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基于合金化改善镁合金强/韧性的研究

刘红宾  
【摘要】: 针对当前镁合金力学性能不能满足应用需求,可用合金选择性少,以及稀土系镁合金成本高的问题,本文探索新的镁合金强/韧化设计新思路,期望通过寻找新的合金元素开发出具有高强/高韧性能的新型镁合金。 作者总结了24种合金元素的原子信息,提出镁合金强/韧化设计思路: 1.在镁合金中添加难溶性合金元素,生成具有高熔点高硬度金属间化合物,提高镁合金孪生变形的临界剪切应力,阻碍变形过程中的晶界滑移提高强度。根据相图和原子信息,选择Sb和Ge元素验证设计思路的可行性。 2.从材料设计的角度分析镁合金的强韧化问题,根据原子团簇理论和金属键强弱的影响因素,选择Ga元素进行合金化,开发Mg-Ga系镁合金。 合金熔炼与制备采用金属模铸造法,分别进行了铸态Mg-Sb二元合金中α-Mg_3Sb_2相形态变化的研究,AZ31 Sb合金化后α-Mg_3Sb_2相的形态及其对合金显微组织和性能影响的研究;铸态Mg-Ge二元合金中Mg_2Ge相的形态及其对合金显微组织与性能研究,铸态AZ31 Ge合金化Mg_2Ge形态对合金显微组织与性能影响的研究,Al和Zn对Mg_2Ge金属间化合物形貌的影响;Mg-Ga二元合金显微组织与性能的研究和Mg-xGa-3Al-1Zn系合金显微组织与性能的研究。 Sb合金化结果表明:由于存在较大的电负数差,Sb元素与Mg元素之间具有较强的结合力,两种原子相遇会发生电子转移,形成固溶有Mg的离子晶体α-Mg_3Sb_2。在熔炼Mg-10(wt.%)Sb合金时,熔体中形成大量α-Mg_3Sb_2,其较大的密度导致熔体分层,得到成分相差较大的Mg-9(wt.%)Sb和Mg-13(wt.%)Sb双层合金铸锭。因此镁合金中只能添加少量的Sb。α-Mg_3Sb_2金属间化合物在Mg-9(wt.%)Sb合金中有针棒状和矩形块状两种形态,在Mg-13(wt.%)Sb中呈矩形块状。AZ31进行Sb合金化时发现,Sb对合金没有晶粒细化作用;α-Mg_3Sb_2析出相在铸态AZ31中呈针棒状,均匀分布在基体内。拉伸实验结果表明,少量的针棒状α-Mg_3Sb_2析出相的存在对镁合金抗拉强度影响不大,随着该析出相体积分数的增加,抗拉强度略有下降,但仍然具有较高的韧性。在应力-应变曲线上观察到了晶粒发生孪生变形时产生的应力释放现象。 Ge合金化结果表明:Ge对镁及镁合金有晶粒细化作用,析出相Mg_2Ge的形态受合金元素影响很大,析出相的形态影响合金的拉伸性能。在Mg-Ge二元合金中,析出相Mg_2Ge呈针棒状,形成(α-Mg+Mg_2Ge)共晶分布在晶界上,对镁有强化作用。铸态AZ31中Mg_2Ge相呈汉字状,不利于合金力学性能。Mg-Zn-Ge和Mg-3Al-Ge显微组织表明,Al和Zn对Mg_2Ge相从针棒状向汉字状转变都有影响。因此,控制析出相Mg_2Ge的形态成为Ge改善镁合金强韧性的关键。 Mg-Ga二元合金实验表明:固溶的Ga元素可以显著降低α-Mg晶格常数和平均原子间距,Ga还可以有效的细化镁合金晶粒,显著提高纯镁的韧性、屈服强度和极限拉伸强度。Mg_5Ga_2析出相在铸态组织中的形态和分布与Ga含量有关,Ga含量较低时,Mg_5Ga_2析出相呈颗粒状均匀分布在基体内;Ga含量较高时,一部分Mg_5Ga_2析出相呈块状或孤岛状分布在晶界处。固溶处理可以有效提高Ga在Mg中的固溶度,时效处理可使合金中析出直径小于100 nm的针棒状Mg_5Ga_2,该析出相最先从晶界处析出,随着时效时间的延长逐渐向晶内扩展,合金的屈服强度也随时效时间的延长而逐渐增加。 Mg-xGa-3Al-1Zn系合金的研究结果表明:Ga细化了合金的晶粒,Mg_5Ga_2析出相的形态和分布规律与Mg-Ga二元合金相似。固溶处理后Mg_5Ga_2析出相显著减少,合金韧性较好,Mg-4.5Ga-3Al-1Zn合金的延伸率达到11.7%。时效处理效果与Mg-Ga二元合金基本相同,Mg-4.5Ga-3Al-1Zn合金的极限拉伸强度最高达到207 MPa。Al和Zn元素可以加速Mg_5Ga_2强化相的析出。 Ga合金化研究结果证实,根据团簇理论和增强原子结合力的设计思想,寻找新的能够提高镁合金强度/韧性的合金元素的思路可行,Mg-Ga系镁合金具有开发成为新型高强镁合金的潜力。 最后,作者还通过对Ga、Al、Zn、Mn、Li、Sn、Si、Sb和Ge等非稀土系元素的特征进行综合分析,总结出可以强/韧化镁合金的非稀土系合金元素所具有的一般特征: (1)合金元素可以固溶于镁基体中; (2)合金元素的原子半径都小于Mg原子半径; (3)合金元素的化合价应尽可能高; (4)合金元素的电负数应该小于1.9。


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