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Mg-Zn-(Al)系合金热裂敏感性及其微观机理研究

周乐  
【摘要】:由于镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、减震性好、可回收等优点,使其在汽车、航空航天等工程方面的应用越来越广泛。此外,与铝合金等相比,镁合金具有较好的铸造工艺性能,因而镁合金产品大多是经铸造成型的。可是,由于镁合金在铸造过程中容易出现热裂而降低材料的性能,因此研究镁合金热裂行为及热裂机理对于扩大镁合金的应用范围具有重要的理论及实际意义。 目前,有关镁合金热裂行为的研究主要集中在Mg-Al二元镁合金系,对于Mg-Zn系合金的研究相对较少。相对于Mg-Al系合金,Mg-Zn系合金一方面表现出时效强化效果比较明显的优点,另一方面则存在着铸态组织粗大和热裂敏感性高的缺点,这严重地限制了该系合金的广泛应用。可见,弄清Mg-Zn系合金热裂敏感性倾向,就可在合金设计阶段,避开热裂敏感性高的成分。 本文通过Clyne-Davies以及Ramseyer模型对Mg-Zn系二元合金以及Mg-Zn-Al系三元合金的热裂敏感性进行了预测;采用自制的“T”字形热裂模具研究了Zn、Al含量和模具温度对Mg-Zn系二元合金以及Mg-Zn-Al系三元合金热裂纹体积的影响,分析了Mg-Zn系及Mg-Zn-Al系镁合金的热裂行为;采用Flow3D模拟软件对Mg-Zn-(Al)系合金的热裂行为进行了数值模拟,得到了不同模具温度下凝固过程和Von Mises应力的模拟结果,并分析了不同温度下凝固分数、凝固时间、温度梯度以及Von Mises应力对合金热裂敏感性的影响;利用金相显微镜及扫描电镜对热裂区域组织的观察,分析了Mg-Zn系二元合金以及Mg-Zn-Al系三元合金的热裂形成机理。 研究结果表明,Mg-Zn系二元合金的热裂敏感性随着Zn含量的增加先增大并在1.5wt.%Zn处达到最大值,随后减小,整体趋势成“λ”型曲线;而对于Mg-Zn-Al系三元合金,其热裂敏感性趋势为根据不同Zn及Al含量变化的等值曲线云图,并在Zn含量在1.5wt.%左右,A1含量值在0-0.75wt.%时以及Zn含量在3wt.%左右,A1含量值在0.5wt.%左右时出现热裂敏感性最大值,预测结果与测得的裂纹体积结果相比较,吻合较好。 对于Mg-Zn系二元合金,相同成分合金形成的裂纹体积随着模具温度的增加不断减小。而在相同的模具温度下,其裂纹体积随着Zn含量的增加先增大而后减小,呈”λ”型曲线趋势;裂纹扩展速率也随Zn含量的增加先增大而后减小,且在相同的合金成分下随着模具温度的升高而不断减小。其中,在300℃时实验测得的凝固收缩应力与裂纹体积呈反比例关系,这与模拟结果对应较好。对于Mg-Zn-Al系三元合金,在Al含量较低时,裂纹体积随着Zn含量的变化而出现两个峰值;而当A1含量较高时,裂纹体积则随着Zn含量的增加而减小。Flow3D模拟结果表明,热裂易发生在铸件的“热节”即转角处,这是由于合金不同的冷却速率而导致不同的温度梯度以及应力集中造成的。随着模具温度的升高,“热节”处的温度梯度以及Von Mises应力亦随之减小,即合金的热裂敏感性随之减低,这也与实验结果相一致。 低Zn及Al元素含量下,合金发生热裂的主要机理是晶间搭桥理论,并且由于晶间搭桥的数量不足以抵抗凝固收缩应力,因此在凝固收缩应力的作用下晶间搭桥发生破坏而形成晶间裂纹,导致热裂的产生;对于Zn及A1含量较高时,由于晶界周围的液膜较厚以及分离的枝晶空隙可以得到良好补缩,因此分离的枝晶能够重新愈合而没有热裂的产生。


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