Sn和Ce對(duì)Mg-Zn-Mn高強(qiáng)變形鎂合金組織和性能的影響.pdf

1、本文以開發(fā)高性能變形鎂合金為研究背景，為了提高 Mg-Zn-Mn系高鋅變形鎂合金的強(qiáng)韌性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，在已有研究成果和存在問題的基礎(chǔ)上，從組織和性能的控制上著手，作者采用合金化改性的方法在 Mg-Zn-Mn合金中單獨(dú)添加Sn和Ce。首先全面研究了Mg-Zn-Mn-Sn合金的熱變形行為、時(shí)效行為、顯微組織及力學(xué)性能，表征了各種時(shí)效析出相的形態(tài)和晶體學(xué)特征，并揭示了時(shí)效過程中組織的演變進(jìn)程；然后系統(tǒng)研究了Ce含量及熱處理對(duì)Mg-Zn-M

2、n合金組織和力學(xué)性能的影響，確定了稀土相特性和種類；最后探討了Mg-Zn-Mn-Sn和Mg-Zn-Mn-Ce系合金中Mn元素的作用。
　　鑄態(tài)Mg-Zn-Mn合金添加Sn后，其鑄態(tài)組織由(α-Mg+Mn+Mg7Zn3)組成變?yōu)橛?α-Mg+Mn+Mg7Zn3+Mg2Sn)組成，Mg2Sn相作為共晶相分布于晶界，此外Sn的添加對(duì)鑄態(tài)組織有一定的細(xì)化作用。均勻化處理(330℃/12h+420℃/2h)對(duì)Mg-Zn-Mn-Sn合金中的M

3、g7Zn3共晶相的均勻化溶解很有效，但是對(duì)于Mg2Sn共晶化合物的溶解幾乎沒有作用。Sn添加后，擠壓態(tài)組織由均勻的再結(jié)晶晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榛炀ЫM織，并且Sn能明顯細(xì)化擠壓態(tài)晶粒，因此隨著Sn含量增加，擠壓態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度ζb和屈服強(qiáng)度ζ0.2增加，當(dāng)Sn添加量達(dá)到6％以后，ζb和ζ0.2才開始略有下降，同時(shí)延伸率呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，其中當(dāng)添加1%Sn后，延伸率最優(yōu)(13.19%)。
　　合金元素Sn的添加對(duì)時(shí)效態(tài)合金的力學(xué)性能有明顯影響。

4、隨著Sn含量的增加，ζb和ζ0.2總體呈拋物線式增加，δ逐漸降低，其中當(dāng)Zn含量為6%時(shí)，“固溶+雙級(jí)時(shí)效態(tài)”Mg-6Zn-1Mn-4Sn(ZMT614)合金具有最佳的力學(xué)性能，即ζb、ζ0.2和δ分別為390MPa、378MPa和4.16%；當(dāng) Zn含量為8%，“固溶+雙級(jí)時(shí)效態(tài)”Mg-8Zn-1Mn-4Sn(ZMT814)合金具有最佳的力學(xué)性能，ζb、ζ0.2和δ分別為416MPa、393MPa和4.1%。通過組織觀察可知Mg-Zn

5、-Mn-Sn合金在時(shí)效過程中主要析出三種析出相：β'1(MgZn2)桿狀相、β'2(MgZn2)盤狀相和不規(guī)則形狀的Mg2Sn相，因此析出強(qiáng)化是時(shí)效態(tài)合金的主要強(qiáng)化方式。此外，相比單級(jí)時(shí)效，雙級(jí)時(shí)效態(tài)的析出相更加細(xì)小彌散，因此雙級(jí)時(shí)效態(tài)合金力學(xué)性能更優(yōu)。
　　通過采用優(yōu)化的熱處理工藝，150℃雙級(jí)峰時(shí)效態(tài)(20h)ZMT614合金的ζb和ζ0.2高達(dá)411MPa和401MPa；240℃雙級(jí)峰時(shí)效態(tài)(40min)ZMT614合金的力

6、學(xué)性能與180℃雙級(jí)峰時(shí)效(8h)態(tài)ZM61合金的力學(xué)性能相差不大。
　　ZMT614合金在180℃等溫時(shí)效過程中先后析出四類析出相：①在雙級(jí)預(yù)時(shí)效階段析出平行于()基面的G.P.區(qū)，其只作為β'1桿狀相的異質(zhì)形核核心；②垂直于基體()基面的β'1桿狀相；③平行于基體()基面的β'2盤狀相；④不規(guī)則的β'(Mg2Sn)相，其直接均勻形核于基體中，大部分β'相析出相慣習(xí)面為基體()基面，小部分β'相與()基面成一定的角度，可能慣習(xí)面

7、為基體錐面。根據(jù)時(shí)效顯微組織的演變過程，可以得出Mg-Zn-Mn-Sn合金在180℃等溫時(shí)效過程中可能的析出序列，即①在富Mn區(qū)(固溶時(shí)已析出α-Mn區(qū)域):α-Mn→β'1(MgZn2)→β(MgZn)；②在富Zn和Sn區(qū)(固溶時(shí)未析出α-Mn區(qū)域):SSSS→GPzones→β'1(MgZn2)→β'2(MgZn2)→β'(Mg2Sn)→(β(MgZn) andβ(Mg2Sn))。
　　利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)ZMT8

8、14鎂合金進(jìn)行了等溫壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)合金在等溫壓縮變形試驗(yàn)過程中存在穩(wěn)態(tài)流變特征，并計(jì)算出合金在熱變形過程中的材料常數(shù)為：變形激活能Q=251.67KJ/mol，應(yīng)力指數(shù)n=13.91，平均應(yīng)力因子α=0.00665MPa-1，A=3.4289×1024s-1，最后建立了合金的流變應(yīng)力方程。
　　此外研究了Ce含量對(duì)ZM71合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：①在合金中加入Ce之后，生成了Mg-Zn-Ce稀土相η2

9、相，具體為η2(Ce(Mg0.5Zn0.5)10.1)和η2(Ce2Mg53Zn45)；隨著Ce含量的增加，η2相的衍射峰強(qiáng)度不斷增加，Mg7Zn3相的衍射峰強(qiáng)度不斷減小，當(dāng)Ce含量增加到2%時(shí)，Mg7Zn3相衍射峰幾乎沒有，說明此時(shí)合金主要由α-Mg基體、Mn相和η2相組成；②Ce的添加對(duì)鑄態(tài)組織有明顯的細(xì)化作用；熱擠壓過程中，稀土η2相能阻礙再結(jié)晶晶粒長大，細(xì)化晶粒；③Ce元素能夠明顯細(xì)化擠壓態(tài)合金的組織，所以能提升力學(xué)性能，但添加

10、量應(yīng)控制在1%以內(nèi)，其中 ZM71-0.5Ce具有最佳的綜合力學(xué)性能，ζb、ζ0.2和δ分別為318MPa、250MPa和13.6%；④稀土η相的形成一方面嚴(yán)重降低了合金的MgZn相的時(shí)效強(qiáng)化效果，另一方面在拉伸過程中成為裂紋源，所以高鋅含量的Mg-Zn-Mn-Ce元素不適合用時(shí)效處理來提升擠壓態(tài)合金的力學(xué)性能。
　　最后還研究了Mn元素對(duì)Mg-Zn-Mn-Sn和Mg-Zn-Mn-Ce的影響，發(fā)現(xiàn)Mn元素在兩種合金中的存在形式和作