Mg-Zn-Al基鎂合金組織和性能的研究.pdf

1、鎂及鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、減震性好、電子屏蔽性能優(yōu)異及易回收等一系列的優(yōu)點，在汽車、電子、航空航天、國防軍工等領域具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。傳統(tǒng)的Mg-Al和Mg-Al-Zn系鎂合金，由于β-Mg17Al12相的存在使其高溫抗蠕變性能較差，工作溫度不能超過120℃，因此限制了這類合金在汽車、航空航天等工業(yè)中的進一步應用。一些稀土耐熱鎂合金由于鑄造性能差和生產(chǎn)成本較高，也不適合規(guī)?；a(chǎn)。因此，開發(fā)具有良好綜合性能

2、的低成本耐熱鎂合金，仍然是目前鎂合金研究領域的熱點。近來的研究報道，新型Mg-Zn-Al系鎂合金可滿足上述要求，有可能成為目前Mg-Al基合金的理想替代。
　　 本文以Mg-Zn-Al三元合金為研究對象，全面測試了各成分合金的室溫和高溫力學性能及抗蠕變性能。運用了光學金相分析（OM），等離子耦合光譜（ICP），X射線衍射分析（XRD），掃描電鏡（SEM），X射線能譜分析（EDX），透射電鏡（TEM）等多種現(xiàn)代分析和測試手段，系統(tǒng)

3、研究了不同Zn、Al含量對ZA系鎂合金顯微組織組成相的影響。同時，本文還以Mg-12Zn-4Al（ZA124）合金為基，通過堿土元素Ca和Sr微合金化技術，研究了元素含量對ZA基合金組織和力學性能的影響和作用機理。此外，根據(jù)經(jīng)驗蠕變理論，在一系列蠕變實驗結果的基礎上討論了Mg-Zn-Al-（Ca）基合金可能的蠕變機制。
　　 XRD衍射分析結果表明，鑄態(tài)實驗Mg-Zn-Al系三元合金中的化合物相主要有塊狀τ-Mg32（Al，Zn

4、）49相，致密層片狀ε-Mg51Zn20相、層片狀φ-Al2Mg5Zn2相及團絮狀β-Mg17Al12相等。低鋅鋁含量的Mg-（2～6 wt.％）Zn-（1～4 wt.％）Al合金中，ZA21合金屬單相固溶體。Zn/Al濃度比較大的ZA31、ZA61和ZA62合金的顯微組織主要由α-Mg基體相和致密層片狀ε相組成，而Zn/Al濃度比較小的ZA32和ZA64合金中，除了α-Mg基體相外，出現(xiàn)了塊狀τ相。在Al含量較高的ZA64合金組織中，

5、同時還有少量層片狀共晶φ相和沿晶界附近分布的團絮狀p相。高鋅鋁含量的Mg-（8～12wt.％）Zn-（2～6 wt.％）Al合金中，Zn/Al濃度比較大（Zn/Al=4～6）的ZA82、ZA102等合金的顯微組織由α-Mg、致密層片狀￡相和塊狀τ相組成。中等濃度比（Zn/Al=2～3）的ZA84，ZA104等合金顯微組織中的中間相則為沿晶界呈連續(xù)或半連續(xù)分布的塊狀τ相。Zn/Al濃度比較?。╖n/Al=1～2）的ZA86，ZA106等合

6、金顯微組織由塊狀τ相，層片狀φ相，還有一些依附于這些中間相附近呈團絮狀的β相組成。鑄態(tài)ZA124母合金中存在分布于枝晶界附近的塊狀準晶Q相，其成分與三元平衡相圖中τ相接近。經(jīng)T6處理后，Mg-Zn-Al合金鑄態(tài)組織中致密層片狀￡相與層片狀φ相組織的共晶形貌特征逐漸消失，β相溶入基體，塊狀τ相形態(tài)變化相對較小，部分合金中τ相仍然保持了鑄態(tài)下的網(wǎng)狀連續(xù)分布。
　　 Ca加入ZA124母合金后，組織中形成了沿枝晶界分布的層片狀含Ca共

7、晶φ相和三元塊狀τ相。Ca元素主要溶入了晶界化合物相中，提高了中間相的熱穩(wěn)定性。Sr加入后合金中不僅出現(xiàn)了含Sr的塊狀τ相，同時形成了沿枝晶界分布的致密層片狀ε相。堿土元素Sr主要分布在塊狀相中或塊狀相與基體交界處，幾乎不溶于基體相和ε相。含Sr合金中加入一定量Ca后，合金中形成了魚骨層片狀（）相，且隨著Ca的加入量增加，合金組織中致密層片狀ε相減少。
　　 對于低鋅鋁Mg-（2～6 wt.％）Zn-（1～4 wt.％）Al合金

