Mg-Zn-Al-X合金的組織、性能及其蠕變行為研究.pdf

1、基于Mg-Zn系開發(fā)低成本、綜合性能優(yōu)良的鎂合金材料應(yīng)用于汽車甚至航空航天用耐熱結(jié)構(gòu)件中(使用溫度＜200℃),可以克服稀土鎂合金高成本的局限性,對于拓寬鎂合金的應(yīng)用具有重要意義。本文以Mg-6Zn(mass％)合金為基體,在優(yōu)化Al含量的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地研究了Sn低合金化和Sn/Ca復(fù)合合金化對Mg-6Zn-2Al鑄態(tài)組織與性能的影響規(guī)律,考察了鑄態(tài)合金的固溶時效特性和性能特征,探索了Sn/Ca合金化鎂合金的加工成形性能、析出相特征和力

2、學(xué)性能特點,并探討了鑄態(tài)含Sn合金的蠕變特性和Sn的作用機理。本文的目的在于探索一類Sn和Ca復(fù)合強化的耐熱鎂合金材料,為低成本高性能鎂合金的研制提供詳細(xì)的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 (1)研究了Al含量(2,4和6mass％)對Mg-6Zn鑄態(tài)合金組織與性能的影響,得出Mg-6Zn-2Al合金綜合力學(xué)性能優(yōu)良,耐腐蝕性能優(yōu)于鑄態(tài)AZ91和ZA85合金,且在150℃和200℃長時間熱暴露過程中表現(xiàn)出較高的

3、組織穩(wěn)定性,是三元合金中一個較佳的成分配比。
　　 (2)系統(tǒng)地研究了Sn含量(0.5,1,2和3mass％)對Mg-6Zn-2Al鑄態(tài)合金組織與性能的影響。結(jié)果表明,鑄態(tài)含Sn合金主要由α-Mg、MgZn和Mg2Sn相組成,其中Mg2Sn相以從液相直接結(jié)晶出的粗大顆粒和固態(tài)析出的短棒狀顆粒存在。Sn具有細(xì)化合金中MgZn離異共晶化合物和抑制其生成的作用。上述合金在150℃長時間熱暴露過程中組織穩(wěn)定性良好,而在200℃熱暴露后期

4、因Mg2Sn顆粒的聚集長大而硬度有所下降。加入Sn可以降低合金基體的自腐蝕電位、抑制腐蝕反應(yīng)陰極過程和促進(jìn)陽極過程,對耐蝕性影響不顯著。
　　 加入Sn到Mg-6Zn-2Al合金中可以顯著提高室溫和高溫強度并改善抗壓縮蠕變性能。室溫下,其屈服強度隨著Sn含量的增加而明顯提高,0.5mass％Sn時抗拉強度和伸長率最高;150℃下,0.5mass％Sn時抗拉強度和屈服強度最高。鑄態(tài)含Sn合金室溫和高溫斷裂方式為混合型斷裂。隨著Sn

5、含量增加,其室溫斷裂傾向于解理斷裂,高溫斷裂傾向于準(zhǔn)解理斷裂。含Sn合金的穩(wěn)態(tài)壓縮蠕變速率(175℃/50MPa)比基體低10％～30％不等,而3mass％Sn合金的穩(wěn)態(tài)壓縮蠕變速率(190℃/50MPa)則低56％。
　　 (3)系統(tǒng)地研究了少量Ca(0.2mass％)對Mg-6Zn-2Al-3Sn鑄態(tài)合金組織與性能的影響。結(jié)果表明,少量Ca可以提高其在200℃長時間熱暴露過程中的組織穩(wěn)定性,改善耐蝕性,提高室溫、高溫強度和抗

6、壓縮蠕變性能。加Ca合金的穩(wěn)態(tài)壓縮蠕變速率(160～190℃/50～70MPa)比不加Ca的低7％～18％不等且耐蝕性優(yōu)于鑄態(tài)AZ91合金,是多元合金成分設(shè)計的依據(jù)。
　　 (4)系統(tǒng)地研究了鑄態(tài)合金的固溶時效特性與組織性能特征。結(jié)果表明,加入Sn和Sn/Ca導(dǎo)致合金中MgZn共晶化合物在345℃保溫28h后固溶不完全;Sn可以抑制GP區(qū)的形成與溶解,Ca則促進(jìn)GP區(qū)的形成與溶解和β1'相的析出。時效處理可以提高鑄態(tài)含Sn合金的

7、室溫和高溫屈服強度,增加穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力敏感性,而對抗蠕變性能的影響不一致。高Sn合會的室溫、高溫屈服強度和抗壓縮蠕變性能優(yōu)于低Sn合金。
　　 時效態(tài)含Sn合金中析出相以長棒狀β1'相和短棒狀Mg2Sn相為主,存在Mg2Sn顆粒聚集和多數(shù)Mg2Sn相依附β1'相形核與長大的現(xiàn)象;加Ca合金中還存在若干塊狀的β1'相。Ca改變了時效態(tài)Mg-6Zn-2Al-3Sn合金中β1'相的形貌、降低了長棒狀β1'相的縱橫比并抑制了Mg2S

8、n相的聚集,從而提高室溫、高溫屈服強度并改善抗壓縮蠕變性能且不影響塑性。
　　 (5)系統(tǒng)地研究了Sn/Ca合金化鎂合金的加工成形性能、析出相特征和力學(xué)性能特點。研究表明,Mg-6Zn-2Al-3Sn-0.2Ca合金經(jīng)擠壓(330℃擠壓、擠壓比25:1)加工后具有細(xì)小的等軸晶組織,各向異性程度低,綜合力學(xué)性能優(yōu)良(抗拉強度387MPa,伸長率9％)。變形過程中,Mg2Sn質(zhì)點是動態(tài)再結(jié)晶形核的擇優(yōu)位置;按T5處理時基體中析出大量

9、的納米相(β1'相和:Mg2Sn相);T6態(tài)合金中也存在大量的納米相。T5態(tài)合金中長棒狀β1'相析出密度高且細(xì)小,導(dǎo)致其強度和伸長率高于T6態(tài)。
　　 擠壓態(tài)和熱處理態(tài)合金的抗蠕變性能低于鑄態(tài)。然而,擠壓合金的室溫拉伸性能與商業(yè)用變形鎂合金相當(dāng),抗蠕變性能顯著改善,其穩(wěn)態(tài)蠕變速率(175℃/50～70MPa)在10-7s-1數(shù)量級,比文獻(xiàn)報道的性能優(yōu)良的Mg-2at.％Sn-1at.％Zn-0.1at.％Mn和Mg-4Al-2S

10、r.0.3Mn擠壓合金的數(shù)據(jù)還低。這一結(jié)論為不含稀土的變形鎂合金抗蠕變性能的改善提供了可能性。
　　 (6)探討了鑄態(tài)含Sn合金的蠕變特性和Sn的作用機理。研究表明,加入3mass％Sn到Mg-6Zn-2Al鑄態(tài)合金中可以顯著提高抗拉伸蠕變性能且在高溫、高應(yīng)力下的效果更顯著,其作用機制是降低鎂的自擴散系數(shù)、細(xì)化MgZn離異共晶化合物和引入Mg2Sn相質(zhì)點。添加Sn導(dǎo)致合金基體的蠕變激活能提高,蠕變應(yīng)力指數(shù)下降。前者可歸因于Sn具