微合金化高成形性能Mg-Zn系镁合金的组织与力学性能研究

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镁作为最轻的金属结构材料,具有较高的比强度和比刚度,良好的阻尼减振性及电磁屏蔽性等优点,在航空航天、汽车、3C等行业具有巨大的应用前景。通常镁合金在室温下可启动的滑移系较少,且变形镁合金制品往往具有较强的基面织构,因此其力学性能各向异性严重,室温成形性能较差。本文通过多元微合金化的手段制备了在室温下具有高成形性能的变形镁合金,研究了Zn含量对Mg-x Zn-0.2Ca-0.2Ce镁合金的微观组织、织构以及力学性能的影响规律;探索了0.2 wt.%的Ca、Ce及Mn元素添加到Mg-1.5Zn镁合金后,其微观组织、织构以及力学性能的变化规律;研究了Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce镁合金在不同轧制变形量及退火工艺条件下,微观组织与织构演变过程。主要结论如下:(1)Mg-x Zn-0.2Ca-0.2Ce(x=0.5,1.0,1.5,2.0 wt.%)镁合金经过热挤压后,形成了基极沿ED方向偏转的双峰基面织构。随着Zn含量的增加,织构强度逐渐减弱,且织构逐渐向TD方向偏转;随着Zn含量的增加,非基面滑移系的活性逐渐增大,镁合金的伸长率也逐渐增大,当Zn含量达到2.0 wt.%以后,由于第二相颗粒较多,塑性开始恶化。(2)Mg-x Zn-0.2Ca-0.2Ce镁合金挤压板经热轧并退火后,形成了沿TD方向的双峰基面织构。随着Zn含量的增加,沿TD方向偏转的织构组分逐渐增多,而沿RD偏转的织构组分逐渐减少。Zn含量的增加并没有使该镁合金系的屈服强度逐渐增大,反而在TD方向上逐渐减小,这是由于沿TD方向偏转织构增强,基面滑移系在TD方向更容易启动。ZXE1500镁合金具有最大伸长率42.4%,其杯突值高达7.7 mm,这主要归咎于Zn元素不仅提高了非基面滑移系的活性,还提高镁合金的晶界结合强度。(3)在单轴拉伸变形初期Mg-0.5Zn-0.2Ca-0.2Ce与Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce两种镁合金的位错塞积速率与载荷方向无关,沿TD方向的双峰基面织构使得两者在RD方向上更容易发生动态回复,这是由于基面滑移系难以启动时,促进了非基面滑移的激活,从而形成多系滑移提高了动态回复。杯突试验样品在裂纹附近区域处于非等双轴拉伸应力状态,其径向应变远大于周向应变,使得该区域的织构演变与单轴拉伸状态时的试样相似。(4)Mg-1.5Zn-0.2Ca、Mg-1.5Zn-0.2Ce、Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce以及Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce-0.2Mn四种镁合金经过热挤压后,均形成了沿ED方向的双峰基面织构,该挤压板材经过热轧退火处理后双峰基面织构向TD方向偏转,甚至镁合金Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce和Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce-0.2Mn形成了沿TD方向的双峰基面织构。单独添加0.2 wt.%的Ce元素对Mg-1.5Zn镁合金的织构弱化作用优于0.2 wt.%的Ca元素。Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce-0.2Mn镁合金双峰基面织构强度最强,但由于合金元素较多,促进了彼此的析出,使得第二相颗粒较多,对基体有一定的割裂作用,所以该合金的强度和塑性都被削弱。(5)Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce镁合金在400℃轧制时,随着变形量增加,拉伸孪晶所占比例逐渐减小,而压缩孪晶和二次孪晶所占比例逐渐增加。热轧后织构依然为沿RD方向的双峰基面织构,并且在RD方向的发散程度逐渐减小;织构强度随着变形量的增加先增大后减小,织构变弱是因为发生了回复再结晶。退火后,镁合金的双峰基面织构逐渐变为长轴在TD方向的椭圆形织构,当轧制压下量在38%以上时织构强度趋于稳定。(6)Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce镁合金在室温下轧制时,随着轧制变形量的增加,双峰基面织构沿RD方向的发散程度逐渐减小,织构强度逐渐增强。且在轧制过程中产生的拉伸孪晶主要为Schmid因子为负值的“异常孪晶”,“异常孪晶”主要是由板材内部晶粒进行局部应变协调诱发的。
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