基于合金化改善鎂合金強(qiáng)-韌性的研究.pdf

1、針對當(dāng)前鎂合金力學(xué)性能不能滿足應(yīng)用需求，可用合金選擇性少，以及稀土系鎂合金成本高的問題，本文探索新的鎂合金強(qiáng)/韌化設(shè)計(jì)新思路，期望通過尋找新的合金元素開發(fā)出具有高強(qiáng)/高韌性能的新型鎂合金。
　　 作者總結(jié)了24種合金元素的原子信息，提出鎂合金強(qiáng)/韌化設(shè)計(jì)思路：
　　 1.在鎂合金中添加難溶性合金元素，生成具有高熔點(diǎn)高硬度金屬間化合物，提高鎂合金孿生變形的臨界剪切應(yīng)力，阻礙變形過程中的晶界滑移提高強(qiáng)度。根據(jù)相圖和原子信息，

2、選擇Sb和Ge元素驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的可行性。
　　 2.從材料設(shè)計(jì)的角度分析鎂合金的強(qiáng)韌化問題，根據(jù)原子團(tuán)簇理論和金屬鍵強(qiáng)弱的影響因素，選擇Ga元素進(jìn)行合金化，開發(fā)Mg-Ga系鎂合金。
　　 合金熔煉與制備采用金屬模鑄造法，分別進(jìn)行了鑄態(tài)Mg-Sb二元合金中α-Mg3Sb2相形態(tài)變化的研究，AZ31 Sb合金化后α-Mg3Sb2相的形態(tài)及其對合金顯微組織和性能影響的研究；鑄態(tài)Mg-Ge二元合金中Mg2Ge相的形態(tài)及其對合金顯

3、微組織與性能研究，鑄態(tài)AZ31 Ge合金化Mg2Ge形態(tài)對合金顯微組織與性能影響的研究，A1和Zn對Mg2Ge金屬間化合物形貌的影響；Mg-Ga二元合金顯微組織與性能的研究和Mg-xGa-3Al-lZn系合金顯微組織與性能的研究。
　　 Sb合金化結(jié)果表明：由于存在較大的電負(fù)數(shù)差，Sb元素與Mg元素之間具有較強(qiáng)的結(jié)合力，兩種原子相遇會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成固溶有Mg的離子晶體α-Mg3Sb2。在熔煉Mg-10(wt.％)Sb合金時，

4、熔體中形成大量α-Mg3Sb2，其較大的密度導(dǎo)致熔體分層，得到成分相差較大的Mg-9(wt.％)Sb和Mg-13(wt.％)Sb雙層合金鑄錠。因此鎂合金中只能添加少量的Sb。a-Mg3Sb2金屬間化合物在Mg-9(wt.％)Sb合金中有針棒狀和矩形塊狀兩種形態(tài)，在Mg-13(wt.％)Sb中呈矩形塊狀。A231進(jìn)行Sb合金化時發(fā)現(xiàn)，Sb對合金沒有晶粒細(xì)化作用；α-Mg3Sb2析出相在鑄態(tài)A231中呈針棒狀，均勻分布在基體內(nèi)。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、表明，少量的針棒狀α-Mg3Sb2析出相的存在對鎂合金抗拉強(qiáng)度影響不大，隨著該析出相體積分?jǐn)?shù)的增加，抗拉強(qiáng)度略有下降，但仍然具有較高的韌性。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上觀察到了晶粒發(fā)生孿生變形時產(chǎn)生的應(yīng)力釋放現(xiàn)象。
　　 Ge合金化結(jié)果表明：Ge對鎂及鎂合金有晶粒細(xì)化作用，析出相Mg2Ge的形態(tài)受合金元素影響很大，析出相的形態(tài)影響合金的拉伸性能。在Mg-Ge二元合金中，析出相Mg2Ge呈針棒狀，形成(a-Mg+Mg2Ge)共晶分布在晶界上

6、，對鎂有強(qiáng)化作用。鑄態(tài)A231中Mg2Ge相呈漢字狀，不利于合金力學(xué)性能。Mg-Zn-Ge和Mg-3Al-Ge顯微組織表明，A1和Zn對Mg2Ge相從針棒狀向漢字狀轉(zhuǎn)變都有影響。因此，控制析出相Mg2Ge的形態(tài)成為Ge改善鎂合金強(qiáng)韌性的關(guān)鍵。
　　 Mg-Ga二元合金實(shí)驗(yàn)表明：固溶的Ga元素可以顯著降低α-Mg晶格常數(shù)和平均原子間距，Ga還可以有效的細(xì)化鎂合金晶粒，顯著提高純鎂的韌性、屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度。Mg5Ga2析出相在

7、鑄態(tài)組織中的形態(tài)和分布與Ga含量有關(guān)，Ga含量較低時，M95Ga2析出相呈顆粒狀均勻分布在基體內(nèi)；Ga含量較高時，一部分M95Ga2析出相呈塊狀或孤島狀分布在晶界處。固溶處理可以有效提高Ga在Mg中的固溶度，時效處理可使合金中析出直徑小于100 nm的針棒狀Mg5Ga2，該析出相最先從晶界處析出，隨著時效時間的延長逐漸向晶內(nèi)擴(kuò)展，合金的屈服強(qiáng)度也隨時效時間的延長而逐漸增加。
　　 Mg-xGa-3Al-1Zn系合金的研究結(jié)果表明

8、：Ga細(xì)化了合金的晶粒，M95Ga2析出相的形態(tài)和分布規(guī)律與Mg-Ga二元合金相似。固溶處理后Mg5Ga2析出相顯著減少，合金韌性較好，Mg-4.5Ga-3Al-lZn合金的延伸率達(dá)到11.7％。時效處理效果與Mg-Ga二元合金基本相同，Mg-4.5Ga-3Al-lZn合金的極限拉伸強(qiáng)度最高達(dá)到207 MPa。Al和Zn元素可以加速M(fèi)g5Ga2強(qiáng)化相的析出。
　　 Ga合金化研究結(jié)果證實(shí)，根據(jù)團(tuán)簇理論和增強(qiáng)原子結(jié)合力的設(shè)計(jì)思想，

9、尋找新的能夠提高鎂合金強(qiáng)度/韌性的合金元素的思路可行，Mg-Ga系鎂合金具有開發(fā)成為新型高強(qiáng)鎂合金的潛力。
　　 最后，作者還通過對Ga、Al、Zn. Mn、Li、Sn、Si、Sb和Ge等非稀土系元素的特征進(jìn)行綜合分析，總結(jié)出可以強(qiáng)/韌化鎂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鎂基體中；
　　 (2)合金元素的原子半徑都小于Mg原子半徑；
　　 (3)合金元素的化合價應(yīng)盡