Mg-Al-Sr-Ca耐熱鎂合金組織、性能及其蠕變行為的研究.pdf

1、開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉，性能優(yōu)良的耐熱鎂合金，使鎂合金能夠應(yīng)用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)零部件，已經(jīng)成為急需解決的重要課題。含有Ca、Sr的Mg-Al-堿土系合金是非常有發(fā)展前途的低成本抗蠕變鎂合金。 本文以Mg-5Al-0.3Mn(AM50)合金為基礎(chǔ)，通過(guò)合金化，研究了重力鑄造Mg-Al-Sr-(Ti)合金的組織結(jié)構(gòu)、室溫和高溫力學(xué)性能、高溫拉伸蠕變機(jī)制和蠕變斷裂行為。研究了壓鑄Mg-Al-Sr-(Ti)合金的組織結(jié)構(gòu)、流動(dòng)性和力學(xué)性能及不同制備

2、工藝下Mg-Al-Sr合金的拉伸和壓縮蠕變行為和蠕變過(guò)程中的組織演化。并在研究壓鑄Mg-Al-Ca系合金組織和性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了賽車用汽缸套的工業(yè)試驗(yàn)。研究目的是為汽車用低成本耐熱鎂合金的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。 對(duì)重力鑄造Mg-Al-Sr合金組織和性能的研究發(fā)現(xiàn)，微量Sr加入到重力鑄造AM50合金中，大部分Sr原子都溶入Mg17Al12顆粒中，沒(méi)有在組織中形成新相，并且細(xì)化了合金的組織，尤其細(xì)化了合金的第二相。加入0.1

3、wt％Sr后，由于Mg17Al12顆粒的變質(zhì)及熱穩(wěn)定的增加，使合金的常溫，高溫強(qiáng)度及其抗蠕變性能明顯得到提高。當(dāng)Sr加入量超過(guò)0.4％后，鑄態(tài)組織中出現(xiàn)了層片狀的Al4Sr相，抑制了Mg-5Al合金組織中Mg17Al12的生成，提高了合金在高溫的強(qiáng)度和抗蠕變性能。與基體Mg-5Al合金相比，Mg-5Al-1Sr合金的穩(wěn)態(tài)拉伸蠕變速率降低了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 研究Ti對(duì)重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金組織和性能的影響表明，雖然1wt％

4、Sr的加入降低了AM50合金的室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率，復(fù)合加入Ti可以改善合金由于Sr加入后導(dǎo)致室溫塑性的降低，并且進(jìn)一步提高了合金的高溫強(qiáng)度，這歸因于晶界Al4Sr的形態(tài)從粗大的層片狀轉(zhuǎn)變成為細(xì)球狀或短條狀。Ti對(duì)于合金抗拉伸蠕變性能的影響與蠕變溫度有關(guān)，在蠕變溫度低于150℃，Ti的加入會(huì)略微提高M(jìn)g-5Al-1Sr合金的抗蠕變性能。蠕變溫度高于150℃，Ti的加入會(huì)降低Mg-5Al-1Sr合金的抗蠕變性能。 本文利用電子理論

5、計(jì)算并分析了AM50合金中的Mg17Al12相、Mg-5Al-0.1Sr合金中溶入Sr的Mg17Al12相和Mg-5Al-1Sr合金中的Al4Sr相的價(jià)電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，Mg17Al12晶體的鍵結(jié)構(gòu)不均勻?qū)е碌摹盁釕?yīng)力集中”是熱穩(wěn)定性不高的主要原因。溶入Sr會(huì)提高M(jìn)g17Al12相的熱穩(wěn)定性，降低Mg17Al12相的可變形性，從而可以提高合金的抗蠕變性能。與Mg17Al12相比，Al4Sr的主鍵絡(luò)并不需要第三強(qiáng)鍵Sr-Al鍵的連接就能

6、形成完整的網(wǎng)格，而且最強(qiáng)的兩個(gè)DAlAl鍵的價(jià)電子數(shù)差別不大，因此其主鍵結(jié)構(gòu)非常均勻，這是Al4Sr具有較高的熱穩(wěn)定性的本質(zhì)原因。 對(duì)壓鑄Mg-Al-Sr-(Ti)合金的研究表明，即使在冷卻速度較快的壓鑄工藝中，Sr和Ti的微合金化依然對(duì)于組織有細(xì)化作用。與重力鑄造合金類似，1wt％Sr依然會(huì)抑制Mg-Al基壓鑄合金中Mg17Al12相的形成。雖然冷卻速度會(huì)影響Mg-Al-Sr合金中相的組成，但是壓鑄合金中主要的第二相及其Sr元

7、素對(duì)于力學(xué)性能的影響規(guī)律基本與重力鑄造合金的結(jié)果一致。 壓鑄鎂合金的常溫屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力鑄造合金的屈服強(qiáng)度。壓鑄合金強(qiáng)度的提高來(lái)源于兩方面：一是晶粒細(xì)化，二是第二相的細(xì)化和體積百分比的增加。此外，壓鑄件表面的細(xì)晶層對(duì)于壓鑄件合金的強(qiáng)度有至關(guān)重要的作用。 對(duì)壓鑄鎂合金的流動(dòng)性的研究表明，與重力鑄造工藝類似，壓鑄工藝中合金的流動(dòng)依然可以劃分為過(guò)熱流動(dòng)和零過(guò)熱流動(dòng)兩個(gè)階段。與重力鑄造相比，壓鑄工藝中的臨界凝固分?jǐn)?shù)較高，而澆

