Mg-7Sn合金应力时效行为与增强机理

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:HuSiYou
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镁合金高温强度低、室温塑性差等问题限制了其在航空航天、汽车以及工业领域的应用。析出强化是镁合金的主要强化方式。Mg-Sn合金因在共晶温度下Sn在镁基体中具有较高的固溶度,且其随温度的降低而显著减小,同时析出的Mg2Sn相具有较高的热稳定性,因此,该合金是一种十分有潜力的耐热镁合金。然而,Mg-Sn合金时效硬化行为弱制约了它的发展和应用。利用合金化和机械热处理的方法,调控合金析出相的大小,形貌,数量,分布及析出取向,可有效提高合金的时效硬化行为,缩短峰值时效时间。因此,本文利用Zn,Y合金化及应力时效处理,研究了Mg-7Sn合金的显微组织演变和力学性能,探讨了合金在时效过程中相的析出行为及增强机理。时效峰值态Mg-7Sn合金的组织主要由α-Mg和Mg2Sn相组成。Zn添加促进了Mg2Sn相的大量析出并均匀弥散分布,细化了Mg2Sn相的尺寸,促使了Mg2Sn相的非基面析出,增强了合金的时效硬化能力,合金的时效峰值硬度从64.6 HV增大到69.7 HV,峰值时效时间从166 h缩短至142 h。Zn和Y元素共同添加形成了针状MgSnY相,降低了Sn在镁基体中的浓度,虽然有效缩短了合金的时效峰值时间(166 h缩短至120 h),但合金的峰值硬度略有降低,其值为62.9 HV。拉伸测试结果表明,Mg-7Sn-1Zn合金具有最佳的力学性能,该合金的最大抗拉强度(σb),屈服强度(σ0.2)和断裂延伸率(εf)分别为194.5 MPa,81.2 MPa和20.1%,合金高的力学性能主要是高体积分数细小Mg2Sn相的析出强化。与等温(160℃)时效合金相比,在40 MPa和80 MPa的应力时效作用下,时效峰值合金的晶粒尺寸几乎不变,孪晶和Mg2Sn相的数量随应力的增大而增加。80 MPa应力时效峰值合金中大部分Mg2Sn相位于基面,而少量的相位于非基面,析出相形貌有板状和棒状,平均长度分别为30 nm和50 nm,两种形貌的Mg2Sn相与α-Mg的取向关系均为[1(?)1]β//[11(?)0]α和[101]β//[0001]α。应力时效促进了Mg2Sn相的形核,提高了Mg2Sn相的体积分数,减小了Mg2Sn相的尺寸。此外,应力时效促进非基面析出相的形成。合金的峰值硬度从64.6 HV增大至68.4 HV,增幅5.9%,峰值时间也从166 h缩短至96 h。拉伸实验结果表明,80 MPa下峰值合金显示了最高的力学性能,其?σb、?σ0.2和εf分别为217.2 MPa、163.6 MPa和8.5%,合金力学性能的提高主要是由于Mg2Sn相的析出强化和孪晶界强化,其对合金?σ0.2的贡献分别为112.7 MPa和22.5 MPa。与40 MPa低温应力时效(160℃)相比,高温应力时效(220℃)合金中板状和棒状Mg2Sn相的尺寸(80~150 nm)和体积分数(~3.6%)略微减小,值得注意的是,在这两个形貌相的界面处析出了纳米级的Mg2Sn相,平均尺寸为20~40 nm,该相与α-Mg的取向关系为[(?)12]β//[11(?)0]α,[(?)1(?)]β//[0001]α,同时有少量的Mg2Sn相在非基面析出。长时间(>12 h)的高温时效导致析出相长大,并在晶界呈现不连续分布。合金在12 h处出现峰值,峰值硬度为72.3 HV,至96 h合金的硬度几乎保持不变。合金长时间(12 h~96 h)保持峰值硬度的主要原因是大量细小且热稳定性高的Mg2Sn相的析出强化。在高温应力峰值处合金的?σb、?σ0.2和εf分别为234.9 MPa、170.4 MPa和12.7%,析出强化对合金?σ0.2的贡献为118.8 MPa。
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