【摘 要】
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归因于质量轻,优异的阻尼表现,高的比强度和比刚度,镁合金作为结构材料,其在交通航空,消费电子等领域均得到了越来越多的应用。其中镁-锡基合金,因其价格优势,优异的蠕变抵抗能力和宽松的挤压环境,正日益受到愈发广泛的关注。然而,高含量锡的添加势必会增加成本且镁-锡二元合金仍旧展现出迟缓的时效动力学及低的塑性和强度,这些均大大限制了其进一步应用。本文是基于Mg-1.0 wt.%Sn合金,通过微合金化(Zn
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归因于质量轻,优异的阻尼表现,高的比强度和比刚度,镁合金作为结构材料,其在交通航空,消费电子等领域均得到了越来越多的应用。其中镁-锡基合金,因其价格优势,优异的蠕变抵抗能力和宽松的挤压环境,正日益受到愈发广泛的关注。然而,高含量锡的添加势必会增加成本且镁-锡二元合金仍旧展现出迟缓的时效动力学及低的塑性和强度,这些均大大限制了其进一步应用。本文是基于Mg-1.0 wt.%Sn合金,通过微合金化(Zn,Ca,Al,Ce),双微合金化(Zn和Ca,Ce和Gd),合金化(Ce)与加工变形工艺结合(预制孪生化)的方式以期提升综合力学表现。具体研究内容和获得的相关研究结果如下:(1)0.5 wt.%Zn的单独添加后,Mg-1.0Sn合金的屈服强度与塑性均得到了提升,归结于固溶硬化和固溶软化现象的共同作用。0.5 wt.%Ca单独添加后,合金屈服强度的显著提升,其主要归结于晶粒细化与沉淀强化(Ca Mg Sn和Mg2Ca),而塑性的提升归结于晶粒细化及弱化且沿挤压方向分散织构的形成。而Zn,Ca复合添加后,合金拥有更高的塑性,主要归结于柱面滑移激活的增加,晶界聚合能力的提升和晶间应变传递能力的改善。此外,单独Ca元素和Zn,Ca的复合添加均会严重影响Mg-1.0Sn合金的应变硬化行为,归因于更多基面滑移的激活和晶粒细化。(2)相比于AZ31合金,Mg-1.0Sn-0.5Zn-0.5Ca(TZX100)合金拉压不对称性表现得到显著提升,归因于晶粒细化,弱化且分散的双峰织构特征及一定数量Ca Mg Sn相(沿挤压方向呈带状分布)的存在。TZX100合金能完美实现室温下三点弯曲成形,归因于晶粒细化,组织均匀性的改善及弱化的沿挤压方向分散的双峰织构(显著提升了弯曲外侧对拉伸应变的协调能力)。(3)随着Ca含量的增加,Mg-1.0Sn-0.5Zn合金发生了晶粒细化且第二相从Mg2Sn转变为Ca Mg Sn,Mg2Ca乃至Ca2Mg6Zn3相,织构特征从强基面织构演变为弱化的沿挤压方向分散的双峰织构。其力学性能变动的原因归结于晶粒细化,沉淀强化及织构弱化三方面的综合影响。而Mg-Sn-Ca合金中,Zn元素的添加,将会促进更多Ca Mg Sn相及Ca2Mg6Zn3新相的生成,并最终通过PSN效应改善组织均匀性并使得织构发生弱化,对称化,最终板材的n值和杯突值均随Zn含量的增加而增加,YS/UTSave则逐渐减少。(4)Mg-Sn-Ca合金中,Ce的添加能导致晶粒细化且第二相由初期的Ca Mg Sn逐步演变为(Ca,Ce)Mg Sn和Mg12Ce相。归因于含Ce第二相在热挤压过程中对动态再结晶晶粒长大的阻碍效应,Ce元素的添加导致了织构的弱化及分散化。通过VPSC模拟结合实际EBSD标定可知,0.2 wt.%Ce添加导致塑性提升,归因于更多基面滑移激活及晶粒细化(拉伸应变分布更为均匀)。Mg-Sn-Ca合金中Al元素的添加将会促使更多Ca Mg Sn及Mg2Ca相的生成。最终由于固溶Al,Ca元素在晶界处偏聚及Ca Mg Sn相的PSN机制共同导致了织构的弱化及分散化(从沿ED方向分散的双峰到有额外TD织构组分的出现,整体织构更具对称性)。归因于额外TD织构组分的出现,Mg-Sn-Ca合金中Al的添加,促进了更多基面滑移的开启,促使TD方向拉伸时塑性得到显著改善及各项异性现象得到显著缓解。(5)Mg-Sn-Zn合金中Ce的添加会产生显著的晶粒细化并伴随着Ce Mg Sn及Ce Mg Zn2新相的形成,其会限制晶粒长大并在预制孪生化的退火过程中阻碍{10-12}拉伸孪晶的湮灭。归因于{10-12}拉伸孪晶的发生,预制孪晶化工艺使强基面织构转变为ED全偏型织构,且其能在后续退火过程中得到有效保留。通过Ce的添加(细小晶粒的保留)结合预制孪晶化工艺(有效的织构调整及弱化),挤压态TZE100合金的强度与塑性均得到显著提升。最终开发出了优于AZ31的新型Mg-Sn合金即:PCAed态的TZE1012合金,其抗拉强度显著优于AZ31的314.7MPa达到了360.9MPa,延伸率为25.6%也略高于AZ31的21.3%。Mg-Sn-Zn合金中,Gd,Ce元素的添加造成了Gd Mg Sn及Ce Mg Sn新相的生成,其通过PSN机制来细化晶粒和弱化织构。复合Gd,Ce添加对于力学表现的提升比单Gd,Ce添加的效果更为显著,强度的提升归因于晶粒细化和沉淀强化,而塑性提升归因于织构弱化(更多基面滑移的激活),晶粒细化和组织均匀性提升(应力集中现象的减缓)。
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