Y的添加和变形对Mg-Sn-Zn系合金组织及力学性能的影响

发布时间：2020-07-31 09:05

【摘要】：近几年来,随着金属制品在实际应用中对结构轻量化和节能减排的需求加剧,镁合金的发展越来越重要,因为镁合金的比强度和比刚度高、阻尼减振性好、具有较好的电磁屏蔽能力,在各类工业诸如航空航天,载具,3C产品等多个领域内都越来越受到重视和应用。但是镁合金的强度偏低、在高温下的力学性能较差、塑性较低、不易变形等,此类缺点导致镁合金的大规模应用受到限制。为了适应工业应用,目前的镁合金产品大多采用变形的方式达到使用目的,因为变形后镁合金可以消除一些铸造缺陷,并且由于变形的缘故使其各项力学性能得到提升。因此,开发新型变形镁合金并制定有效的生产工艺是目前镁合金研究的重点。针对上述问题,本论文以Mg-Sn-Zn合金为基础,使用稀土元素Y作为合金化元素,使用电磁感应熔炼炉在氩气氛围下熔炼制备出不同成分的合金,通过X射线荧光光谱仪(XRF)、X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、投射电镜(TEM)能量色散X射线谱仪(EDS)、拉伸试验机等手段研究了Y元素对Mg-Sn-Zn合金的影响,并讨论了该类合金通过挤压、轧制等加工变形工艺后性能提升的可行性和机制。对Mg-Sn-Zn系合金性能提升具有一定指导意义。主要进行了以下研究:设计合金成分并通过熔炼获得铸态合金铸锭,并讨论铸态Mg-5Sn-3Zn-xY(x=0,0.2,0.5,0.8,1.0 wt%)合金的显微组织和力学性能,主要围绕第二相的作用讨论铸态合金的性能。铸态Mg-Sn-Zn合金组织呈现明显的枝晶状,且二次枝晶臂间距较大。当添加进Y元素后枝晶结构明显弱化,并有向等轴晶转变的趋势。随着Y元素含量的增加,晶粒直径呈现减小趋势,但当Y含量超过0.8wt%时晶粒有变大的现象。合金中主要含有Mg_2Sn,MgZn_2等第二相颗粒,添加Y后出现了羽毛状MgSnY相,其数量随着Y含量的增加而增多,尺寸逐渐变大并发生一定的偏聚。并且在铸态合金中,Mg2Sn相和MgZn2相有相互依附生长的趋势,并形成尺寸较小的颗粒状第二相,对合金性能提升有较好作用。并且MgSnY相作为硬质相较为弥散的分布在合金基体中,也对合金性能有一定的提升。当Y元素含量为0.5wt%时,铸态合金综合性能较为优良,抗拉强度为228MPa,屈服强度为68MPa,延伸率为18%。并且铸态Mg-Sn-Zn-Y合金的延伸率都较为优异,均可达到14-20%,这是由于合金中存在细小的颗粒状第二相引起的。对铸态合金进行均匀化处理并观察其组织结构,发现晶粒呈现等轴晶结构并有所长大,大量颗粒相溶进基体,但在晶界处还残留有第二相颗粒,并且MgSnY相由于其熔点较高,大部分尚未溶解,分布在基体中。随后将铸态合金锭挤压成板材,研究了经过均匀化挤压态Mg-Sn-Zn-Y合金的组织和力学性能,挤压过后的Mg-Sn-Zn-Y合金发生较为完全的动态再结晶,呈现出结构细小均匀的等轴晶结构,而基体中的第二相发生破碎且第二相数量随Y含量增加而变多。在常温下力学性能相比于铸态合金有所增加,但延伸率下降幅度较大。随着Y元素含量的增加,挤压态合金的力学性能依次提升。对挤压态的Mg-Sn-Zn-Y合金板材进行不同道次和变形量的轧制处理,研究轧制对挤压态合金的组织改变及性能的提升程度。采用交叉轧制的方式,以达到对挤压态合金性能提升的目的。轧制后的合金晶粒相比于挤压态明显减小,并沿轧制方向拉长,出现了大量孪晶,随着轧制道次增加再结晶发生更加完全。合金中的第二相受到挤压破碎,呈现流线型分布,而交叉轧制并没有明显改变第二相的分布流线,这种流线主要由挤压过程决定。轧制合金的抗拉强度比挤压态合金高而延伸率下降,随着轧制道次增加抗拉强度提高而延伸率下降。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22
【图文】：

