Mg-8Sn基合金多元合金化及其强化机制研究

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镁合金具有密度低,高比强度、高比刚度等一系列优点,因而被用于汽车、航空、电子、军事和民用及其他工业领域。但镁合金强度、高温蠕变等力学性能差仍是限制其应用的瓶颈。最近研发的Mg-Sn系合金具有微米增强高熔点(770℃)Mg2Sn相,从而使其热稳定性、力学性能高于传统的Mg-Al-Zn(AZ)和Mg-Zn-Zr(ZK)系列镁合金。当在Mg-Sn系合金中加入廉价的Zn、Al和Cu之后,不仅对调控合金的时效析出组织有较为显著的作用,通过调控Zn/Al质量百分比比,还会形成一种纳米准晶相(Mg-Zn-Al,I-phase),对镁合金产生很好的强化效果。本文采用常规铸造方法制备出Mg-8Sn-1Zn-xA(lx=1,2,3wt.%)合金、Mg-8Sn-1Zn-1Al-xCu(x=0,1,1.5,2.0wt.%)合金和Mg-8Sn-xZn-2Al(x=4,5,6wt.%)合金,利用金相分析(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和投射电镜(TEM)对合金的显微组织和相组成进行了分析;利用硬度测试仪和电子材料试验机测试了合金的力学性能。研究结果表明:(1)Mg-8Sn-1Al-1Zn(TZA811)合金主要由α-Mg和半连续网状的Mg2Sn相组成,凝固范围为92°C,二次枝晶间距为35.1μm。合金表现出明显的压痕尺寸效应(indentation size effect,ISE)。当合金中的Al含量增加为2wt.%和3wt.%时,镁基体中形成了孤岛状新相Mgx(ZnAl)1-x相;再者,随着Al含量的增加,Mg2Sn相的形貌逐渐从半连续网状向弥散分布的颗粒状转变,合金的二次枝晶间距也先减少到24.5μm(TAZ821)后略又增加到29.4μm(TAZ831),合金的显微硬度也逐渐增大。(2)当在Mg-8Sn-1Zn-1Al-xCu(x=0,1,1.5,2.0wt.%)合金中添加Cu后,合金中形成了两种沿晶界分布的新相AlMgCu相和Cu3Sn相,随着Cu含量的增多,合金的二次枝晶间距逐渐由35.1μm减少到24.3μm。拉伸试验结果表明,Cu含量为1.0wt.%和1.5wt.%时,合金的屈服强度和韧性优于不含Cu的合金,含量为1.5wt.%的合金表现出最好的综合机械性能,这主要是由于合金中第二相和晶界强化的作用。而Mg-8Sn-1Zn-1Al-2Cu合金抗拉强度和伸长率的降低主要是因为连续的AlMgCu相的出现以及Mg2Sn相粗大化的结果。(3)TZA862合金中出现了Mg-Zn-Al准晶相,通过TEM和EDS测试结果确定该准晶相为正二十面体的Mg42Zn45Al13准晶相,其形貌为微孔块状,并且与Mg2Sn相相邻,一起沿晶界分布。硬度和拉伸试验结果分析得出,合金的显微硬度、抗拉强度和伸长率均随着Zn含量的增加而增加,这主要是因为Zn含量的增加,合金晶粒细化和显微组织改善的效果。准晶增强TZA862合金在三种合金(TZA842、TZA852和TZA862)中表现出最佳的综合力学性能。
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