不同合金含量下Mg-Y-Sn合金组织演变及室/高温力学行为的研究

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镁合金因其密度低、比强度高等优点已逐渐被应用在交通运输、电子3C以及生物医学等领域。高温镁合金中,镁稀土系(Mg-RE)如WE54、GW103合金由于存在高温稳定且细小弥散的析出相及溶质偏聚展现出优异的高温力学性能,但同时这些合金中稀土含量较高,高温下塑性也有待提升。在Mg-Y合金中加入一定量的Sn元素后由于产生高密度且弥散共格的Sn3Y5相在变形过程中能有效阻碍位错滑移和晶界滑动从而显著改善合金的室高温力学性能。因此,本文以Mg-x Y-y Sn为研究对象,通过调控Y、Sn比制备了含单一Sn3Y5相的Mg-x Y-y Sn合金,结合扫描电镜(SEM)、背散射电子衍射(EBSD)和室高温拉伸实验分析了析出相、动态再结晶行为及室高温力学性能随合金含量变化的演变规律。最后,通过准原位拉伸实验进一步分析了室高温力学性能优良的Mg-6Y-1.5Sn合金的高温强化机制。主要研究结果如下:通过调控Y、Sn质量比(10和4),制备了含单一Sn3Y5相的Mg-xY-ySn合金,研究了合金含量对Mg-x Y-y Sn合金的显微组织演变和室高温力学性能的影响。发现挤压态Mg-x Y-y Sn合金均呈现混晶组织,其中再结晶晶粒尺寸约6~9μm。在两种Y、Sn比的合金体系中,析出相含量均随合金含量增加而增多,其中Mg-6Y-0.6Sn和Mg-6Y-1.5Sn合金中纳米析出相含量达到峰值。此外,随合金含量增加,Mg-x Y-y Sn合金的室高温力学性能先增加后降低,其中Mg-6Y-0.6Sn和Mg-6Y-1.5Sn合金呈现优异的的高温抗拉强度。Mg-6Y-1.5Sn合金在200℃、300℃下的屈服强度达到193MPa、186MPa,抗拉强度达到337MPa、328MPa,且其300℃下的强度明显优于商用WE54以及大部分GW系列高稀土耐热镁合金。为进一步研究相同Y、Sn比下及合金元素含量接近时不同合金室高温力学性能差异的原因,分析了Mg-x Y-y Sn合金的动态再结晶行为及加工硬化行为。研究发现,Mg-x Y-y Sn合金在热挤压过程中既发生了连续动态再结晶也发生了不连续动态再结晶。在两种Y、Sn比的合金体系中,动态再结晶比例随合金元素含量增加先减小后增加,其中Mg-6Y-0.6Sn和Mg-6Y-1.5Sn合金呈现相对较小的动态再结晶比例。此外,合金含量接近时,Y、Sn比为4(Mg-8Y-2Sn、Mg-4Y-1Sn)的动态再结晶比例小于Y、Sn比为10(Mg-10Y-1Sn、Mg-5Y-0.5Sn)的合金,由于Sn元素能显著降低合金的层错能,且纳米析出相阻碍动态再结晶。相比于其他合金,Mg-6Y-0.6Sn和Mg-6Y-1.5Sn合金无论在室高温下较高的初始加工硬化率推测主要与合金中大量纳米析出相阻碍位错运动有关。当总合金含量接近时,Y、Sn比为4的合金相比于Y、Sn比为10的合金表现出更高的加工硬化率,主要由于前者动态再结晶比例更低,使得变形晶粒区域有更大的应变储能在变形过程中不利于位错启动,同时未再结晶组织中的较多的亚结构也可能缓解动态回复带来的软化。为进一步研究Sn元素对Mg-Y合金的影响,对比了Mg-6Y、Mg-6Y-0.6Sn及Mg-6Y-1.5Sn合金的显微组织及室高温力学性能。发现Sn的添加使析出相从富Y相转变为Sn3Y5相,再结晶晶粒尺寸从~18μm细化至~7μm,从完全的再结晶组织转变为混晶组织,且随Sn含量增加,再结晶比例减小。加入0.6wt%的Sn元素后,在室温、200℃和300℃下屈服强度分别增加了73%、71%和85%,抗拉强度分别增加了27%、31%和23%。当Sn含量进一步增加至1.5wt.%,在室温、200℃和300℃下屈服强度分别增加了49%、66%和90%,抗拉强度分别增加了40%、50%和81%。Mg-6Y-1.5Sn合金在300℃下呈现出优异的强度和加工硬化行为,推测其高温强化机制主要与纳米析出相和未再结晶晶粒有关。准原位实验结合滑移迹线分析结果表明,合金在变形过程中,再结晶区域的基面滑移比例一定程度上被抑制,出现了超过35%的非基面滑移,而未再结晶区域由于处于硬取向且存在高密度位错使变形更加困难。推测该合金较高的强度是由析出相强化和未再结晶区域的位错强化和织构强化共同作用的结果。
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