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镁合金是目前广泛应用的工程结构材料中密度最小、比强度最高的金属材料,在航空工业、汽车工业和电子通讯工业中具有巨大的应用潜力。但是,镁合金由于绝对强度低、变形能力弱以及耐腐蚀性能差等因为,至今末得到大规模应用。镁合金的成分设计,作为镁合金发展的基础工艺,可以为镁合金的后续处理及加工提供良好的基础,促进镁合金的快速发展。因此设计具有良好的综合性能的新型镁合会非常有必要。本文重点研究Mg-Sn-Zn(Al)系镁合金在铸态、热处理以及变形状态下的组织、力学性能和断裂行为,为研制新型高性能镁合会提供实验和理论依据。
首先明确了Mg-Sn二元系中Mg-7Sn合金的凝固过程及凝固组织。Mg-7Sn合金凝固组织由α-Mg基体、(Mg+Mg2Sn)共晶与离异共晶相Mg2Sn以及二次析出相Mg2Sn组成,Sn在枝晶间明显偏析。在本文实验条件下,Mg-7Sn合金的凝固序列为:L→L1+初生相(α-Mg)→α-Mg+离异共晶(Mg2Sn)+共晶(Mg+Mg2Sn)→α-Mg+离异共晶(Mg2Sn)+共晶(Mg+Mg2Sn)+二次析出相(Mg2Sn)。
实验考察了Mg-xSn-5Zn系列合金的凝固组织和力学性能。其中,Mg-5Sn-5Zn(TZ55)合金凝固组织由基体α-Mg、网格状(Mg+MgZn)共晶组织与离异共晶相Mg2Sn以及二次析出Mg2Sn相组成。离异共晶Mg2Sn主要分布在晶界处,其中一部分与网格状(Mg+MgZn)共晶连接生长,另外一部分单独分布。二次析出Mg2Sn相依附于MgZn相或者离异共晶相Mg2Sn析出,或者在晶粒内部析出。TZ55铸态合金的室温抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别为236.5MPa、90.5MPa与12.7％；150℃抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别为141.3MPa、75.8MPa与39.2％,表现出优异的塑性。
考察了Mg-Sn-Al系列合金的凝固组织和力学性能。其中,Mg-4Sn-5Al(TA45)合金凝固组织由枝晶α-Mg、层片状共晶与离异共晶(Mg+β-Mg17Al12)、离异共晶相Mg2Sn以及二次析出Mg2Sn相组成。离异共晶Mg2Sn主要分布在晶界处,其中一部分与层片状(Mg+β-Mg17Al12)共晶或者离异共晶Mg17Al12连接生长,另外一部分单独分布。二次析出Mg2Sn相依附于离异共晶Mg17Al12相或者离异共晶相Mg2Sn析出,或者在晶粒内部析出。TA45合会性能最优,室温抗拉强度、屈服强度与延伸率分别为242.5MPa、102.4MPa与14.4％,150℃抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别为167.0MPa、87.0MPa与22.0％。
分别对TZ55合金与TA45合金进行了不同条件下的固溶与时效处理。固溶处理后两种铸态合金组织中的MgZn相或者β-Mg17Al12相以及大部分Mg2Sn相被固溶到基体中,组织中只残余少量的不规则的Mg2Sn相,同时合金元素分布均匀,微观偏析消除。固溶处理显著提高了合金的抗拉强度与延伸率,与铸态相比,TZ55合金的室温抗拉强度与延伸率提高到270.1MPa与20.0％,TA415合会的室温抗拉强度与延伸率提高到260.1MPa与17.0％,但屈服强度有所降低。经过时效处理,TZ55合金的室温抗拉强度与屈服强度分别进一步提高到291.6MPa与183.3MPa,合金的延伸率则降低到10.5％；TA45合金室温抗拉强度与屈服强度分别进一步提高到282.6MPa与163.7MPa,延伸率降低到8.2％。
分别对TZ55合金与TA45合金进行了热挤压以及挤压后时效处理。合金挤压变形后,组织中形成了挤压纤维织构,合金晶粒明显细化,力学性能显著提高。TZ55与TA45合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到了294.2MPa、188.2MPa、20.0％与283.9MPa、187.7MPa、20.0％。经时效处理后,晶粒内部及晶界上析出大量细小弥散析出相,品界存在的细小和均匀分布的弥散析出相阻碍晶界滑移而使合金性能提高。时效后TZ55与TA45合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到了329.3MPa、294.7MPa、8.8％与288.9MPa、195.8MPa、16.0％。
Sr可以明显细化TZ55与TA45,以及AZ91D、AZ80、AS31等镁合会晶粒,Sr的细化晶粒作用主要是由于Sr在凝固过程中在固-液界面前沿富集,从而阻碍初生相生长导致的。添加Sr后由于镁合金凝固组织的改善导致TZ55、TA45等镁合金的力学性能提高。