Sr對(duì)ZA104顯微組織和力學(xué)性能的影響.pdf

1、隨著科技的日益進(jìn)步，工程結(jié)構(gòu)材料在商業(yè)中起到越來(lái)越重要的作用，大部分工程結(jié)構(gòu)材料是金屬，而鎂合金時(shí)其中質(zhì)量最輕的一種，因其具有比重輕、比剛度和比強(qiáng)度高、液態(tài)成型性能優(yōu)越、易于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和電子等領(lǐng)域.目前在這些領(lǐng)域中應(yīng)用的鎂合金大都屬于Mg-Al、Mg-Mn系合金，如AM60和AZ91等，但是這類合金一般只能在常溫下服役，當(dāng)溫度超過(guò)120℃后，合金的強(qiáng)度和抗蠕變性能就會(huì)大幅度下降。
　　ZA系合金(Mg

2、-Zn-Al)成本低，鑄造和耐熱性能優(yōu)良，可以有效的在高溫環(huán)境下服役，有著很好的應(yīng)用前景，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視，并開(kāi)展了大量的研究。已有研究結(jié)果表明，當(dāng)Zn含量在8％-12％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），Al含量在4％左右時(shí)，合金具有良好的常溫與高溫性能，但其韌性較差，伸長(zhǎng)率低。通過(guò)在鎂合金中加入高含量的Zn來(lái)提高其綜合性能，成為當(dāng)前新型高強(qiáng)度鎂合金研究的重點(diǎn)方向。目前主要通過(guò)微合金化和熱處理來(lái)提高ZA系鎂合金的綜合力學(xué)性能。研究表明，通過(guò)

3、添加微量Sr可形成高熔點(diǎn)的硬質(zhì)相，以此來(lái)改善ZA系鎂合金中相的數(shù)量，分布以及形態(tài)，可以有效提高ZA系鎂合金的綜合力學(xué)性能。本文在此基礎(chǔ)上，以ZA104(Mg-10Zn-4Al-0.3 Mn)為基體合金，單獨(dú)加入堿土元素Sr，系統(tǒng)研究了Sr對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。
　　本文通過(guò)光學(xué)顯微鏡(OM)，掃描電鏡(SEM)，X射線衍射儀(XRD)，DSC差熱分析儀和電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)等實(shí)驗(yàn)手段，研究了Sr對(duì)ZA104鎂合金中析出相形態(tài)的

4、影響，并分析、探討Sr改善鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的機(jī)理;同時(shí)研究了不同的Zn/Al比對(duì)高鋅鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:
　　(1)不同Zn/Al比的ZA系合金鑄態(tài)組織成份均為α-Mg基體相與Q-Mg32(Al，Zn)49第二相，凝固過(guò)程中析出的第二相沿α-Mg晶界呈斷續(xù)網(wǎng)狀或不規(guī)則塊狀分布，且隨著Zn含量增加，中間相的數(shù)量也隨之增多。當(dāng)Zn/Al比為2.0時(shí)，ZA84合金的顯微組織較為細(xì)小，晶界相連成斷續(xù)網(wǎng)狀，

5、凝固析出的第二相以不規(guī)則網(wǎng)狀和孤島狀分布在晶界上。當(dāng)Zn/Al比為2.5時(shí)，ZA104合金顯微變的粗大，沿晶界分布的第二相也變的連續(xù)與密集起來(lái)。當(dāng)Zn/Al比達(dá)到3.0時(shí)，ZA124合金顯微組織與ZA104合金的顯微組織相當(dāng)，沒(méi)有特別明顯的變化，只是有些許增粗的趨勢(shì)。當(dāng)加入Sr后，在XRD圖譜中，有新的衍射峰出現(xiàn)，說(shuō)明有新相τ-Mg32(Al，Zn)49相與ε-Mg51Zn20相產(chǎn)生，結(jié)合EDS能譜分析，Sr加入到鎂合金后，Mg-10Z

