Mg-Zn-Zr-xSm稀土镁合金的制备、组织与性能研究

作     者：张甜甜 

作者单位：山东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔红卫

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Mg-Zn-Zr合金 稀土元素Sm 显微组织 性能 

摘      要：镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,它广泛用于通讯、航空、运输、航天和电子等行业中。其中,Mg-Zn-Zr系高强镁合金凭借较好的韧塑性以及耐腐蚀性能,应用最多,但在实际生产过程中,存在热裂倾向严重、显微缩松等诸多缺点,对合金的铸造性能和加工方面有不利影响,限制了其进一步的应用与发展。因此,研发具有优秀的加工塑性、成型性能良好的高延展性镁合金显得尤为重要。本研究将稀土元素Sm添加到Mg-Zn-Zr系合金中,研究Sm对铸态、固溶态和挤压态镁合金组织和性能的影响,以期进一步提高Mg-Zn-Zr系合金的综合力学性能。本实验通过真空感应熔炼法制备了Mg-5.5Zn-0.8Zr-xSm(x=0,0.2,0.5,1.0,2.0,3.0,4.0 wt.%)合金。采用多种测试手段研究了Sm对铸态、固溶态、挤压态Mg-5.5Zn-0.8Zr(ZK60)合金显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响。首先探究了Sm的不同加入量对铸态、固溶态ZK60合金的晶粒度,第二相成分、尺寸、形貌及分布规律的影响。随后分析了Sm元素含量变化对挤压态实验合金的再结晶程度以及沉淀析出相的大小、成分和分布的影响机理。最后,测试了实验合金的力学性能和耐腐蚀性能,并探究了实验合金中Sm元素的强化机制和腐蚀机理。实验结果表明,铸态ZK60合金的显微组织主要由α-Mg基体、MgZn和MgZn相组成。当添加0.2%Sm时,出现了MgSm相,Sm含量为2%时,出现了(Mg,Zn)Sm相。合金的晶粒尺寸得到显著细化,第二相形态由点状、短棒状逐渐转变为半连续、连续的网状结构。此外,ZK60-1.0Sm合金有最高的硬度值,为61.64kgf/mm,比ZK60合金的硬度值提高了1.7%;在耐腐蚀性方面,Sm含量为0.2%时,合金的耐腐蚀性能表现最好。实验合金经450℃×10h固溶处理后,晶粒尺寸有了不同程度的增加,且发生了元素回溶,强化了镁基体。但是,随着Sm的增加,未回溶的第二相含量逐渐增多,集中分布在晶界处。此外,合金的相组成、硬度曲线走势与铸态合金相比相差不大。固溶态ZK60-1Sm合金的维氏硬度值最高,为62.78kgf/mm,比ZK60合金的硬度值提高了13.1%。ZK60-xSm合金经挤压处理后,发生了动态再结晶(DRX),挤压后破碎的第二相沿挤压方向分布,大量纳米级析出相弥散分布在基体中。挤压态ZK60-1.0Sm合金的抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和硬度达到了最大值,为335MPa、269MPa和75.15kgf/mm,均比ZK60合金提高了11.7%、24.5%和13.6%。ZK60-4.0Sm合金的伸长率(EL)最高为28.1%,比ZK60合金高出近100%。Sm的添加对促进DRX成核、抑制晶粒生长和细化晶粒有显著的效果;生成的热稳定性微米级(Mg,Zn)Sm和纳米级MgSm相可以有效地钉扎位错和阻碍滑移;再结晶晶粒取向的随机性导致了显微织构的弱化,这可以改善合金的力学性能。在耐腐蚀性能方面,挤压态ZK60-0.2Sm合金的腐蚀速率和自腐蚀电流密度最小,分别为2.028×10g·cm·h和1.011×10 A·cm,有良好的耐腐蚀性能。但继续添加元素Sm,合金的耐腐蚀性能出现了恶化。