Mg-5wt％Sn合金固溶時效機理和價電子結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、在鎂合金系列中，運用最廣泛的是Al作為主要合金元素的鎂合金。然而現(xiàn)有的商業(yè)用合金(如AZ系列、AM系列)在很多零件上不能應(yīng)用，如引擎、變速箱等，因為常用的Mg-Al系合金都要受到其低于120℃的服役溫度的使用限制，這根源于Al<,12>Mg<,17>相在高溫下會發(fā)生軟化，使得其蠕變性能很差。近幾年隨著鎂的開發(fā)熱潮，由于工業(yè)特別是交通業(yè)的需求，迫切需要人們開發(fā)出新的系列的鎂合金，這種鎂合金須具有良好的力學(xué)性能，在高溫下有穩(wěn)定的顯微結(jié)構(gòu)，以

2、及良好的鑄造性能，而且成本要相對低廉。Mg-Sn合金較好地滿足了這些要求：相對于常用的Mg-Al、Mg-Zn等鎂合金，Mg-Sn二元合金凝固區(qū)間小，其最大的液固溫度范圍是67℃，這與Mg-Al、Mg-Zn合金最大的液固溫度范圍136℃、283℃相比要窄得多，因此Mg-Sn合金在凝固過程中形成的諸如疏松和熱裂等鑄造缺陷少；Sn在Mg中的固溶度從在共晶形成溫度561℃的14.85wt％到200℃的0.45wt％，如此大的固溶度的變化范圍，為

3、后續(xù)的時效強化提供了很大的空間；析出相Mg<,2>Sn(FCC晶體結(jié)構(gòu),a=0.676nm，空間群m3m)的熔點高達771.5℃，明顯高于Mg<,17>Al<,12>(462℃)、MgZn(347℃)相的熔點。Mg-Sn合金作為新的系列的鎂合金在國際已引起了重視，但總體上目前的工作都是剛剛展開，很多研究工作需要繼續(xù)深入。 本文系統(tǒng)研究了鑄態(tài)Mg-Sn二元合金的組織與性能，優(yōu)化出了Sn的含量為5wt％，即Mg-5％Sn合金具有良好

4、的綜合性能；在此基礎(chǔ)上，對Mg-5％Sn合金的固態(tài)時效過程及價電子結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，從電子層次上揭示了Mg-5％Sn合金相變機理；實驗還考察了混合稀土元素Di對Mg-5％Sn合金組織號性能的影響。本研究達到了預(yù)期的研究目標，取得了一些具有理論價值和工程價值的創(chuàng)新性研究成果。獲得了以下重要結(jié)論： 1、Mg-5％Sn合金的固溶過程為：α-Mg枝晶首先消失，同時共晶Mg<,2>Sn迅速溶解，此兩個過程應(yīng)該伴隨著成分均勻化過程，少量

5、較大尺寸的離異共晶Mg<,2>Sn溶解速度較慢，最后α-Mg發(fā)生類似再結(jié)晶的現(xiàn)象。 2、Mg-5％Sn合金脫溶時效過程為：晶界連續(xù)非均勻脫溶加晶內(nèi)連續(xù)均勻脫溶。160℃～240℃可能的脫溶過程為SSSS→β'→β，而280℃脫溶過程為SSSS→β。 3.Mg-5％Sn合金脫溶時效過程中晶內(nèi)沉淀相有盤片狀、板條狀兩種形狀。160℃時效720h，沉淀相與基體的位向關(guān)系是(110)<,p>//(0001)<,m>，<001><

6、,p>//<1120>m，與基體保持共格關(guān)系，含Sn為5-7at％，為貧溶質(zhì)相；240℃時效16h，沉淀相與基體的位向關(guān)系是(111)<,p>//(0001)<,m>，<110><,p>//<1120><,m>，其中板條相含Sn13.38at％，為貧溶質(zhì)相，與基體保持半共格關(guān)系，盤片狀沉淀相含Sn30.51at％，接近Mg<,2>Sn成分，與基體為非共格關(guān)系。 4.Mg-5％Sn合金脫溶時效過程中晶界上沉淀相形狀為盤片狀。160

7、℃時效720h沉淀相與基體的位向關(guān)系是(110)<,p>//(0001)<,m>，<001><,p>//<1120><,m>，與基體保持共格關(guān)系，含Sn為20.51at％，為貧溶質(zhì)相，尺寸比晶內(nèi)沉淀相略大；240℃時效16h沉淀相與基體的位向關(guān)系(111)<,p>//(0001)<,m>，<110><,p>//<1120><,m>，與基體為非共格關(guān)系，含Sn為32.26at％，為平衡相，尺寸與晶內(nèi)沉淀相相當。 5、Mg-5％Sn

8、合金脫溶時效過程中，晶界兩側(cè)伴有無析出帶(PFZ)出現(xiàn)。PFZ的寬度隨時效時間的延長先增大后減??；時效溫度對PFZ寬度的影響遠大于時間的影響，提高時效溫度使PFZ的寬度增加。在本實驗條件下，PFZ的生成可能由溶質(zhì)貧化機制導(dǎo)致。 6、利用EET理論建立了Mg-5％Sn二元合金固態(tài)時效過程中各相的價電子結(jié)構(gòu)模型，計算表明亞穩(wěn)相β'和平衡相β中共價鍵明顯比合金基體的共價鍵要強。Mg<,2>Sn平衡相中最強鍵的鍵強稍高于亞穩(wěn)相β'相中最

9、強鍵的鍵強，因而平衡相β比亞穩(wěn)相β'相穩(wěn)定。亞穩(wěn)相β'(111)面的界面與基體α-Mg(0001)面的面電荷密度連續(xù)，而穩(wěn)態(tài)相β(Mg<,2>Sn)的界面的面電荷密度相差較大。這些計算結(jié)果有助于理解Mg-5％Sn合金時效過程中沉淀相的作用。 7、Mg-5％Sn合金加入釹鐠混合稀土金屬Di明顯改善了合金的力學(xué)性能，尤其是高溫強度和高溫抗蠕變性能。Mg-5％Sn-2％Di合金室溫的拉伸性能稍差于AE42合金，而在150℃、175℃條