發(fā)布時(shí)間：2017-12-19 11:52

  本文關(guān)鍵詞：Mg-Mn-Zn系鎂合金組織與性能研究　出處：《北京有色金屬研究總院》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：Mg-Mn合金是一種不可熱處理強(qiáng)化的合金,鑄造晶粒尺寸粗大,塑性變形能力差,難以獲得均勻變形組織,且變形開(kāi)裂傾向嚴(yán)重。如果通過(guò)添加微量第三組元,改善合金的成形性,使合金的性能得到顯著提升,將可以發(fā)掘合金的潛在優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步推進(jìn)Mg-Mn合金的發(fā)展。本文以MlA(Mg-1.2～2.0wt.%Mn)合金為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)和制備了不同Zn含量的Mg-Mn-Zn系中強(qiáng)鎂合金,借助第一性原理計(jì)算方法,從原理上對(duì)Mn在鎂中固溶強(qiáng)化的影響進(jìn)行了解釋,利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射分析等分析手段對(duì)合金的微觀組織特征進(jìn)行了觀察,通過(guò)室溫拉伸試驗(yàn)、電化學(xué)測(cè)試、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析等方法對(duì)合金的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、阻尼性能等進(jìn)行了測(cè)試,憑借熱壓縮實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了鑄態(tài)合金和擠壓態(tài)合金的本構(gòu)方程,通過(guò)與合金元素含量接近的、商業(yè)化較成熟的AZ40鎂合金進(jìn)行比較,對(duì)制備的Mg-Mn-Zn系變形鎂合金進(jìn)行了力學(xué)性能、熱加工性能、耐蝕性和阻尼性能的評(píng)價(jià)。以不同的熔煉工藝制備了 Mg-Mn合金,發(fā)現(xiàn)采用Mg-Mn中間合金、Mn熔劑和無(wú)水氯化錳三種Mn添加形式制備的Mg-Mn合金的顯微組織差異很小,都存在較大尺寸的α-Mn顆粒。通過(guò)電導(dǎo)率測(cè)試的方法,繪制了 Mg-Mn合金的TTT曲線。對(duì)鑄態(tài)Mg-Mn合金的熱處理結(jié)果表明,Mn元素在鎂合金中最大固溶度只有在凝固時(shí)得到,在250℃以上進(jìn)行熱處理都會(huì)導(dǎo)致合金基體中的Mn發(fā)生析出。對(duì)Mg-Mn固溶體的第一性原理計(jì)算結(jié)果表明,Mg2s和2p軌道電子與Mn3d軌道電子發(fā)生較強(qiáng)的雜化作用,Mg-Mn之間形成了較為牢固的共價(jià)鍵結(jié)合。此外,Mn固溶到Mg中以后還會(huì)使得Mn原子周?chē)腗g-Mg共價(jià)鍵得到一定程度的增強(qiáng),使得Mn原子具有較高的固溶強(qiáng)化效率。采用等溫壓縮試驗(yàn)研究了鑄態(tài)MZ21鎂合金的熱變形行為,構(gòu)建了鑄態(tài)MZ21合金的本構(gòu)方程與熱加工圖,獲得了合金的在熱變形過(guò)程中的材料常數(shù):變形激活能Q=224kJ/mol,應(yīng)力指數(shù)n=4.88,平均應(yīng)力因子α=0.0225。與AZ40合金相比,MZ21合金的變形激活能較高,加工圖失穩(wěn)區(qū)隨應(yīng)變量增加迅速擴(kuò)大,可加工范圍較窄,不適合進(jìn)行鍛造變形。Zn元素的添加可以有效細(xì)化鑄態(tài)Mg-Mn-Zn合金晶粒。擠壓態(tài)Mg-Mn-Zn合金隨Zn含量的增加動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越完全,組織更均勻。擠壓態(tài)合金的強(qiáng)度及延伸率都隨Zn含量增加而上升。添加0.5%的Zn時(shí)對(duì)擠壓態(tài)合金力學(xué)性能改善效果顯著,繼續(xù)添加Zn元素仍可以改善合金性能但是效果減弱。Mg-Mn-Zn合金在擠壓過(guò)程中析出少量盤(pán)狀α-Mn相,其分布彌散,尺寸在20nm以內(nèi)。擠壓態(tài)合金中存在著{0001}基面織構(gòu),基面織構(gòu)隨Zn元素的添加呈弱化趨勢(shì)。退火溫度升高和Zn含量增加會(huì)使合金再結(jié)晶形核孕育時(shí)間縮短。為改善擠壓態(tài)Mg-2Mn-xZn合金組織,探究合金的二次變形能力,對(duì)MZ21合金的熱變形行為進(jìn)性了研究。經(jīng)擠壓變形后,MZ21合金的變形激活能發(fā)生顯著下降,具有比擠壓態(tài)AZ40合金更優(yōu)的加工性能。按照擠壓態(tài)合金的熱加工圖制定了擠壓態(tài)合金ECAP工藝。對(duì)擠壓態(tài)Mg-2Mn-Zn合金進(jìn)行ECAP變形后,獲得了具有1.8μm平均晶粒尺寸且組織均勻的高塑性鎂合金。合金抗拉強(qiáng)度由294MPa下降為251MPa,屈服強(qiáng)度由250MPa下降為133MPa,但是延伸率由12%上升到27%,主要是由于晶粒細(xì)化、織構(gòu)弱化及細(xì)晶鎂合金非基面滑移共同作用的結(jié)果。對(duì)擠壓態(tài)Mg-Mn-Zn合金的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究。合金在浸泡腐蝕過(guò)程中發(fā)生全面腐蝕,適度的晶粒細(xì)化可以使得晶界位置的雜質(zhì)元素偏聚程度降低,弱化晶內(nèi)與晶界處電勢(shì)的不平衡,減小晶內(nèi)-晶界原電池形成的趨勢(shì),提高了合金的耐蝕性。但晶界過(guò)多會(huì)導(dǎo)致腐蝕速率加快,使得再結(jié)晶程度高的合金耐蝕性變差。0.5%的Zn元素可以改善Mg-2Mn-xZn合金的耐蝕性,當(dāng)Zn含量超過(guò)0.5%以后,合金的耐腐蝕性受晶界數(shù)量增加的不利影響而下降明顯。通過(guò)對(duì)比得到在含C1離子環(huán)境下,Mg-2Mn-xZn合金比AZ40合金的耐蝕性更優(yōu)。研究了 Zn含量、冷變形量和熱處理對(duì)擠壓態(tài)Mg-Mn-Zn合金阻尼性能的影響。發(fā)現(xiàn)合金的與應(yīng)變無(wú)關(guān)阻尼隨Zn增加而下降。添加2%的Zn會(huì)抑制合金在200℃附近的阻尼峰,但會(huì)使合金在350℃附近由晶界滑動(dòng)所引起的阻尼峰明顯。冷變形會(huì)導(dǎo)致合金的室溫阻尼性能下降,冷軋下壓量越大合金的阻尼值越低。退火處理使合金的室溫阻尼下降,主要是由于退火處理引起的位錯(cuò)密度下降及α-Mn析出。
【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.22

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本文編號(hào)：1307832