6、n-4Al-0.3Mn基體合金中的準(zhǔn)晶相Q一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庀唳酉?與Q相成分相似，均為Mg32(Al，Zn)49，但含有少量Sr)，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣畔?Mg51Zn20)。一定量Sr的加入對(duì)Mg-10Zn-4Al-0.3Mn合金的顯微組織有明顯影響。基體合金的鑄態(tài)組織由α-Mg基體和沿晶界呈不連續(xù)網(wǎng)狀和塊狀分布的第二相組成，鑄態(tài)組織較為粗大。加入Sr后，合金的顯微組織發(fā)生了顯著變化，沿晶界分布的第二相相對(duì)增多，加入0.3％Sr時(shí)，合金組織

7、中α-Mg晶粒尺寸較基體合金明顯細(xì)小，以斷續(xù)網(wǎng)狀分布的第二相網(wǎng)格變小，發(fā)生斷裂細(xì)化，或斷裂成孤島狀的強(qiáng)化相。
　　(2)隨著Zn/Al比的增加，布氏硬度呈逐步上升的趨勢(shì)。當(dāng)Zn含量為12％時(shí)，布氏硬度達(dá)到最大值，為72.6HB。隨著Zn含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度σb和斷后延伸率δ都呈下降的趨勢(shì)，分別由172MPa、7.0％下降到160MPa、5.5％，下降幅度分別為6.9％和2.1％，而合金的屈服強(qiáng)度σ0.2則呈逐步遞增的趨勢(shì)，在

8、Zn含量為12％達(dá)到最大值，為143MPa。隨著Sr含量的增加，合金的屈服強(qiáng)度σ0.2、抗拉輕度σb和斷后延伸率δ都呈先上升后下降的趨勢(shì)。即當(dāng)Sr含量為0.3％時(shí)，三項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最大值，特別是抗拉強(qiáng)度，相比基體合金，增長(zhǎng)了19.6％，達(dá)到了最大值195Mpa，而隨著Sr含量的增加，三者都呈下降趨勢(shì)，當(dāng)Sr含量達(dá)到0.9％時(shí)，三者又回到與基體合金的相當(dāng)?shù)乃?。合金的力學(xué)性能與合金晶粒的大小密切相關(guān)，Sr含量為0.3％時(shí)，合金晶粒尺寸最小，而

9、此時(shí)合金的力學(xué)性能也達(dá)到最佳。
　　(3)從不同Zn/Al比條件下合金的常溫拉伸斷口形貌圖可以得知，ZA84，ZA104，ZA124這3種實(shí)驗(yàn)合金的斷裂機(jī)理相似，均為解理斷裂，屬于脆性斷裂。ZA104基體合金斷裂模式為解理斷裂，屬于脆性斷裂的范疇。含0.3％Sr的ZA104合金的斷裂模式為沿晶斷裂與解理斷裂的混合。0.6％ Sr、0.9％Sr的ZA104合金的斷裂模式與基體合金相似，均為解理斷裂。
　　(4) Sr含量對(duì)合金

10、平均晶粒尺寸的影響較大，不含Sr的ZA104基體合金晶粒粗大，平均晶粒直徑達(dá)到63μm。當(dāng)Sr含量為0.3％時(shí)，α-Mg晶粒尺寸降至約37μm，降幅約為42％。當(dāng)Sr含量增至0.6％和0.9％時(shí)，平均晶粒直徑恢復(fù)到與基體合金差不多的水平。
　　(5) ZA系合金中分布在晶界上的第二相具有較高的硬度和脆性[12]，加入0.3％ Sr后，準(zhǔn)晶相Q轉(zhuǎn)變?yōu)棣酉嗯cε相，從而降低了準(zhǔn)晶對(duì)合金性能的影響，且由于Sr的細(xì)化能力，合金晶粒細(xì)化，沿合