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Mg-5wt%Sn合金固溶时效机理和价电子结构的研究

刘红梅  
【摘要】: 在镁合金系列中,运用最广泛的是Al作为主要合金元素的镁合金。然而现有的商业用合金(如AZ系列、AM系列)在很多零件上不能应用,如引擎、变速箱等,因为常用的Mg-Al系合金都要受到其低于120℃的服役温度的使用限制,这根源于Al_(12)Mg_(17)相在高温下会发生软化,使得其蠕变性能很差。近几年随着镁的开发热潮,由于工业特别是交通业的需求,迫切需要人们开发出新的系列的镁合金,这种镁合金须具有良好的力学性能,在高温下有稳定的显微结构,以及良好的铸造性能,而且成本要相对低廉。Mg-Sn合金较好地满足了这些要求:相对于常用的Mg-Al、Mg-Zn等镁合金,Mg-Sn二元合金凝固区间小,其最大的液固温度范围是67℃,这与Mg-Al、Mg-Zn合金最大的液固温度范围136℃、283℃相比要窄得多,因此Mg-Sn合金在凝固过程中形成的诸如疏松和热裂等铸造缺陷少;Sn在Mg中的固溶度从在共晶形成温度561℃的14.85wt%到200℃的0.45wt%,如此大的固溶度的变化范围,为后续的时效强化提供了很大的空间;析出相Mg_2Sn(FCC晶体结构,a=0.676nm,空间群m(?)m)的熔点高达771.5℃,明显高于Mg_(17)Al_(12)(462℃)、MgZn(347℃)相的熔点。Mg-Sn合金作为新的系列的镁合金在国际已引起了重视,但总体上目前的工作都是刚刚展开,很多研究工作需要继续深入。 本文系统研究了铸态Mg-Sn二元合金的组织与性能,优化出了Sn的含量为5wt%,即Mg-5%Sn合金具有良好的综合性能:在此基础上,对Mg-5%Sn合金的固态时效过程及价电子结构进行了深入的研究,从电子层次上揭示了Mg-5%Sn合金相变机理;实验还考察了混合稀土元素Di对Mg-5%Sn合金组织与性能的影响。本研究达到了预期的研究目标,取得了一些具有理论价值和工程价值的创新性研究成果。获得了以下重要结论: 1、Mg-5%Sn合金的固溶过程为:α-Mg枝晶首先消失,同时共晶Mg_2Sn迅速溶解,此两个过程应该伴随着成分均匀化过程,少量较大尺寸的离异共晶Mg_2Sn溶解速度较慢,最后α-Mg发生类似再结晶的现象。 2、Mg-5%Sn合金脱溶时效过程为:晶界连续非均匀脱溶加晶内连续均匀脱溶。160℃~240℃可能的脱溶过程为SSSS→β′→β,而280℃脱溶过程为SSSS→β。 3.Mg-5%Sn合金脱溶时效过程中晶内沉淀相有盘片状、板条状两种形状。160℃时效720h,沉淀相与基体的位向关系是(110)_p∥(0001)_m,001_p∥11(?)0_m,与基体保持共格关系,含Sn为5-7at%,为贫溶质相;240℃时效16h,沉淀相与基体的位向关系是(111)_p∥(0001)_m,110_p∥11(?)0_m,其中板条相含Sn13.38at%,为贫溶质相,与基体保持半共格关系,盘片状沉淀相含Sn30.51at%,接近Mg_2Sn成分,与基体为非共格关系。 4.Mg-5%Sn合金脱溶时效过程中晶界上沉淀相形状为盘片状。160℃时效720h沉淀相与基体的位向关系是(110)_p∥(0001)_m,001_p∥11(?)0_m,与基体保持共格关系,含Sn为20.51at%,为贫溶质相,尺寸比晶内沉淀相略大:240℃时效16h沉淀相与基体的位向关系(111)_p∥(0001)_m,110_p∥11(?)0_m,与基体为非共格关系,含Sn为32.26at%,为平衡相,尺寸与晶内沉淀相相当。 5、Mg-5%Sn合金脱溶时效过程中,晶界两侧伴有无析出带(PFZ)出现。PFZ的宽度随时效时间的延长先增大后减小;时效温度对PFZ宽度的影响远大于时间的影响,提高时效温度使PFZ的宽度增加。在本实验条件下,PFZ的生成可能由溶质贫化机制导致。 6、利用EET理论建立了Mg-5%Sn二元合金固态时效过程中各相的价电子结构模型,计算表明亚稳相β′和平衡相β中共价键明显比合金基体的共价键要强。Mg_2Sn平衡相中最强键的键强稍高于亚稳相β′相中最强键的键强,因而平衡相β比亚稳相β′相稳定。亚稳相β′(111)面的界面与基体α-Mg(0001)面的面电荷密度连续,而稳态相β(Mg_2Sn)的界面的面电荷密度相差较大。这些计算结果有助于理解Mg-5%Sn合金时效过程中沉淀相的作用。 7、Mg-5%Sn合金加入钕镨混合稀土金属Di明显改善了合金的力学性能,尤其是高温强度和高温抗蠕变性能。Mg-5%Sn-2%Di合金室温的拉伸性能稍差于AE42合金,而在150℃、175℃条件下,拉伸性能超过了AE42合金。Mg-5%Sn-2%Di合金表现出优良的抗蠕变性能,在相同的实验条件下,其压蠕变速率明显小于AE42合金。可以合理地预测,Mg-Sn-RE合金是极具潜力的高温抗蠕变新型镁合金。


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