Mg-Al-Sr-Ca耐熱鎂合金組織、性能及其蠕變行為的研究.pdf

1、開發(fā)價格低廉，性能優(yōu)良的耐熱鎂合金，使鎂合金能夠應(yīng)用于汽車傳動系統(tǒng)零部件，已經(jīng)成為急需解決的重要課題。含有Ca、Sr的Mg-Al-堿土系合金是非常有發(fā)展前途的低成本抗蠕變鎂合金。 本文以Mg-5Al-0.3Mn(AM50)合金為基礎(chǔ)，通過合金化，研究了重力鑄造Mg-Al-Sr-(Ti)合金的組織結(jié)構(gòu)、室溫和高溫力學(xué)性能、高溫拉伸蠕變機制和蠕變斷裂行為。研究了壓鑄Mg-Al-Sr-(Ti)合金的組織結(jié)構(gòu)、流動性和力學(xué)性能及不同制備

2、工藝下Mg-Al-Sr合金的拉伸和壓縮蠕變行為和蠕變過程中的組織演化。并在研究壓鑄Mg-Al-Ca系合金組織和性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了賽車用汽缸套的工業(yè)試驗。研究目的是為汽車用低成本耐熱鎂合金的開發(fā)應(yīng)用提供理論和實踐依據(jù)。 對重力鑄造Mg-Al-Sr合金組織和性能的研究發(fā)現(xiàn)，微量Sr加入到重力鑄造AM50合金中，大部分Sr原子都溶入Mg17Al12顆粒中，沒有在組織中形成新相，并且細(xì)化了合金的組織，尤其細(xì)化了合金的第二相。加入0.1

3、wt％Sr后，由于Mg17Al12顆粒的變質(zhì)及熱穩(wěn)定的增加，使合金的常溫，高溫強度及其抗蠕變性能明顯得到提高。當(dāng)Sr加入量超過0.4％后，鑄態(tài)組織中出現(xiàn)了層片狀的Al4Sr相，抑制了Mg-5Al合金組織中Mg17Al12的生成，提高了合金在高溫的強度和抗蠕變性能。與基體Mg-5Al合金相比，Mg-5Al-1Sr合金的穩(wěn)態(tài)拉伸蠕變速率降低了近兩個數(shù)量級。 研究Ti對重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金組織和性能的影響表明，雖然1wt％

4、Sr的加入降低了AM50合金的室溫抗拉強度和延伸率，復(fù)合加入Ti可以改善合金由于Sr加入后導(dǎo)致室溫塑性的降低，并且進(jìn)一步提高了合金的高溫強度，這歸因于晶界Al4Sr的形態(tài)從粗大的層片狀轉(zhuǎn)變成為細(xì)球狀或短條狀。Ti對于合金抗拉伸蠕變性能的影響與蠕變溫度有關(guān)，在蠕變溫度低于150℃，Ti的加入會略微提高M(jìn)g-5Al-1Sr合金的抗蠕變性能。蠕變溫度高于150℃，Ti的加入會降低Mg-5Al-1Sr合金的抗蠕變性能。 本文利用電子理論

5、計算并分析了AM50合金中的Mg17Al12相、Mg-5Al-0.1Sr合金中溶入Sr的Mg17Al12相和Mg-5Al-1Sr合金中的Al4Sr相的價電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，Mg17Al12晶體的鍵結(jié)構(gòu)不均勻?qū)е碌摹盁釕?yīng)力集中”是熱穩(wěn)定性不高的主要原因。溶入Sr會提高M(jìn)g17Al12相的熱穩(wěn)定性，降低Mg17Al12相的可變形性，從而可以提高合金的抗蠕變性能。與Mg17Al12相比，Al4Sr的主鍵絡(luò)并不需要第三強鍵Sr-Al鍵的連接就能

6、形成完整的網(wǎng)格，而且最強的兩個DAlAl鍵的價電子數(shù)差別不大，因此其主鍵結(jié)構(gòu)非常均勻，這是Al4Sr具有較高的熱穩(wěn)定性的本質(zhì)原因。 對壓鑄Mg-Al-Sr-(Ti)合金的研究表明，即使在冷卻速度較快的壓鑄工藝中，Sr和Ti的微合金化依然對于組織有細(xì)化作用。與重力鑄造合金類似，1wt％Sr依然會抑制Mg-Al基壓鑄合金中Mg17Al12相的形成。雖然冷卻速度會影響Mg-Al-Sr合金中相的組成，但是壓鑄合金中主要的第二相及其Sr元

