Sr对ZA104显微组织和力学性能的影响
随着科技的日益进步，工程结构材料在商业中起到越来越重要的作用，大部分工程结构材料是金属，而镁合金时其中质量最轻的一种，因其具有比重轻、比刚度和比强度高、液态成型性能优越、易于回收利用等优点，广泛应用于汽车、航空航天和电子等领域.目前在这些领域中应用的镁合金大都属于Mg-Al、Mg-Mn系合金，如AM60和AZ91等，但是这类合金一般只能在常温下服役，当温度超过120℃后，合金的强度和抗蠕变性能就会大幅度下降。 ZA系合金(Mg-Zn-Al)成本低，铸造和耐热性能优良，可以有效的在高温环境下服役，有着很好的应用前景，引起了国内外学者的高度重视，并开展了大量的研究。已有研究结果表明，当Zn含量在8％-12％（质量分数，下同），Al含量在4％左右时，合金具有良好的常温与高温性能，但其韧性较差，伸长率低。通过在镁合金中加入高含量的Zn来提高其综合性能，成为当前新型高强度镁合金研究的重点方向。目前主要通过微合金化和热处理来提高ZA系镁合金的综合力学性能。研究表明，通过添加微量Sr可形成高熔点的硬质相，以此来改善ZA系镁合金中相的数量，分布以及形态，可以有效提高ZA系镁合金的综合力学性能。本文在此基础上，以ZA104(Mg-10Zn-4Al-0.3 Mn)为基体合金，单独加入碱土元素Sr，系统研究了Sr对合金显微组织和力学性能的影响。 本文通过光学显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)，X射线衍射仪(XRD)，DSC差热分析仪和电子万能实验机等实验手段，研究了Sr对ZA104镁合金中析出相形态的影响，并分析、探讨Sr改善镁合金微观组织和力学性能的机理;同时研究了不同的Zn/Al比对高锌镁合金微观组织和力学性能的影响。研究结果表明: (1)不同Zn/Al比的ZA系合金铸态组织成份均为α-Mg基体相与Q-Mg32(Al，Zn)49第二相，凝固过程中析出的第二相沿α-Mg晶界呈断续网状或不规则块状分布，且随着Zn含量增加，中间相的数量也随之增多。当Zn/Al比为2.0时，ZA84合金的显微组织较为细小，晶界相连成断续网状，凝固析出的第二相以不规则网状和孤岛状分布在晶界上。当Zn/Al比为2.5时，ZA104合金显微变的粗大，沿晶界分布的第二相也变的连续与密集起来。当Zn/Al比达到3.0时，ZA124合金显微组织与ZA104合金的显微组织相当，没有特别明显的变化，只是有些许增粗的趋势。当加入Sr后，在XRD图谱中，有新的衍射峰出现，说明有新相τ-Mg32(Al，Zn)49相与ε-Mg51Zn20相产生，结合EDS能谱分析，Sr加入到镁合金后，Mg-10Zn-4Al-0.3Mn基体合金中的准晶相Q一部分转变为平衡相τ相(与Q相成分相似，均为Mg32(Al，Zn)49，但含有少量Sr)，一部分转变为ε相(Mg51Zn20)。一定量Sr的加入对Mg-10Zn-4Al-0.3Mn合金的显微组织有明显影响。基体合金的铸态组织由α-Mg基体和沿晶界呈不连续网状和块状分布的第二相组成，铸态组织较为粗大。加入Sr后，合金的显微组织发生了显著变化，沿晶界分布的第二相相对增多，加入0.3％Sr时，合金组织中α-Mg晶粒尺寸较基体合金明显细小，以断续网状分布的第二相网格变小，发生断裂细化，或断裂成孤岛状的强化相。 (2)随着Zn/Al比的增加，布氏硬度呈逐步上升的趋势。当Zn含量为12％时，布氏硬度达到最大值，为72.6HB。随着Zn含量的增加，合金的抗拉强度σb和断后延伸率δ都呈下降的趋势，分别由172MPa、7.0％下降到160MPa、5.5％，下降幅度分别为6.9％和2.1％，而合金的屈服强度σ0.2则呈逐步递增的趋势，在Zn含量为12％达到最大值，为143MPa。随着Sr含量的增加，合金的屈服强度σ0.2、抗拉轻度σb和断后延伸率δ都呈先上升后下降的趋势。即当Sr含量为0.3％时，三项指标达到最大值，特别是抗拉强度，相比基体合金，增长了19.6％，达到了最大值195Mpa，而随着Sr含量的增加，三者都呈下降趋势，当Sr含量达到0.9％时，三者又回到与基体合金的相当的水平。合金的力学性能与合金晶粒的大小密切相关，Sr含量为0.3％时，合金晶粒尺寸最小，而此时合金的力学性能也达到最佳。 (3)从不同Zn/Al比条件下合金的常温拉伸断口形貌图可以得知，ZA84，ZA104，ZA124这3种实验合金的断裂机理相似，均为解理断裂，属于脆性断裂。ZA104基体合金断裂模式为解理断裂，属于脆性断裂的范畴。含0.3％Sr的ZA104合金的断裂模式为沿晶断裂与解理断裂的混合。0.6％ Sr、0.9％Sr的ZA104合金的断裂模式与基体合金相似，均为解理断裂。 (4) Sr含量对合金平均晶粒尺寸的影响较大，不含Sr的ZA104基体合金晶粒粗大，平均晶粒直径达到63μm。当Sr含量为0.3％时，α-Mg晶粒尺寸降至约37μm，降幅约为42％。当Sr含量增至0.6％和0.9％时，平均晶粒直径恢复到与基体合金差不多的水平。 (5) ZA系合金中分布在晶界上的第二相具有较高的硬度和脆性[12]，加入0.3％ Sr后，准晶相Q转变为τ相与ε相，从而降低了准晶对合金性能的影响，且由于Sr的细化能力，合金晶粒细化，沿合金晶粒晶界分布的第二相的体积分数相对增多，合金的形变能力因此增强，位错滑移和晶界滑移也变的较易进行，第二相也随之细化，以断续网状分布的第二相网格变小甚至断裂成孤岛状，其分布更加均匀，能有效形成位错缠绕而强化合金。
镁合金;微合金化;元素添加;显微组织;力学性能
太原理工大学
硕士
冶金工程
许春香
2015
中文
TG166.4;TG113.12
67
2015-10-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）