挤压态Zn-Mn合金的组织及力学性能研究

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锌合金具有熔点低,加工性能优异,力学性能适宜,在大气中耐腐蚀,摩擦系数较低,生物相容性好,生产成本低且可重复利用等优点,在铜合金替代材料、超塑性材料、生物医学材料及耐蚀性材料等方面具有潜在的应用价值。但是,尽管锌基合金具有以上诸多优点,目前可应用于工业领域的合金系并不是很多,主要为Zn-Al-Cu-Mg和Zn-Cu-Ti两个体系。因此,开发更多新的锌基合金对于扩大其在工业领域的应用范围具有重要的意义。近几年,人们关于在锌合金中添加合金元素Mn进行了相关研究,发现Mn添加可以使锌合金具有高温超塑性,提高锌合金的耐蚀性,并可显著改善Zn-Mg基生物可降解锌基合金的综合力学性能。然而,添加微量合金元素Mn是如何对Zn-Mn二元合金的微观组织及室温力学性能进行影响的,还没有得到清楚的认识。因此,本文通过150℃和200℃反向挤压分别制备出 Zn-xMn(x=0.1、0.4、0.5、1.3、1.6 wt.%)和 Zn-xMn(x=0.2、0.4、0.7、1.4、2.0 wt.%)二元合金棒材,然后利用SEM、XRD、EBSD等表征手段及室温拉伸试验,对Zn-Mn二元合金的微观组织和室温力学性能进行研究,以便更好地理解Zn-Mn二元合金的成分,挤压工艺,微观组织,力学性能等之间的关系。所得实验结果主要如下:添加合金元素Mn,Zn-xMn在熔铸过程中形成了MnZn13第二相。经过低速反向挤压,当Mn含量较低时,小颗粒的第二相沿挤压方向呈条状分布于晶界,当Mn含量较高时,小颗粒和大颗粒第二相同时均匀分布于基体晶界处,从而抑制了动态再结晶晶粒的长大,使得Zn-xMn二元合金相对于纯锌基体晶粒得到了显著细化。经过高速挤压得到的合金组织呈现相似的规律。其中,150℃、1 mm/s得到的Zn-1.6Mn合金基体组织平均晶粒尺寸最小为1.1 μm,200℃、1 mm/s得到的Zn-2.0Mn合金基体组织平均晶粒尺寸最小为1.2 μm。同时合金都形成了较强的基面织构,织构强度随Mn添加量的增加先减小后增加。150℃、低速反挤压得到的Zn-xMn二元合金随Mn含量的增加,拉伸屈服强度和抗拉强度呈降低趋势,而延伸率先增大后略有减小。高速挤压的合金呈现相同的变化规律,但是相比于低速挤压,强度略高,塑性较低。1 mm/s速率挤压的Zn-xMn合金,Zn-0.1 Mn的屈服强度和抗拉强度最大为153 MPa和208 MPa,Zn-1.3 Mn合金的延伸率最大为1.24。压缩屈服强度随Mn添加量的增加整体呈现减小的趋势,Zn-0.4Mn的最大为205 MPa,同时合金的拉压不对称性随Mn含量的增加变差。但是,相比于同等条件下制备的纯Zn,Zn-Mn合金的强度与塑性都得到明显改善。200℃、低速反挤压Zn-xMn合金的拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率随Mn含量的增加先增大后减小,高速挤压的合金呈现相同的变化规律。两种挤压速率得到的锌合金强度接近,但低速挤压比高速挤压得到的合金延伸率更好。1 mm/s速率挤压的合金,Zn-0.4Mn二元合金的屈服强度最大为135 MPa,抗拉强度最大为206 MPa,Zn-1.4Mn合金的延伸率最大为1.24;5 mm/s速率挤压的合金,Zn-0.4Mn二元合金的屈服强度最大为140 MPa,抗拉强度最大为203 MPa,Zn-1.4Mn合金的延伸率最大为1.06。
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