二元合金相图,二元合金相图

图 1.1 Mg-Sn 二元合金相图Fig. 1.1 The binary phase diagram of Mg-Sn system究目的具有优良的比强度、比刚度和减震性能,具有良好的阻尼减振性，降以屏蔽电磁辐射，利于回收利用，被认为是 21 世纪高新产业中最有属材料，是一种理想的结构材料。镁合金成型加工大多通过压力铸造压铸不利于生产一些厚大及复杂铸件，并且设备的成本高,其次镁合金易产生强烈的基面织构，存在力学性能各向异性[7][5]。合常规镁合金绝对强度低，室温力学性能差的研究现状，拟对 Mg-金，进而研究开发成本低、高强高韧镁合金。Mg-Sn-Zn 系合金具有抗好，价格低廉，综合力学性能优良等特点。Sn 可降低非基面滑移的够在合金中形成均匀细小的 Mg2Sn 相；Zn 的加入可以细化 Mg2SnMg2Sn 数量，提高合金的强度；Y 在镁中的固溶度较大，能够形成弥进一步提高合金的强度。本课题主要研究包括：通过合金化工艺改

示意图,拉伸试样,示意图,试样

重庆大学硕士学位论文2.6.7 力学性能测试本次试验中力学性能测试采用拉伸测试的方法，通过断口形貌，延伸率，强度以及屈服强度等信息对该种合金的力学性能进行定性及定量分析，拉伸按照 GB/T228-2002 标准加工为标准样，拉伸试样的形状和尺寸设计(单位，如图 2.2（a）、（b）所示，采用线切割制成；在三思 CMT-5305 微机控制电子实验机上进行实验。在拉伸测试前对试样进行打磨，用砂纸将试样打磨至一定度，以消除试样的表面缺陷，避免缺陷带来的影响。试样的应力应变曲线、延和抗拉强度数据由断裂前后的报告直接得到。铸态试样拉伸速率为 1mm/min挤压/热轧态试样拉伸速率为 2mm/min。不同状态下的合金各取 4 个拉伸试样拉伸试验，结果取其平均值。

XRD图谱,铸态,XRD图谱,枝晶间距

图 3.1 铸态 Mg-5Sn-3Zn-xY 合金的 XRD 图谱Fig. 3.1 XRD pattern of as-cast Mg-5Sn-3Zn-xY alloys(a)Mg-5Sn-3Zn (b)Mg-5Sn-3Zn-0.2Y(c)Mg-5Sn-3Zn-0.5Y (d)Mg-5Sn-3Zn-0.8Y (e)Mg-5Sn-3Zn-1.0Y图 3.2 为 Mg-5Sn-3Zn-xY 铸态合金的金相组织，由图可知，未添加稀土 Y g-5Sn-3Zn 合金的显微组织不均匀，可以观察到大量的枝晶，枝晶间距大约5μm。加入 Y 元素后合金显微组织发生明显变化。随着 Y 含量的增加，铸态枝渐变细，枝晶间距减小，当 Y 含量达到并超过 0.8%时，晶粒尺寸逐渐粗化。，Y 的添加有使合金组织从枝晶向等轴晶转化的趋势。可以看出 Y 作为表面元素，可以降低液态金属的表面能，降低形核功，从而促进更多的 -Mg 晶核。在合金凝固过程中，Y 会在固-液界面处富集，造成界面处的成分富集而引分过冷，促进大量形核。根据生长限制因子（GRF）机制，GRF 越高，对晶粒的作用越明显[63]。Y 会提高液态合金的 GRF 从而限制晶粒的长大。Mg2Sn gSnY 相的析出可作为镁基体的形核质点。而且在晶界处生成的 Mg2Sn 和 MgSn

【参考文献】