镁—锡—锌镁合金的组织控制和力学性能

发布时间：2018-05-14 09:01

  本文选题：镁 + 锡　； 参考：《吉林大学》2015年博士论文

【摘要】：Mg Sn Zn合金作为一种新型镁合金，近年来引起了国内外的关注。合金中的金属间化合物Mg2Sn（FCC结构、 m3m空间点群、a=0.676nm）具有硬度高、高温稳定性好（熔点770.5oC）等优点，作为强化相在提高镁合金室温及高温性能方面具有工业应用潜力。Sn和Zn加入能够降低Mg基体的层错能，从而促进了合金基面滑移、非基面滑移及大量孪晶的产生，提升合金塑性。此外，由于Mg Sn Zn合金中不含Al，并且Sn和Zn也是人体所需元素，，因此，Mg Sn Zn合金也具有作为生物医用材料的应用潜力。然而，普通重力铸造条件下，Mg Sn Zn合金组织通常比较粗大，导致其力学性能较差。因此，必须对合金组织进行调控。合金元素的添加，是一种常见改善合金组织的手段，元素可以通过吸附毒化或者形成核心的方式有效地细化合金组织。改变凝固条件（如离心铸造）也能有效地改善合金组织。此外，采用轧制和挤压等变形手段，能够进一步细化合金晶粒和析出相，显著提高合金力学性能。然而，关于Mg Sn Zn系合金变形（轧制、挤压）及变形后的退火热处理研究较少。 因此，本文研究了微量元素（Mn、Y、Sb、Zr）添加对铸造Mg 3Sn 1Zn和Mg 5Sn 1Zn合金组织和力学性能的影响，并通过离心铸造制备出Mg 5Sn合金。在此基础上，采用不同的变形工艺（轧制、挤压）和退火工艺进一步细化合金组织，提升合金性能。 本文的主要研究结果如下： 1)发现铸态Mg 3Sn 1Zn（TZ31）合金具有高加工硬化能力（加工硬化能力Hc=3.62、加工硬化指数n=0.55）和高塑性（延伸率εp=19.1%、抗拉强度σb=168MPa）；Sn和Zn加入降低了Mg基体层错能，促进了基面滑移、非基面滑移以及大量孪晶的产生，从而获得高塑性；高密度孪晶界阻碍位错运动，位错的增值和堆积导致了TZ31合金具有高加工硬化能力；本结果为理解含锡镁合金的室温变形机制提供借鉴。 2)揭示了Zr的较佳添加含量为0.05wt.%，0.05wt.%的Zr显著细化了TZ31组织，使TZ31合金室温压缩强度（σb）和断裂应变（εf）分别从330MPa和31.9%增加至379MPa和39.0%；150oC时， σb和εf分别从209MPa和35.7%增加至224MPa和42.5%；Y和Sb均可细化TZ31组织，提升其拉伸性能，而Mn对合金组织和拉伸性能改善不明显；揭示了水平离心铸造条件下Mg 5Sn合金组织特征，即离心半径越大，晶粒细化越显著，Sn元素偏析程度加剧。 3)优化出铸造TZ31合金较佳细晶轧制和退火工艺：350oC+280oC、15道次、单道次小于15%和较低退火温度（275oC/1.5h）能够获得细小再结晶组织（~4μm），屈服强度、抗拉强度和断裂应变分别为131MPa、260MPa和19.3%；优化出挤压TZ31合金高温大压下量轧制工艺（8mm、350oC、6道次、单道次压下量不小于20%），揭示出退火温度和时间对轧制TZ31再结晶晶粒尺寸的影响规律，随着温度或时间的增加，再结晶晶粒尺寸从3μm（250oC/1h）增加至9μm（300oC/1.5h），为含锡镁合金变形及退火提供参考。 4)发现Mg2Sn相在200oC拉伸变形时具有较好的稳定性；揭示出轧制TZ31合金（~11μm）高温拉伸过程中组织演变规律，发现150oC时仅出现动态回复，200oC时出现再结晶，且随着应变增加，再结晶组织增多；高温稳定的Mg2Sn相、动态回复和动态再结晶，有利于提升轧制TZ31合金高温力学性能。 5)研究了Sr Sb复合添加对挤压Mg 5Sn 1Zn（TZ51）合金组织和拉伸性能的影响，0.1wt.%Sr Sb添加对挤压合金晶粒尺寸没有明显改善，然而，当含量为0.3wt.%和0.5wt.%）时，TZ51合金晶粒尺寸增大；室温下，0.1wt.%Sr Sb添加使TZ51合金屈服强度、抗拉强度和断裂应变分别从129MPa、251MPa和20.6%增加至152MP、273MPa和23.2%，高温下Sr Sb加入未明显改善合金性能；揭示了加入Sr Sb前后挤压TZ51合金室温断裂方式为准解理和韧窝混合断裂机制，高温下主要为韧窝断裂机制。 总之，本文通过微量元素添加对铸造TZ31和TZ51组织和力学性能影响的研究，优化了微量元素类型及其含量；通过对动态和静态再结晶组织演变规律的研究，实现了变形后晶粒尺寸可控，为含锡镁合金成分设计及高性能镁合金制备提供了借鉴。
[Abstract]:Mg Sn Zn鍚堥噾浣滀负涓

本文编号：1887214