Sn对ZM61合金热加工性及高温力学性能的影响

摘要

本文利用金相组织观察（OM），X射线衍射分析（XRD），扫描电子显微观察（SEM），能谱分析（EDS），热压缩模拟实验和高温拉伸实验等方法，系统的研究了Sn含量对ZM61变形镁合金显微组织，热加工性，高温力学性能和断裂机制的影响。利用Gleeble-1500热模拟压缩实验机对均匀化态ZM61-4Sn合金的热加工性进行了研究，分析了变形温度和应变速率对合金流变应力和显微组织的影响，计算了合金的变形激活能和应力指数，建立了合金的本构方程，绘制了应变为0.3和0.6时的热加工工艺图。利用电子万能实验机测试了挤压态和时效态ZM61-xSn（x=0、2、4、6、8、10，wt.％）合金的高温力学性能，研究了Sn含量对实验合金高温力学性能的影响。利用扫描电子显微镜对高温拉伸后的断口进行观察，分析了Sn含量对合金高温断裂机制的影响。
　　研究结果表明：热压缩变形过程中，均匀化态ZM61-4Sn合金具有稳态流变特征，流变应力随变形程度的增加先增大后减小直到某一稳态值，表现出明显的动态再结晶特征。得出动态再结晶激活能Q=259.2KJ/mol，应力常数n=12.47，平均应力因子α=0.013，流变应力方程：??=7.81×1023[sinh(0.013σ)]9.602exp(259.2/RT)。绘制出了合金应变为0.3和0.6时的加工图，结合加工图和显微组织分析得出合金的最优加工工艺区间：320~400℃，0.001~0.031s-1。
　　挤压态ZM61-xSn合金主要由α-Mg、α-Mn、Mg7Zn3、Mg2Sn和 MgZn2相组成。Sn元素可细化合金显微组织，ZM61-xSn(x=0、2、4、6、8、10，wt.%)合金挤压态的平均晶粒尺寸分别为15、11、8、5、4和3μm。实验合金的高温强度随Sn含量的增多先增大后减小，ZM61-4Sn合金具有最优的高温力学性能。180℃拉伸时，ZM61-4Sn合金的抗拉强度为216MPa，比 ZM61合金增加了59MPa。ZM61-xSn合金挤压态延伸率随 Sn含量的增加不断升高，拉伸温度为300℃时，挤压态ZM61-xSn(x=0、2、4、6、8、10，wt.%)合金的延伸率分别为113.8%、183.8%、235.8%、260.5%、258.6%和265.5%。实验合金的断裂类型为韧性断裂，断口形貌主要由韧窝、撕裂棱、第二相颗粒和孔洞缺陷组成。随拉伸温度升高，韧窝由小而浅变得大而深，第二相颗粒数量逐渐减少，孔洞缺陷数量逐渐增多。
　　时效态ZM61-xSn合金的相组成为α-Mg、α-Mn、MgZn2和Mg2Sn相。随Sn含量增多，合金显微组织的细化效果增强，ZM61-xSn（x=0、2、4、6、8、10， wt.%）合金经固溶时效处理后平均晶粒尺寸分别为59、51、48、42、25和19μm。添加Sn元素可改善析出强化效果，使合金的高温强度提高，但Sn含量过多时，在合金中形成块状Mg2Sn相，会降低析出强化效果。对于时效态ZM61-xSn合金，当Sn含量为6%时，强度最高。180℃拉伸时，ZM61-6Sn合金的抗拉强度和屈服强度分别为273 MPa和256MPa比 ZM61合金分别提高了42MPa和49MPa。ZM61-xSn合金时效态的延伸率随 Sn含量增多逐渐降低，300℃拉伸时，时效态ZM61-xSn（x=0、2、4、6、8、10，wt.%）合金的延伸率分别为38.5%、14.6%、13.7%、9.6%、7.9%和6.9%。主要由于随Sn含量增多，时效后大量块状第二相沿晶界析出，降低了晶界结合力，导致合金高温延伸率大大降低。ZM61合金在180~300℃温度范围内拉伸时的断裂机制均为穿晶断裂，断口主要由解理刻面、撕裂棱和韧窝组成。添加Sn元素使合金断裂机制发生改变，当拉伸温度低于220℃时，合金为穿晶断裂，当拉伸温度超过220℃后，合金断裂机制为穿晶断裂与沿晶断裂的混合，断口主要由撕裂棱、韧窝和第二相颗粒组成。

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1 绪 论

1.1镁及镁合金的特点

1.2合金元素对镁合金的影响

1.3耐热镁合金的研究现状

1.4 镁合金的塑性变形机制

1.5 加工图概述

1.6课题研究目的、意义及内容

2 实验材料及研究方法

2.1 技术路线

2.2 实验合金的成分设计

2.3 实验合金的制备

2.4 挤压实验

2.5 热压缩实验

2.6 热处理实验

2.7 高温力学性能实验

2.8 组织分析

3 Mg-Zn-Mn-Sn系合金热加工性研究

3.1前言

3.2 压缩试样宏观分析

3.3应力-应变曲线分析

3.4变形条件对流变应力的影响

3.5 ZM61-4Sn合金热压缩本构关系

3.6变形条件对显微组织的影响

3.7热加工性判断

3.8本章小结

4 Sn对挤压态ZM61合金高温拉伸性能的影响

4.1显微组织分析

4.2 挤压态合金高温力学性能

4.3本章小结

5 Sn对时效态ZM61合金高温拉伸性能的影响

5.1显微组织分析

5.2力学性能

5.3断裂机制

5.4本章小结

6 本文结论

致谢

参考文献

附录 作者在攻读期间发表的论文目录