8、，鑄態(tài)下合金的抗拉強度和屈服強度隨元素含量的增加而逐漸提高，但塑性顯著降低，其中以ZA64合金的抗拉強度最高。高溫下，各合金抗拉強度均顯著下降。與低鋅鋁合金相比，高鋅鋁含量Mg-（8～12 wt.％）Zn-（2～6 wt.％）Al合金的屈服強度明顯增加，而抗拉強度和延伸率有所下降。元素含量的變化對高鋅鋁含量合金的強度影響較小，合金抗拉強度和屈服強度隨溫度下降的幅度也較小。
　　 鑄態(tài)ZA系鎂合金主要的斷裂方式有解理斷裂、準解理斷

9、裂和沿晶斷裂。塑性較好的合金（ZA31等）表現(xiàn)為穿品解理斷裂的特征。斷口形貌主要是通過解理臺階與撕裂棱而形成的發(fā)達的河流花樣以及較多的微型韌窩。塑性略低的合金（如ZA62），解理刻面較小，撕裂棱和韌窩形貌不明顯。元素較多的合金（如ZA84）表現(xiàn)為既有穿晶斷裂又有沿晶斷裂的特征。斷口形貌上有少量細小而雜亂的解理刻面并伴有少量二次裂紋。元素含量更多的合金（ZA124），整個斷口呈現(xiàn)沿品斷裂的特征，枝晶界附近二次裂紋明顯。
　　 室溫

10、下，ZA124合金中隨Ca加入量的增加，抗拉強度和延伸率逐漸下降，然而Sr含量增加，合金抗拉強度呈先上升后下降的趨勢，屈服強度略有下降，合金延伸率變化較小。隨Ca含量增加，ZA124合金在200℃下高溫屈服強度逐漸增大，塑性逐漸減小，而隨Sr加入量增加合金抗拉強度及屈服強度顯著上升。過量Sr的加入，導致合金強度下降。與鑄態(tài)合金相比，T6態(tài)下的幾種實驗合金強度均顯著增加，但塑性更低。
　　 高鋅鋁含量合金中的Zn/Al濃度比對合金

11、的抗蠕變性能有顯著的影響。Zn/Al濃度比比值在2～3左右時，合金的抗蠕變性能較好，低于或高于該比值范圍，合金的高溫抗蠕變性能下降。合金中Zn、Al元素總量對合金高溫蠕變性能的影響規(guī)律卻不明顯。實驗合金中中間相的組成、形貌及分布對蠕變性能具有不同的影響。顯微組織中出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀分布的塊狀組織相的ZA124合金顯示出了最好的蠕變抗力。改變Zn，Al元素含量，合金中出現(xiàn)ε共晶相，φ共晶相以及β-Mg17Al12等中間相時，合金（如ZA122、

12、ZA106和ZA126等）抗蠕變性能則明顯下降。
　　 在175℃/70 MPa和200℃/70 MPa條件下的蠕變實驗（100 h）表明，堿土元素Ca和Sr的加入對合金ZA124的高溫抗蠕變性能產(chǎn)生了截然不同的影響。少量堿土Ca的加入使母合金的蠕變抗力大幅提高，而Sr的加入使母合金的蠕變抗力顯著下降。Ca提高了合金晶界的強度和穩(wěn)定性，促進形成了新的熱穩(wěn)定性很高的中間相，晶界處形成含Ca的α-Mg+φ共晶相有效限制了蠕變裂紋的生

13、長和擴展，抑制了蠕變中的晶界滑移。低熔點易分解的ε-Mg51Zn20相的出現(xiàn)是含Sr合金高溫抗蠕變性能降低的主要原因。
　　 在175℃，200℃/（30～80）Mpa試驗條件下，實驗ZA124、ZAX12402和ZAX12406幾種合金應力指數(shù)n值在2～3范圍內(nèi)。根據(jù)n值對蠕變機理的推斷，合金處于晶界滑移蠕變范圍。根據(jù)Power-law方程對本文的幾種Mg-Zn-Al-（Ca）基鎂合金的蠕變激活能（Q）計算顯示，70 Mpa/

14、（150～200）℃實驗條件下，ZAX12402合金Q值為72.9 kJ/mol。溫度低于175℃，ZA124和ZAX12406合金Q值分別為為81.2 kJ/mol和40.6 kJ/mol，蠕變受晶界滑移機制控制；溫度高于175℃時，ZA124和ZAX12406合金的蠕變激活能分別上升至150.1 kJ/mol和134.2 kJ/mol，接近于鎂的自擴散激活能。根據(jù)經(jīng)驗蠕變理論中n和Q判據(jù)并結合蠕變試樣微觀分析，本文研究的Mg-Zn-