高合金含量Mg-Al-Zn系镁合金成分设计与强韧化机制

发布时间：2020-07-30 14:46

【摘要】：作为最轻的工程结构金属材料,镁合金拥有低密度、高比强度和比刚度、易回收等诸多优异性能,在航空、航天、汽车以及通讯等领域的应用前景受到了广泛的关注,与铸造镁合金相比,通过挤压或者轧制等塑性成形方法加工后,变形镁合金表现出了更加优异的力学性能。近些年,国内外学者对Mg Al Zn系镁合金开展了大量的研究工作,特别是通过大变形方法(如搅拌摩擦、等通道挤压、高压扭转等)制备超细晶Mg Al Zn合金。这些通过大变形方法制备的超细晶合金表现出较高的强度,但是塑性普遍较差。随着合金元素含量增加,变形难度增加;有关高合金含量镁合金塑性加工的研究相对较少,而已报道的高合金含量Mg Al Zn系镁合金表现出较高的强度和塑性。因此,通过合金成分设计与优化,采用挤压和轧制手段制备新型高强韧性(高强度和高塑性)高合金含量镁合金,有利于拓展镁合金在工业上的应用。本文设计和制备了新型高合金含量Mg Al Zn系变形镁合金,研究了合金的组织特征与力学性能,优化了合金成分;重点讨论了组织与力学性能之间的关系,揭示了合金的强韧化机制,得出的主要结论有:(1)通过新型衬板轧制方法制备出具有均匀细晶组织的AZ75合金,其平均晶粒尺寸为~6μm;发现该合金组织中均匀地分布着大量微米(1 3μm)和纳米级(50 200 nm)的球形Mg17(Al,Zn)12析出相;合金表现出较高的室温拉伸性能,其抗拉强度(ultimate tensile strength,UTS)、屈服强度(Yield strength,YS)和延伸率分别达到了~345 MPa、~218 MPa和~19%。(2)基于强化理论简化模型计算研究了衬板轧制AZ75合金中细晶强化、第二相强化和固溶强化对合金YS的贡献值,揭示出细晶强化为该合金在室温拉伸时的主要强化机制;发现该合金表现出较高的加工硬化能力,主要归因于合金中Zn、Al固溶原子和大量均匀分布的纳米球形Mg17(Al,Zn)12析出相以及弱的织构。(3)揭示了衬板轧制AZ75合金在不同温度下的变形机制;发现150°C拉伸时,主要变形机制为位错攀移;在300°C拉伸时,晶界滑移主导了变形,大量Mg17(Al,Zn)12析出相偏聚在晶界处抑制晶粒长大,提高了合金细晶组织的热稳定性,促进了晶界滑移,合金的断裂应变达到了~615%;而在350°C拉伸时,Mg17(Al,Zn)12析出相溶解到镁基体中,造成了晶粒尺寸的异常长大,导致了合金断裂应变明显降低。(4)对比挤压AT82 x Zn(x:0~1.5 wt.%)合金的组织以及力学性能,发现Zn元素的添加,细化了挤压AT82合金的晶粒尺寸,提高了合金中第二相(Mg2Sn和Mg17Al12)的数量,提高了合金的拉伸性能;优化出了较佳的合金成分,挤压AT82 1.0Zn合金的UTS、YS和延伸率分别达到了~357MPa、~198MPa和~19%。(5)揭示了合金屈服强度的提高主要归因于合金组织中细小的Mg2Sn和Mg17Al12析出相数量增加所引起的析出强化效果提高以及Zn元素固溶强化;阐明了AT82 Zn合金具有高UTS和塑性的原因为合金组织中Zn元素的固溶和大量弥散分布细小的Mg2Sn和Mg17Al12析出相导致的合金加工硬化能力提高。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22
【图文】：

极图,粗晶,衬板,微观

图 1.1 (a) 衬板轧制 AZ91 合金的 EBSD 组织；(b, c) 粗晶和细晶的微观极图[27]Fig. 1.1 Typical FESEM-OIM maps taken in the RD TD plane of the HPRedAZ91 sheet; (b, c) are the microtextures of the coarse and fine grains,respectively[27]在薄板应用方面，超塑性成型 (Superplastic forming，SPF) 是一种有效的方法，能够将难变形的材料加工成复杂的形状。目前，国内外研究表明在金属材料中获得超塑性需要两个主要的先决条件，包括细小的晶粒尺寸 (晶粒尺寸小于 10 μm) 与高温时细晶结构的热稳定性，二者缺一不可[28, 29]。近期的研究表明在晶界处析出的第二相，能够通过钉扎作用阻碍晶界运动，进而有效地增强了高温拉伸变形过程中晶粒尺寸的热稳定性[30, 31]。例如，韩国弘益大学 Kim 等人[30]报道了一种采用高比差速轧制法制备的AZ91 合金，在拉伸温度为 300 °C 以及应变速度为 1×10-3s 1条件下，其延伸率达到了830%，表现出较高的超塑性。显微组织分析表明，在晶粒处通过动态析出形成的Mg17Al12相，促进了细晶组织的形成，并且提高了细晶组织的热稳定性，进而使合金

曲线,工程应力,合金,曲线

金化是改善镁合金力学性能的有效途径之一。向形成高熔点 (771.5 °C) 的 Mg2Sn 相，其高温热稳碍位错滑移，进而提高镁合金的强度以及高温抗表明高合金含量 Mg Al Sn Zn 合金在发展成为高[36]。例如，日本国家材料科学研究所 Sasaki[35]等n 1.0Al 1.2Zn (wt.%) 挤压合金，其 YS、UTS 以及 12% (图 1.2)。然而，当过量添加 Sn 元素时，合2Sn 第二相，这些第二相在拉伸变形过程中能够造致合金的塑性降低。因此，需要考虑添加适量的g2Sn 析出相，又能避免形成粗大的 Mg2Sn 析出相降低。

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第 1 章绪论促进晶粒细化；由于合金中 Zn 元素完全溶入了镁基体中，其表现出较强的固溶强化效果；在细晶强化、弥散强化、析出强化以及固溶强化的综合作用下，挤压Mg 8Al 4Sn 2Zn 合金的 UTS、YS 以及延伸率分别达到了 369MPa、328MPa 和 9.1%如图 1.4 所示。

【参考文献】