镁—锡—锌镁合金的组织控制和力学性能

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Mg–Sn–Zn合金作为一种新型镁合金,近年来引起了国内外的关注。合金中的金属间化合物Mg2Sn(FCC结构、 m3m空间点群、a=0.676nm)具有硬度高、高温稳定性好(熔点770.5oC)等优点,作为强化相在提高镁合金室温及高温性能方面具有工业应用潜力。Sn和Zn加入能够降低Mg基体的层错能,从而促进了合金基面滑移、非基面滑移及大量孪晶的产生,提升合金塑性。此外,由于Mg–Sn–Zn合金中不含Al,并且Sn和Zn也是人体所需元素,因此,Mg–Sn–Zn合金也具有作为生物医用材料的应用潜力。然而,普通重力铸造条件下,Mg–Sn–Zn合金组织通常比较粗大,导致其力学性能较差。因此,必须对合金组织进行调控。合金元素的添加,是一种常见改善合金组织的手段,元素可以通过吸附毒化或者形成核心的方式有效地细化合金组织。改变凝固条件(如离心铸造)也能有效地改善合金组织。此外,采用轧制和挤压等变形手段,能够进一步细化合金晶粒和析出相,显著提高合金力学性能。然而,关于Mg–Sn–Zn系合金变形(轧制、挤压)及变形后的退火热处理研究较少。因此,本文研究了微量元素(Mn、Y、Sb、Zr)添加对铸造Mg–3Sn–1Zn和Mg–5Sn–1Zn合金组织和力学性能的影响,并通过离心铸造制备出Mg–5Sn合金。在此基础上,采用不同的变形工艺(轧制、挤压)和退火工艺进一步细化合金组织,提升合金性能。本文的主要研究结果如下:1)发现铸态Mg–3Sn–1Zn(TZ31)合金具有高加工硬化能力(加工硬化能力Hc=3.62、加工硬化指数n=0.55)和高塑性(延伸率εp=19.1%、抗拉强度σb=168MPa);Sn和Zn加入降低了Mg基体层错能,促进了基面滑移、非基面滑移以及大量孪晶的产生,从而获得高塑性;高密度孪晶界阻碍位错运动,位错的增值和堆积导致了TZ31合金具有高加工硬化能力;本结果为理解含锡镁合金的室温变形机制提供借鉴。2)揭示了Zr的较佳添加含量为0.05wt.%,0.05wt.%的Zr显著细化了TZ31组织,使TZ31合金室温压缩强度(σb)和断裂应变(εf)分别从330MPa和31.9%增加至379MPa和39.0%;150oC时, σb和εf分别从209MPa和35.7%增加至224MPa和42.5%;Y和Sb均可细化TZ31组织,提升其拉伸性能,而Mn对合金组织和拉伸性能改善不明显;揭示了水平离心铸造条件下Mg–5Sn合金组织特征,即离心半径越大,晶粒细化越显著,Sn元素偏析程度加剧。3)优化出铸造TZ31合金较佳细晶轧制和退火工艺:350oC+280oC、15道次、单道次小于15%和较低退火温度(275oC/1.5h)能够获得细小再结晶组织(~4μm),屈服强度、抗拉强度和断裂应变分别为131MPa、260MPa和19.3%;优化出挤压TZ31合金高温大压下量轧制工艺(8mm、350oC、6道次、单道次压下量不小于20%),揭示出退火温度和时间对轧制TZ31再结晶晶粒尺寸的影响规律,随着温度或时间的增加,再结晶晶粒尺寸从3μm(250oC/1h)增加至9μm(300oC/1.5h),为含锡镁合金变形及退火提供参考。4)发现Mg2Sn相在200oC拉伸变形时具有较好的稳定性;揭示出轧制TZ31合金(~11μm)高温拉伸过程中组织演变规律,发现150oC时仅出现动态回复,200oC时出现再结晶,且随着应变增加,再结晶组织增多;高温稳定的Mg2Sn相、动态回复和动态再结晶,有利于提升轧制TZ31合金高温力学性能。5)研究了Sr–Sb复合添加对挤压Mg–5Sn–1Zn(TZ51)合金组织和拉伸性能的影响,0.1wt.%Sr–Sb添加对挤压合金晶粒尺寸没有明显改善,然而,当含量为0.3wt.%和0.5wt.%)时,TZ51合金晶粒尺寸增大;室温下,0.1wt.%Sr–Sb添加使TZ51合金屈服强度、抗拉强度和断裂应变分别从129MPa、251MPa和20.6%增加至152MP、273MPa和23.2%,高温下Sr–Sb加入未明显改善合金性能;揭示了加入Sr–Sb前后挤压TZ51合金室温断裂方式为准解理和韧窝混合断裂机制,高温下主要为韧窝断裂机制。总之,本文通过微量元素添加对铸造TZ31和TZ51组织和力学性能影响的研究,优化了微量元素类型及其含量;通过对动态和静态再结晶组织演变规律的研究,实现了变形后晶粒尺寸可控,为含锡镁合金成分设计及高性能镁合金制备提供了借鉴。
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