8、注溫度較低，這導(dǎo)致了合金在壓鑄工藝中第二階段的流動(dòng)長(zhǎng)度(Lf(ΔT=0))占流動(dòng)總長(zhǎng)度的百分率要比重力鑄造工藝中的高很多。 蠕變激活能和應(yīng)力指數(shù)的計(jì)算表明，重力鑄造Mg-5Al-0.1Sr合金和Mg-5Al-1Sr合金的拉伸蠕變機(jī)制是不同的。重力鑄造Mg-5Al-0.1Sr合金在175℃低應(yīng)力(＜70MPa)是位錯(cuò)攀移控制蠕變穩(wěn)態(tài)速率，在70MPa低溫(＜175℃)下晶界擴(kuò)散伴隨的晶界滑移是主要的蠕變機(jī)制。而重力鑄造Mg-5Al

9、-1Sr合金在低溫(＜175℃)和低應(yīng)力(＜70MPa)下的蠕變由晶界附近的組織穩(wěn)定性及其蠕變析出的Mg17Al12相的形成和生長(zhǎng)控制。Mg-5Al-1Sr合金中存在顆粒(例如Al4Sr)的強(qiáng)化作用是其與Mg-5Al-0.1Sr合金具有不同的拉伸蠕變機(jī)制的主要原因。 對(duì)Mg-Al-Sr合金的高溫拉伸蠕變斷裂行為的研究表明，晶界滑移和分解切應(yīng)力是AM50蠕變空洞形核和生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，而約束擴(kuò)散生長(zhǎng)機(jī)制是Mg-5Al-1sr鎂合金的空

10、洞生長(zhǎng)機(jī)制。合金蠕變斷裂行為的不同主要由晶界上存在不同強(qiáng)化顆粒相Al4Sr和：Mg17Al12導(dǎo)致的。 對(duì)壓鑄和重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金的拉伸和壓縮蠕變行為的研究表明，壓鑄Mg-5Al-1Sr合金的壓縮穩(wěn)態(tài)蠕變速率同拉伸穩(wěn)態(tài)蠕變速率差別不大，表明其在蠕變中具有較好的拉壓對(duì)稱性。壓鑄Mg-5Al-1Sr合金的蠕變由空位擴(kuò)散伴隨的攀移控制，并沒(méi)有隨著應(yīng)力方式的變化而變化。而重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金的壓縮蠕變的穩(wěn)態(tài)蠕變

11、速率基本上要比拉伸蠕變低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明其在蠕變中具有明顯的拉壓不對(duì)稱性，這主要是由于重力鑄造Mg-5Al-1Sr合金的壓縮蠕變機(jī)制和拉伸蠕變不同造成的。壓縮蠕變中存在位錯(cuò)強(qiáng)化是重力鑄造Mg-5Al-1sr合金的壓縮穩(wěn)態(tài)蠕變速率低的主要原因。 對(duì)合金在蠕變過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)演化的研究表明，Mg-5Al-1Sr合金不但在高溫高應(yīng)力(175℃/85MPa)蠕變中，而且在高溫低應(yīng)力(175℃/50MPa)蠕變中，尤其在重力鑄造合金中會(huì)產(chǎn)

12、生大量的形變孿晶，位錯(cuò)在晶界Al4Sr相前的塞積導(dǎo)致的應(yīng)力集中是高溫低應(yīng)力蠕變中孿晶形核的動(dòng)力。Mg-5Al-1Sr合金在175℃/50MPa拉伸和壓縮蠕變中形成的孿晶主要是{1012}孿晶，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn){1011}孿晶，驗(yàn)證了在多晶體鎂中，孿晶的類型與外加應(yīng)力的方向之間沒(méi)有關(guān)系。在蠕變過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了孿晶與析出相存在交互作用，并通過(guò)計(jì)算證明了這種交互作用會(huì)導(dǎo)致Mg-5Al-1Sr合金中的Mg17Al12動(dòng)力學(xué)析出從(0001)慣習(xí)面轉(zhuǎn)變?yōu)?

13、1010)慣習(xí)面，從而可以阻礙基面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高合金的抗蠕變性能。 在研究壓鑄Mg-Al-Ca-(Ti)合金的組織、力學(xué)性能和流動(dòng)性的基礎(chǔ)上，采用具有良好的抗蠕變性能和流動(dòng)性的AC51T合金進(jìn)行了賽車用汽缸套的工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，AC51T比AXJ530耐熱鎂合金具有更好的壓鑄工藝性能，Ti的加入可以減輕Mg-Al-Ca合金的熱裂和粘模程度，在冷室壓鑄條件下成功生產(chǎn)出合格的賽車用汽缸套，為壓鑄耐熱鎂合金的產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)提供實(shí)踐依據(jù)。