基于合金化改善鎂合金強-韌性的研究.pdf

1、針對當前鎂合金力學性能不能滿足應用需求，可用合金選擇性少，以及稀土系鎂合金成本高的問題，本文探索新的鎂合金強/韌化設計新思路，期望通過尋找新的合金元素開發(fā)出具有高強/高韌性能的新型鎂合金。
　　 作者總結了24種合金元素的原子信息，提出鎂合金強/韌化設計思路：
　　 1.在鎂合金中添加難溶性合金元素，生成具有高熔點高硬度金屬間化合物，提高鎂合金孿生變形的臨界剪切應力，阻礙變形過程中的晶界滑移提高強度。根據相圖和原子信息，

2、選擇Sb和Ge元素驗證設計思路的可行性。
　　 2.從材料設計的角度分析鎂合金的強韌化問題，根據原子團簇理論和金屬鍵強弱的影響因素，選擇Ga元素進行合金化，開發(fā)Mg-Ga系鎂合金。
　　 合金熔煉與制備采用金屬模鑄造法，分別進行了鑄態(tài)Mg-Sb二元合金中α-Mg3Sb2相形態(tài)變化的研究，AZ31 Sb合金化后α-Mg3Sb2相的形態(tài)及其對合金顯微組織和性能影響的研究；鑄態(tài)Mg-Ge二元合金中Mg2Ge相的形態(tài)及其對合金顯

3、微組織與性能研究，鑄態(tài)AZ31 Ge合金化Mg2Ge形態(tài)對合金顯微組織與性能影響的研究，A1和Zn對Mg2Ge金屬間化合物形貌的影響；Mg-Ga二元合金顯微組織與性能的研究和Mg-xGa-3Al-lZn系合金顯微組織與性能的研究。
　　 Sb合金化結果表明：由于存在較大的電負數差，Sb元素與Mg元素之間具有較強的結合力，兩種原子相遇會發(fā)生電子轉移，形成固溶有Mg的離子晶體α-Mg3Sb2。在熔煉Mg-10(wt.％)Sb合金時，

4、熔體中形成大量α-Mg3Sb2，其較大的密度導致熔體分層，得到成分相差較大的Mg-9(wt.％)Sb和Mg-13(wt.％)Sb雙層合金鑄錠。因此鎂合金中只能添加少量的Sb。a-Mg3Sb2金屬間化合物在Mg-9(wt.％)Sb合金中有針棒狀和矩形塊狀兩種形態(tài)，在Mg-13(wt.％)Sb中呈矩形塊狀。A231進行Sb合金化時發(fā)現，Sb對合金沒有晶粒細化作用；α-Mg3Sb2析出相在鑄態(tài)A231中呈針棒狀，均勻分布在基體內。拉伸實驗結果

5、表明，少量的針棒狀α-Mg3Sb2析出相的存在對鎂合金抗拉強度影響不大，隨著該析出相體積分數的增加，抗拉強度略有下降，但仍然具有較高的韌性。在應力-應變曲線上觀察到了晶粒發(fā)生孿生變形時產生的應力釋放現象。
　　 Ge合金化結果表明：Ge對鎂及鎂合金有晶粒細化作用，析出相Mg2Ge的形態(tài)受合金元素影響很大，析出相的形態(tài)影響合金的拉伸性能。在Mg-Ge二元合金中，析出相Mg2Ge呈針棒狀，形成(a-Mg+Mg2Ge)共晶分布在晶界上

6、，對鎂有強化作用。鑄態(tài)A231中Mg2Ge相呈漢字狀，不利于合金力學性能。Mg-Zn-Ge和Mg-3Al-Ge顯微組織表明，A1和Zn對Mg2Ge相從針棒狀向漢字狀轉變都有影響。因此，控制析出相Mg2Ge的形態(tài)成為Ge改善鎂合金強韌性的關鍵。
　　 Mg-Ga二元合金實驗表明：固溶的Ga元素可以顯著降低α-Mg晶格常數和平均原子間距，Ga還可以有效的細化鎂合金晶粒，顯著提高純鎂的韌性、屈服強度和極限拉伸強度。Mg5Ga2析出相在

7、鑄態(tài)組織中的形態(tài)和分布與Ga含量有關，Ga含量較低時，M95Ga2析出相呈顆粒狀均勻分布在基體內；Ga含量較高時，一部分M95Ga2析出相呈塊狀或孤島狀分布在晶界處。固溶處理可以有效提高Ga在Mg中的固溶度，時效處理可使合金中析出直徑小于100 nm的針棒狀Mg5Ga2，該析出相最先從晶界處析出，隨著時效時間的延長逐漸向晶內擴展，合金的屈服強度也隨時效時間的延長而逐漸增加。
　　 Mg-xGa-3Al-1Zn系合金的研究結果表明

8、：Ga細化了合金的晶粒，M95Ga2析出相的形態(tài)和分布規(guī)律與Mg-Ga二元合金相似。固溶處理后Mg5Ga2析出相顯著減少，合金韌性較好，Mg-4.5Ga-3Al-lZn合金的延伸率達到11.7％。時效處理效果與Mg-Ga二元合金基本相同，Mg-4.5Ga-3Al-lZn合金的極限拉伸強度最高達到207 MPa。Al和Zn元素可以加速Mg5Ga2強化相的析出。
　　 Ga合金化研究結果證實，根據團簇理論和增強原子結合力的設計思想，

9、尋找新的能夠提高鎂合金強度/韌性的合金元素的思路可行，Mg-Ga系鎂合金具有開發(fā)成為新型高強鎂合金的潛力。
　　 最后，作者還通過對Ga、Al、Zn. Mn、Li、Sn、Si、Sb和Ge等非稀土系元素的特征進行綜合分析，總結出可以強/韌化鎂合金的非稀土系合金元素所具有的一般特征：
　　 (1)合金元素可以固溶于鎂基體中；
　　 (2)合金元素的原子半徑都小于Mg原子半徑；
　　 (3)合金元素的化合價應盡