7、素對于力學(xué)性能的影響規(guī)律基本與重力鑄造合金的結(jié)果一致。 壓鑄鎂合金的常溫屈服強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力鑄造合金的屈服強度。壓鑄合金強度的提高來源于兩方面：一是晶粒細(xì)化，二是第二相的細(xì)化和體積百分比的增加。此外，壓鑄件表面的細(xì)晶層對于壓鑄件合金的強度有至關(guān)重要的作用。 對壓鑄鎂合金的流動性的研究表明，與重力鑄造工藝類似，壓鑄工藝中合金的流動依然可以劃分為過熱流動和零過熱流動兩個階段。與重力鑄造相比，壓鑄工藝中的臨界凝固分?jǐn)?shù)較高，而澆

8、注溫度較低，這導(dǎo)致了合金在壓鑄工藝中第二階段的流動長度(Lf(ΔT=0))占流動總長度的百分率要比重力鑄造工藝中的高很多。 蠕變激活能和應(yīng)力指數(shù)的計算表明，重力鑄造Mg-5Al-0.1Sr合金和Mg-5Al-1Sr合金的拉伸蠕變機制是不同的。重力鑄造Mg-5Al-0.1Sr合金在175℃低應(yīng)力(＜70MPa)是位錯攀移控制蠕變穩(wěn)態(tài)速率，在70MPa低溫(＜175℃)下晶界擴(kuò)散伴隨的晶界滑移是主要的蠕變機制。而重力鑄造Mg-5Al

9、-1Sr合金在低溫(＜175℃)和低應(yīng)力(＜70MPa)下的蠕變由晶界附近的組織穩(wěn)定性及其蠕變析出的Mg17Al12相的形成和生長控制。Mg-5Al-1Sr合金中存在顆粒(例如Al4Sr)的強化作用是其與Mg-5Al-0.1Sr合金具有不同的拉伸蠕變機制的主要原因。 對Mg-Al-Sr合金的高溫拉伸蠕變斷裂行為的研究表明，晶界滑移和分解切應(yīng)力是AM50蠕變空洞形核和生長的驅(qū)動力，而約束擴(kuò)散生長機制是Mg-5Al-1sr鎂合金的空

10、洞生長機制。合金蠕變斷裂行為的不同主要由晶界上存在不同強化顆粒相Al4Sr和：Mg17Al12導(dǎo)致的。 對壓鑄和重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金的拉伸和壓縮蠕變行為的研究表明，壓鑄Mg-5Al-1Sr合金的壓縮穩(wěn)態(tài)蠕變速率同拉伸穩(wěn)態(tài)蠕變速率差別不大，表明其在蠕變中具有較好的拉壓對稱性。壓鑄Mg-5Al-1Sr合金的蠕變由空位擴(kuò)散伴隨的攀移控制，并沒有隨著應(yīng)力方式的變化而變化。而重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金的壓縮蠕變的穩(wěn)態(tài)蠕變

11、速率基本上要比拉伸蠕變低近一個數(shù)量級，表明其在蠕變中具有明顯的拉壓不對稱性，這主要是由于重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金的壓縮蠕變機制和拉伸蠕變不同造成的。壓縮蠕變中存在位錯強化是重力鑄造Mg-5Al-1sr合金的壓縮穩(wěn)態(tài)蠕變速率低的主要原因。 對合金在蠕變過程中組織結(jié)構(gòu)演化的研究表明，Mg-5Al-1Sr合金不但在高溫高應(yīng)力(175℃/85MPa)蠕變中，而且在高溫低應(yīng)力(175℃/50MPa)蠕變中，尤其在重力鑄造合金中會產(chǎn)

12、生大量的形變孿晶，位錯在晶界Al4Sr相前的塞積導(dǎo)致的應(yīng)力集中是高溫低應(yīng)力蠕變中孿晶形核的動力。Mg-5Al-1Sr合金在175℃/50MPa拉伸和壓縮蠕變中形成的孿晶主要是{1012}孿晶，并沒有發(fā)現(xiàn){1011}孿晶，驗證了在多晶體鎂中，孿晶的類型與外加應(yīng)力的方向之間沒有關(guān)系。在蠕變過程中發(fā)現(xiàn)了孿晶與析出相存在交互作用，并通過計算證明了這種交互作用會導(dǎo)致Mg-5Al-1Sr合金中的Mg17Al12動力學(xué)析出從(0001)慣習(xí)面轉(zhuǎn)變?yōu)?

13、1010)慣習(xí)面，從而可以阻礙基面位錯的運動，提高合金的抗蠕變性能。 在研究壓鑄Mg-Al-Ca-(Ti)合金的組織、力學(xué)性能和流動性的基礎(chǔ)上，采用具有良好的抗蠕變性能和流動性的AC51T合金進(jìn)行了賽車用汽缸套的工業(yè)試驗。結(jié)果表明，AC51T比AXJ530耐熱鎂合金具有更好的壓鑄工藝性能，Ti的加入可以減輕Mg-Al-Ca合金的熱裂和粘模程度，在冷室壓鑄條件下成功生產(chǎn)出合格的賽車用汽缸套，為壓鑄耐熱鎂合金的產(chǎn)業(yè)開發(fā)提供實踐依據(jù)。