合金力学性能先提高后下降。钛含量0.15%的Mg-8Al-1Zn-0.15Ti合金具有较佳的力学性能，拥有较好的工程应用价值和汽车车架冲压效果。与稀土镁合金相比，没有稀土元素的含钛镁合金成本下降约五分之一，极具成本优势。含钛镁合金有望在汽车车架上得到应用。但是对于工业化生产而言，汽车车架冲压工艺优化是一个较为复杂的重要工程技术问题，这也是课题后续研究的主要内容。

3.   结论

1）适量合金元素钛的添加，有助于细化Mg-8Al-1Zn镁合金的晶粒，改善合金力学性能。与不含钛Mg-8Al-1Zn合金相比，含钛Mg-8Al-1Zn-0.15Ti合金的平均晶粒尺寸减小7.2 μm、抗拉强度增加32 MPa、屈服强度增加33 MPa、断后伸长率增大3.8个百分点，拉伸断裂方式从混合断裂变为塑性断裂。

2）随钛含量增加，Mg-8Al-1Zn-xTi(x=0.05，0.15，0.3)合金的平均晶粒尺寸先减小后增大，抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均先增大后减小，合金力学性能先提高后下降。

3）350 ℃挤压时含钛Mg-8Al-1Zn-0.15Ti合金具有较好的内部显微组织和力学性能，平均晶粒尺寸9.2 μm、抗拉强度398 MPa、屈服强度290 MPa、断后伸长率11.2%，具有较好的工程应用价值。