Mg-Mn-Zn系镁合金组织与性能研究

发布时间：2017-12-19 11:52

  本文关键词：Mg-Mn-Zn系镁合金组织与性能研究　出处：《北京有色金属研究总院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：Mg-Mn合金是一种不可热处理强化的合金,铸造晶粒尺寸粗大,塑性变形能力差,难以获得均匀变形组织,且变形开裂倾向严重。如果通过添加微量第三组元,改善合金的成形性,使合金的性能得到显著提升,将可以发掘合金的潜在优势,进一步推进Mg-Mn合金的发展。本文以MlA(Mg-1.2～2.0wt.%Mn)合金为基础,设计和制备了不同Zn含量的Mg-Mn-Zn系中强镁合金,借助第一性原理计算方法,从原理上对Mn在镁中固溶强化的影响进行了解释,利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射分析等分析手段对合金的微观组织特征进行了观察,通过室温拉伸试验、电化学测试、动态热机械分析等方法对合金的力学性能、耐腐蚀性能、阻尼性能等进行了测试,凭借热压缩实验构建了铸态合金和挤压态合金的本构方程,通过与合金元素含量接近的、商业化较成熟的AZ40镁合金进行比较,对制备的Mg-Mn-Zn系变形镁合金进行了力学性能、热加工性能、耐蚀性和阻尼性能的评价。以不同的熔炼工艺制备了 Mg-Mn合金,发现采用Mg-Mn中间合金、Mn熔剂和无水氯化锰三种Mn添加形式制备的Mg-Mn合金的显微组织差异很小,都存在较大尺寸的α-Mn颗粒。通过电导率测试的方法,绘制了 Mg-Mn合金的TTT曲线。对铸态Mg-Mn合金的热处理结果表明,Mn元素在镁合金中最大固溶度只有在凝固时得到,在250℃以上进行热处理都会导致合金基体中的Mn发生析出。对Mg-Mn固溶体的第一性原理计算结果表明,Mg2s和2p轨道电子与Mn3d轨道电子发生较强的杂化作用,Mg-Mn之间形成了较为牢固的共价键结合。此外,Mn固溶到Mg中以后还会使得Mn原子周围的Mg-Mg共价键得到一定程度的增强,使得Mn原子具有较高的固溶强化效率。采用等温压缩试验研究了铸态MZ21镁合金的热变形行为,构建了铸态MZ21合金的本构方程与热加工图,获得了合金的在热变形过程中的材料常数:变形激活能Q=224kJ/mol,应力指数n=4.88,平均应力因子α=0.0225。与AZ40合金相比,MZ21合金的变形激活能较高,加工图失稳区随应变量增加迅速扩大,可加工范围较窄,不适合进行锻造变形。Zn元素的添加可以有效细化铸态Mg-Mn-Zn合金晶粒。挤压态Mg-Mn-Zn合金随Zn含量的增加动态再结晶越完全,组织更均匀。挤压态合金的强度及延伸率都随Zn含量增加而上升。添加0.5%的Zn时对挤压态合金力学性能改善效果显著,继续添加Zn元素仍可以改善合金性能但是效果减弱。Mg-Mn-Zn合金在挤压过程中析出少量盘状α-Mn相,其分布弥散,尺寸在20nm以内。挤压态合金中存在着{0001}基面织构,基面织构随Zn元素的添加呈弱化趋势。退火温度升高和Zn含量增加会使合金再结晶形核孕育时间缩短。为改善挤压态Mg-2Mn-xZn合金组织,探究合金的二次变形能力,对MZ21合金的热变形行为进性了研究。经挤压变形后,MZ21合金的变形激活能发生显著下降,具有比挤压态AZ40合金更优的加工性能。按照挤压态合金的热加工图制定了挤压态合金ECAP工艺。对挤压态Mg-2Mn-Zn合金进行ECAP变形后,获得了具有1.8μm平均晶粒尺寸且组织均匀的高塑性镁合金。合金抗拉强度由294MPa下降为251MPa,屈服强度由250MPa下降为133MPa,但是延伸率由12%上升到27%,主要是由于晶粒细化、织构弱化及细晶镁合金非基面滑移共同作用的结果。对挤压态Mg-Mn-Zn合金的耐腐蚀性能进行了研究。合金在浸泡腐蚀过程中发生全面腐蚀,适度的晶粒细化可以使得晶界位置的杂质元素偏聚程度降低,弱化晶内与晶界处电势的不平衡,减小晶内-晶界原电池形成的趋势,提高了合金的耐蚀性。但晶界过多会导致腐蚀速率加快,使得再结晶程度高的合金耐蚀性变差。0.5%的Zn元素可以改善Mg-2Mn-xZn合金的耐蚀性,当Zn含量超过0.5%以后,合金的耐腐蚀性受晶界数量增加的不利影响而下降明显。通过对比得到在含C1离子环境下,Mg-2Mn-xZn合金比AZ40合金的耐蚀性更优。研究了 Zn含量、冷变形量和热处理对挤压态Mg-Mn-Zn合金阻尼性能的影响。发现合金的与应变无关阻尼随Zn增加而下降。添加2%的Zn会抑制合金在200℃附近的阻尼峰,但会使合金在350℃附近由晶界滑动所引起的阻尼峰明显。冷变形会导致合金的室温阻尼性能下降,冷轧下压量越大合金的阻尼值越低。退火处理使合金的室温阻尼下降,主要是由于退火处理引起的位错密度下降及α-Mn析出。
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.22

【参考文献】

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本文编号：1307832