原位内生Mg2Si相对Mg-Zn系镁合金的组织性能影响研究

作     者：李南婷 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲁若鹏

授予年度：2023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：镁合金 Mg2Si 变质 挤压 力学性能 

摘      要：镁合金具有低密度、高的比强/刚度、优异的阻尼减震性能和电磁屏蔽能力等优点,在军事、航空航天、汽车、3C电子产品等领域具有良好的应用前景。然而,镁合金本身弹性模量较低、绝对强度较低、塑性较差,制约了镁合金的进一步推广与应用。研究和开发具有高模量的镁合金,提高其抗弹性变形能力,改善其强韧性,对扩大镁合金的应用范围具有重要的意义。传统研究的高模量镁合金通常为外加增强体颗粒,但因增强体与Mg基体之间物理化学性质存在巨大差异,两者之间的界面结合较差,易在界面处产生孔洞,降低材料的延伸率。合金化的手段可避免这一缺陷,但通常研究的高稀土镁合金成本高难以实现商用化,本文旨在研发低成本高强韧镁合金。因此选择在Mg-Zn系合金中加入Si元素以形成具有高强高模量的MgSi相。然而采用常规的铸造工艺制备获得的Mg-Zn-Si合金中的MgSi相多呈现粗大的树枝晶和汉字状的形貌,其中汉字状相边缘锋利,易割裂基体,在合金内部萌生裂纹,进而降低合金的力学性能。本文采用原位内生MgSi相的方法,在合金中引入MgSi增强相,尝试获得具有高强韧、高模量的镁合金。并通过在熔炼时加入Sb变质的的方法,改变MgSi相的形核及长大,以达到改善其大小和分布的目的,进而提升合金的性能。实验中,首先探究不同Si含量对MgSi形貌及对合金性能的影响。然后,针对高Si含量镁合金中粗大的MgSi相,引入Sb元素作为变质剂,探讨了Sb元素对Mg-8Zn-1Al-0.5Cu-x Si合金微观组织与性能的影响,并分析了Sb元素变质的机理与其对固溶态及挤压态合金力学性能及阻尼性能的影响机制。主要结论如下:(1)铸态Mg-8Zn-1Al-0.5Cu-x Si合金由α-Mg相,Mg Zn相,Mg Zn Cu相和MgSi相组成。随着Si含量的添加,晶界处出现块状的MgSi相并逐步粗大;Si含量达1.5wt.%时,开始出现尺寸约为200μm的初生MgSi相。合金的屈服强度持续增长,伸长率降低。Si含量为2.5wt.%时粗大初生MgSi相导致合金脆性断裂。(2)在Mg-8Zn-1Al-0.5Cu-x Si体系中,Si元素会降低合金应变相关的阻尼,所形成的MgSi相为强钉扎点对位错起阻碍作用。同时,大量的MgSi相分布于晶界,会阻碍晶界在高温下相对运动,使晶界内耗峰右移。挤压后,由于位错的塞积,合金阻尼性能急剧降低(3)Mg-8Zn-1Al-0.5Cu-x Si系合金经过挤压后,晶粒明显细化。挤压态合金力学性能相较于铸态合金明显提升,其中Mg-8Zn-1Al-0.5Cu-2.0Si合金的综合性能最好,极限拉伸强度为284.8MPa,屈服强度为198.8MPa,延伸率为5.81%,弹性模量可达到45.4GPa,比不含Si时提升了17.9%。(4)在Mg-8Zn-1Al-0.5Cu-x Si合金中引入Sb元素后,初生MgSi相由粗大的枝晶状或块状转变为细小的多边形,平均尺寸降低至约20μm。经过固溶处理后,初生MgSi相的边缘钝化变得圆润,部分由汉字状断裂为点状颗粒,达到了细化第二相的目的,引入Sb元素后合金的各项力学性能都得到了提升,合金延伸率提升效果最好。变质后的挤压合金T6热处理后合金抗拉强度提高了约30MPa、屈服强度提高了约20MPa。