Mg-Al-Sn系高强变形镁合金热变形行为和析出机制的研究及性能改进

摘要

镁合金作为最轻的金属结构材料近年来得到越来越多研究者的关注。但镁合金因为其性能与铝合金相比仍有一定差距，离产业化还有一定距离。提高镁合金性能是许多学者的关注方向。本文以开发高性能变形镁合金为研究背景，选用常见的商用镁合金AZ80为研究对象，通过合金化方式提高其力学性能，并分析其原因及特点。合金化元素选用价格稳定的Sn元素，通过XRD、OM、SEM、TEM、EBSD等表征手段，结合相图计算，热模拟，力学性能测试等分析手段，探究 Sn元素对该合金体系热变形行为影响并研究其中第二相析出机制。、Sn元素添加降低AZ80合金凝固温度(AZ80合金：638oC，AZT802合金：605oC)和Mg17Al12相形成温度(AZ80合金：430oC，AZT802合金：426oC)。Sn含量为2 wt.％时，凝固过程中Mg2Sn相析出温度在440oC至430oC之间，优先于Mg17Al12相形成。
　　本研究主要内容包括：⑴通过热模拟确定Sn元素在热变形过程中对合金动态再结晶影响。由应力应变曲线分析可知添加Sn元素降低动态再结晶临界应力值和应变值，促进热变形过程中再结晶形成。Mg17Al12相在热变形过程中同时存在动态回溶和动态析出过程， Sn元素促进Mg17Al12相的回溶，但抑制其析出。Mg17Al12相能诱发合金再结晶，钉扎晶界，减小再结晶尺寸。含Sn合金再结晶织构强度较高，再结晶晶粒尺寸较大。Sn元素促进合金滑移的启动。Mg-Al-Sn系合金挤压态组织均匀，AZT800挤压态合金晶粒尺寸细小，第二相丰富，拉压不对称性仅为1.1。⑵随Sn含量增加，合金挤压态组织位错密度降低，有利于后续T5时效处理中第二相的均匀析出。使用T6态样品分析第二相析出行为可知Sn元素含量影响时效中第二相析出顺序。AZT801合金175oC时效时Mg17Al12相比Mg2Sn相先析出，而AZT802合金中Mg17Al12相和Mg2Sn相析出顺序与之相反。先析出的Mg2Sn相阻碍不连续 Mg17Al12相生长，影响片层结构的连续性，使该相片层长度降低并且发生弯曲。Sn添加有助于提高连续Mg17Al12相密度。⑶Mg17Al12相与Mg2Sn相相伴形成，并互相促进长大。Mg17Al12相与Mg2Sn相存在惯习面，它们与 Mg基体位相关系为[011] Mg2Sn//[1?11] Mg17Al12，(011?)Mg2Sn//(011?) Mg17Al12；[21?1?0] Mg//[011] Mg2Sn，(011?1?)Mg//(011?) Mg2Sn；[21?1?0]Mg//[1?11]Mg17Al12，(0002)Mg//(101)Mg17Al12。⑷挤压温度影响挤压过程中第二相数量及晶粒大小，对Mg-Al-Sn体系合金织构影响较小。350oC挤压后合金组织不均匀，存在第二相粗化现象。380oC挤压合金第二相较小，晶粒尺寸均匀，挤压态和时效态力学性能均较好。时效温度主要影响合金析出相形貌及密度。研究表明，不连续析出相对温度不敏感，连续析出相对温度敏感度较高。随时效温度降低，连续析出相尺寸减小，密度增加，强化效果显著提高。较低温度时效，合金力学性能有所提高，但受限于不连续析出相性能，合金强度提升有限。⑸该体系中Zn元素可以有效促进第二相形成，当Zn含量高于2wt.%，挤压态合金第二相产生粗化。随Zn含量增加，合金连续析出相密度提高，不连续相片层间距减小，合金性能提高。Zn添加显著降低合金固相线温度，因此需要控制Zn含量，保证固相线温度在可接受的范围内，Zn含量越高，时效合金性能越好。AZT812变形镁合金挤压时效后性能优异，屈服强度达296MPa，抗拉强度达408MPa，延伸率达7%。

目录

1 绪 论

1.1 镁及镁合金概述

1.2 镁合金的塑性变形特点

1.3 镁合金性能影响因素及合金强化方式

1.4 Mg-Al及Mg-Sn合金研究现状

1.5 本课题研究目的及内容

2 技术路线及研究方法

2.1 技术路线

2.2 合金热力学动力学计算

2.3 试验材料制备

2.4 实验测试方法

2.5 成分及组织分析

3 Mg-Al-Sn系镁合金铸态组织及变形行为

3.1 引言

3.2 Mg-8Al-xSn合金热力学相图计算

3.3 Mg-8Al-xSn合金铸态及均匀化态组织

3.4 Mg-8Al-xSn合金热压缩过程中的变形行为

3.5 Sn含量对Mg-8Al-xSn合金挤压组织及性能影响

3.6 本章小结

4 Sn对Mg-Al-Sn系高强镁合金时效析出的影响

4.1 引言

4.2 T5处理下Sn对Mg-8Al-xSn镁合金的影响

4.3 T6处理下Sn对Mg-8Al-xSn镁合金的影响

4.4 Mg2Sn与基体及Mg17Al12位相关系

4.5 本章小结

5 温度对Mg-8Al-2Sn合金挤压及时效处理组织性能的影响

5.1 引言

5.2 挤压温度对Mg-8Al-2Sn合金组织及性能影响

5.3 时效温度对Mg-8Al-2Sn合金T6处理的影响

5.4 本章小结

6 Zn对Mg-8Al-2Sn镁合金组织及性能的影响

6.1 引言

6.2 Mg-8Al-2Sn-xZn合金热力学相图计算

6.3 Zn含量对Mg-8Al-2Sn合金铸态组织影响

6.4 Zn含量对Mg-8Al-2Sn合金变形及时效组织、性能的影响

6.5 本章小结

7 本文结论、创新点及展望

7.1 本文重要结论

7.2 本文主要创新点

7.3 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：