基于第二相调控Mg-Sn基合金组织和性能的研究

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镁及镁合金在交通运输、空天领域、电子通讯及国防等领域中具有广阔的应用前景,被誉为“21世纪最具发展的绿色工程材料”。Mg-Sn系合金由于具有高熔点的Mg2Sn相(1043 K),使得该合金系具有良好的变形能力和沉淀强化效应,从而使得其综合性能优于传统的Mg-Al和Mg-Zn系合金,在开发高强韧变形镁合金方面具有极大潜力。另外,在Mg-Sn基合金的基础上,通过添加适当比例的Zn和Al元素会诱发Mg-Zn-Al准晶相的形成并细化Mg2Sn相,同时Al元素也会起到固溶强化作用,从而大幅度提高Mg-Sn系合金的综合力学性能和热稳定性,为开发不含稀土的耐热镁合金提供了一种可行性。另外,为了缓解传统材料开发对资源过分依赖的现状,低合金化镁合金的开发越来越受到关注。为了开发高强韧Mg-Sn基低合金化镁合金,本文采用Ca和Mn对低合金化Mg-Sn基合金进行组织调控,期望Mn、Ca元素的添加能够改变织构、细化组织,提高合金的强韧性和变形能力。因此,本文研究了含有准晶相的Mg-8Sn-6Zn-2Al(TZA862)合金的时效强化行为。同时为了开发低合金化Mg-Sn基合金,研究了不同挤压比和Sn含量对低合金化Mg-Sn-Mn-Ca合金系的组织和性能的影响。研究结果表明:(1)研究发现,双级时效168 h后,Mg-8Sn-6Zn-2Al合金的硬度增加到峰值87 HV,双级时效处理对该合金的晶粒尺寸、析出相取向和析出相体积分数以及织构的性质有较大的影响,导致晶粒尺寸增大、析出相的体积分数增大(晶界处形核),织构取向和强度的改变。(2)峰时效态Mg-8Sn-6Zn-2Al合金具有较高的强度(257 MPa)和合理的伸长率(13.6%),这主要与纳米尺寸的析出相以及合理的加工硬化指数有关。(3)挤压态低合金化Mg-Sn-Mn-Ca合金系(挤压比:36)表现出完全动态再结晶组织和ED-倾斜取向织构。随着Sn含量从0.5增加到1.0 wt.%,平均晶粒尺寸从13.6逐渐减小到12.25μm,而织构强度从5.82增加到9.23。此外,在某些微区还可以检测到一些纳米级和/或亚微米级的Mg2Sn和Mg2Ca析出相,其形貌特征为Mg2Sn与Mg2Ca共存。(4)挤压态Mg-Sn-Mn-Ca合金系(挤压比:36)的Meyer指数n小于2,表明其具有较强的压痕尺寸效应。挤压态Mg-1Sn-0.5Mn-0.5Ca合金表现出良好的综合力学性能,这主要和细小的晶粒结构、较高的ED-倾斜取向织构强度和合理的加工硬化指数有关。(5)当挤压比由36降低为16时,Mg-Sn-Mn-Ca合金系表现出双峰结构:均匀细化的动态再结晶晶粒和沿着挤压方向拉长的粗大未动态再结晶晶粒。平均动态再结晶晶粒尺寸从13.60μm(0.5Sn)和12.25μm(1.0Sn)减小到7.8μm(0.5Sn)和7.1μm(1.0Sn),抗拉强度和伸长率同步下降,由此可见,挤压比的降低会削弱合金的力学性能,这主要和组织中出现的粗大的未动态再结晶晶粒有关。(6)当挤压比由36降低为16,挤压态合金的Meyer指数n有所增加,分别从1.74(0.5Sn)和1.84(1.0Sn)增加到1.86(0.5Sn)和1.89(1.0Sn)。上述结果表明大挤压比能够增强研究合金系的压痕尺寸效应。
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