Mg-Mn系合金显微组织及力学性能的研究

发布时间：2019-08-06 10:57

【摘要】：Mg-Mn系合金具有优异的耐腐蚀性能,良好的高温蠕变性能,较高的阻尼性能和优良的焊接性能,且成本低,适合大规模的工业应用,正发展成为一种性能优异的新型镁合金。但是,由于元素Mn在基体α-Mg中的固溶度极低,细化镁合金微观组织的效果不明显。合金在挤压变形后,微观组织较为粗大,且晶粒取向分布趋向于较强的基面织构,导致合金的室温力学性能较差。本文采用金相分析、扫描电子显微镜、电子能谱、X射线衍射仪、电子背散射衍射、透射电子显微镜和力学性能测试等方法,研究了元素Mn对Mg-Mn合金组织及性能的影响,探讨了Mg-Mn合金的晶粒细化机制、再结晶机制以及强韧化机制,优化了合金成分;基于Mg-Mn系合金的研究结果,研究了挤压温度对Mg-1Mn合金组织及性能的影响,探讨了合金的再结晶机制和强韧化机制,并研究了Mg-1Mn合金的热压缩流变行为以及本构方程,优化了合金的热加工工艺;基于Mg-1Mn变形合金的研究结果,研究了合金元素Al和Y对Mg-1Mn合金组织及性能的影响,探讨了合金的晶粒细化机制、再结晶机制以及强韧化机制,优化了合金成分。主要得到以下结果:①Mg-Mn系铸造合金的相组成主要为基体α-Mg和析出相α-Mn。随着元素Mn含量的增加,合金中α-Mn析出相的数量明显增多,合金的晶粒大小显著减小。Mg-Mn系合金的室温屈服强度随着Mn元素含量的增加而显著提高。其中,Mg-3Mn合金的屈服强度、抗拉强度和拉伸延伸率分别为34MPa、98MPa和5.6%。经过计算,细晶强化和析出强化是提高合金强度的主要因素。②Mg-Mn系合金在较低温度下挤压变形后,微观组织显著细化且再结晶完全。随着元素Mn含量的增加,合金的再结晶晶粒大小显著减小,合金的室温屈服强度显著提高。结果表明,当合金中元素Mn含量为1wt.%时,合金的基面织构较强,不利于基面滑移系的开动,因而具有较高的屈服强度(204MPa)。此外,合金的微观组织显著细化,降低了柱面滑移系的临界剪切应力,有利于柱面滑移系的开动,提高了合金的室温塑性(38.8%)。当合金中元素Mn含量达到3wt.%后,合金中第二相Mn单质颗粒析出数量显著增多,且微观组织明显细化,合金具有较高的室温屈服强度(213MPa),同时合金中的第二相Mn单质颗粒在合金变形过程中诱导了合金再结晶晶粒的形核,弱化了合金的基面织构,有利于基面滑移系的启动,表现出较好的室温塑性,其最大延伸率达到了29.9%。因此,Mg-1Mn合金具有较为优异的综合室温力学性能。③在挤压态Mg-Mn系合金中,研究了α-Mn析出相的析出形貌,以及同Mg基体之间的位相关系。结果表明,大量弥散析出的球状α-mn相沿着mg基体的基面析出,与镁基体之间为共格关系,其位相关系为:(0001)mg//(111)mn,[2110]mg//[011]mn。④mg-1mn合金在不同挤压温度下,合金的晶粒大小随着挤压温度的升高而明显粗大,合金中α-mn析出相的数量也相应增多,基面织构明显弱化。合金在较低温度下挤压变形后,由于合金的微观组织显著细化,表现出良好的室温综合力学性能。其中,合金在250℃挤压变形后,屈服强度、抗拉强度和拉伸塑性分别为204mpa、234mpa和38.8%;合金在300℃挤压变形后,屈服强度、抗拉强度和拉伸塑性分别为191mpa、224mpa和32.4%。合金在较高温度下挤压变形后,由于合金的微观组织较为粗大,导致合金的屈服强度和塑性较低。其中,合金在350℃挤压变形后,屈服强度、抗拉强度和拉伸塑性分别为154mpa、248mpa和11.7%;合金在400℃挤压变形后,屈服强度、抗拉强度和拉伸塑性分别为185mpa、234mpa和9.6%。⑤采用热模拟实验研究了mg-1mn合金的热压缩行为,计算了合金的热变形参数,确定了合金的本构方程。⑥mg-xal-1mn(x=1,3,6,9)系铸造合金的相组成中随着元素al含量的增加而变化。其中am11合金的相组成主要为基体α-mg和析出相al8mn5和al11mn4相,am31、am61和am91合金的相组成主要为基体α-mg和析出相al4mn和mg17al12相,且mg17al12析出相的数量随al含量的增加而明显增多,合金的晶粒大小随着元素al的添加而显著减小。mg-xal-1mn(x=0,1,3,6,9)系铸造合金的室温屈服强度随着al元素含量的增加而明显提高。其中,am91合金具有较高的屈服强度(123mpa)。经计算,析出强化和细晶强化是提高am91合金屈服强度的主要因素。⑦mg-xal-1mn(x=1,3,6,9)系挤压态合金中,元素al含量低于6wt.%时,合金未完全再结晶。其中,am11合金中未再结晶区域较多,基面织构较强,不利于基面滑移系的启动,因而提高了合金的屈服强度。此外,合金中再结晶晶粒显著减小,降低了柱面滑移系的临界剪切应力,有利于柱面滑移系的启动,提高了合金的室温塑性。因此,am11合金具有较为优异的室温综合力学性能,其屈服强度、抗拉强度和室温延伸率分别为250mpa、287mpa和21.4%。细晶强化和织构强化是提高该合金强度的主要因素。合金中元素al含量高于6wt.%时,合金中析出的mg17al12相诱导了合金再结晶晶粒的形核,合金在挤压过程中再结晶完全。同时,随着元素al含量的增加,合金中mg17al12相的析出数量显著增多,明显阻碍了再结晶晶粒的长大,细化了合金的微观组织,弱化了合金的基面织构,改善了合金的室温力学性能。其中,am91合金的屈服强度、抗拉强度和室温延伸率分别为205MPa、317MPa和16.1%。经计算,细晶强化和析出强化是提高该合金强度的主要因素。⑧Mg-1Mn-xY(x=0.2,0.5,1.0)系挤压态合金中,合金的相组成主要是基体α-Mg和析出相α-Mn和Mg24Y5相。随着合金中元素Y含量的增加,合金中Mg24Y5析出相的数量明显增多,合金的晶粒大小也显著减小。当合金中Y含量为0.5wt.%时,合金晶粒的取向分布趋向于较强的基面织构取向,当合金中Y含量达到1.0wt.%后,合金晶粒的取向较为随机,基面织构显著弱化。此时,Mg-1Mn-0.5Y合金具有较高的强度和塑性,其屈服强度、抗拉强度和拉伸塑性分别为311MPa、321MPa和11.7%。织构强化和细晶强化是提高该合金屈服强度的主要因素。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22

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