【摘 要】
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近年来发展高强韧镁合金成为新能源和航空航天等领域为了减重的迫切需求,但稀土元素的昂贵和稀缺限制了高强韧稀土镁合金大规模应用于工业生产,大量研究表明碱土元素也能提高镁合金的力学性能,因此研究碱土元素对镁合金的微观组织和力学性能的影响机制,以及镁合金不同变形工艺的变形机制和强化机理,对发展高强韧、低成本的镁合金至关重要。本文在Mg-Zn-Al系合金中加入碱土元素Ca,起到了细化晶粒、强化镁基体的作用以
【基金项目】
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山西省重点研发计划项目基金（No.201903D421084,201903D121056）；
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近年来发展高强韧镁合金成为新能源和航空航天等领域为了减重的迫切需求,但稀土元素的昂贵和稀缺限制了高强韧稀土镁合金大规模应用于工业生产,大量研究表明碱土元素也能提高镁合金的力学性能,因此研究碱土元素对镁合金的微观组织和力学性能的影响机制,以及镁合金不同变形工艺的变形机制和强化机理,对发展高强韧、低成本的镁合金至关重要。本文在Mg-Zn-Al系合金中加入碱土元素Ca,起到了细化晶粒、强化镁基体的作用以及形成含Ca元素的Mg32（Al,Zn）49强化相和部分Mg2Ca相,显著提高了镁合金的力学性能,并采用一系列的变形工艺,探索Mg-Zn-Al-Ca系合金强度的极限。本研究采用常规铸造方法制备了Mg-5Zn-2Al-x Ca合金,研究了不同Ca含量对Mg-5Zn-2Al合金组织和性能的影响,选择了组织和性能较佳的Mg-5Zn-2Al-1Ca合金,进行挤压和多向锻造变形,以及多向锻造+等通道转角挤压复合变形和挤压+等通道转角挤压复合变形,共计四种变形工艺;研究变形工艺对Mg-5Zn-2Al-1Ca合金微观组织和力学性能的影响机制,以制备出高强韧镁合金。本文的主要研究结论如下:（1）铸态Mg-5Zn-2Al-1Ca合金的第二相呈长条状和圆点状分布,第二相为含Ca元素的Mg32（Al,Zn）49,其熔点为535℃,属于耐热高温相,400℃×30 h的均化化处理工艺可把粗大的第二相溶进镁基体中,从而大幅度提高合金的力学性能,其抗拉强度为235MPa,屈服强度为100MPa,断后伸长率为16.7%。（2）320℃多向锻造Mg-5Zn-2Al-1Ca合金的综合力学性能最优,其抗拉强度为280MPa,屈服强度为170MPa,断后伸长率为19.5%,主要归因于动态再结晶和呈线型分布的第二相Mg32（Al,Zn）49。（3）多向锻造+等通道转角挤压复合变形合金（E210合金）中有强烈的剪切织构,织构强度为36.5,远高于多向锻造合金中强度为9.6的剪切织构,其{0001}晶面与剪切面平行,该强烈织构产生的原因是经过ECAP剪切变形后,E210合金继承的多向锻造合金中存在的剪切织构得到进一步加强,根据Schmid定律可知,沿着拉伸方向成45°的织构的基面滑移系更易启动,导致复合变形E210合金的力学性能较差。（4）挤压态Mg-5Zn-2Al-1Ca合金发生了完全动态再结晶,从而细化了晶粒,平均晶粒尺寸为5.5μm,挤压合金的抗拉强度为287MPa,屈服强度为170MPa,断后伸长率为20.2%,其抗拉强度和屈服强度分别比铸态合金提高了34.7%和39.1%;挤压态合金中典型的纤维织构对合金的力学性能非常重要,其基面平行于ED方向,使织构的基面滑移系启动较为困难,可以提高合金的强度。（5）挤压+降温等通道转角挤压复合变形Mg-5Zn-2Al-1Ca合金（A170合金）的力学性能最优,此复合变形工艺可制备出高强韧镁合金,其抗拉强度为349MPa,屈服强度330MPa,断后伸长率为20.6%,主要归因于晶界强化和亚结构强化。A170合金中经过ECAP变形后,纤维织构得到弱化,存在基面近似平行于剪切面的弱剪切织构,织构强度为6.3,促进了基面滑移系的启动,其与超细晶组织共同作用,从而提高了合金的塑性,因此A170合金的强度大幅度提升的同时,断后伸长率也保持较高水平。
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