基于合金化改善镁合金强韧性的研究

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1、大连理工大学博士学位论文摘要针对当前镁合金力学性能不能满足应用需求，可用合金选择性少，以及稀土系镁合金成本高的问题，本文探索新的镁合金强／韧化设计新思路，期望通过寻找新的合金元素开发出具有高强／高韧性能的新型镁合金。作者总结了24种合金元素的原子信息，提出镁合金强／韧化设计思路：1．在镁合金中添加难溶性合金元素，生成具有高熔点高硬度金属间化合物，‘提高镁合金孪生变形的临界剪切应力，阻碍变形过程中的晶界滑移提高强度。根据相图和原子信息，选择Sb和Ge元素验证设计思路的可行性。2．从材料设计的角度分析镁合金的强韧化问题，根据原子团簇理论和金属键

2、强弱的影响因素，选择Ga元素进行合金化，开发Mg．Ga系镁合金。合金熔炼与制备采用金属模铸造法，分别进行了铸态Mg．Sb二元合金中Q．MgaSb2相形态变化的研究，AZ3lSb合金化后a．M93Sb2相的形态及其对合金显微组织和性能影响的研究；铸态Mg．Ge二元合金中M92Ge相的形态及其对合金显微组织与性能研究，铸态AZ31Ge合金化M92Ge形态对合金显微组织与性能影响的研究，Al和Zn对M92Ge金属间化合物形貌的影响；Mg．Ga二元合金显微组织与性能的研究和Mg．xGa．3A1．1Zn系合金显微组织与性能的研究。Sb合金化结果表明：

3、由于存在较大的电负数差，Sb元素与Mg元素之间具有较强的结合力，两种原子相遇会发生电子转移，形成固溶有Mg的离子晶体a．M93SbE。在熔炼Mg．10(wt．％)Sb合金时，熔体中形成大量a．M93Sb2，其较大的密度导致熔体分层，得到成分相差较大的Mg一9(wt．％)Sb和Mg．13(wt．％)Sb双层合金铸锭。因此镁合金中只能添加少量的Sb。0【．M93Sb2金属间化合物在Mg．9(wt．％)Sb合金中有针棒状和矩形块状两种形态，在Mg．]3(wt．嘲Sb中呈矩形块状。AZ3l进行Sb合金化时发现，Sb对合金没有晶粒细化作用；0L．M9

4、3SbE析出相在铸态AZ31中呈针棒状，均匀分布在基体内。拉伸实验结果表明，少量的针棒状0L．M93Sb2析出相的存在对镁合金抗拉强度影响不大，随着该析出相体积分数的增加，抗拉强度略有下降，但仍然具有较高的韧性。在应力一应变曲线上观察到了晶粒发生孪生变形时产生的应力释放现象。Ge合金化结果表明：Ge对镁及镁合金有晶粒细化作用，析出相M92Ge的形态受合金元素影响很大，析出相的形态影响合金的拉伸性能。在Mg．Ge二元合金中，析出相M92Ge呈针棒状，形成(a—Mg+M92Ge)共晶分布在晶界上，对镁有强化作用。铸态AZ31中MgEGe相呈汉字

5、状，不利于合金力学性能。Mg．Zn．Ge和Mg．3AI—Ge显微组织表明，基于合金化改善镁合金强／韧性的研究Al和Zn对M92Ge相从针棒状向汉字状转变都有影响。因此，控制析出相MgaGe的形态成为Ge改善镁合金强韧性的关键。Mg．Ga二元合金实验表明：固溶的Ga元素可以显著降低a．Mg晶格常数和平均原子间距，Ga还可以有效的细化镁合金晶粒，显著提高纯镁的韧性、屈服强度和极限拉伸强度。MgsGa2析出相在铸态组织中的形态和分布与Ga含量有关，Ga含量较低时，MgsGa2析出相呈颗粒状均匀分布在基体内；Ga含量较高时，一部分M95Gaz析出相

6、呈块状或孤岛状分布在晶界处。固溶处理可以有效提高Ga在Mg中的固溶度，时效处理可使合金中析出直径小于100naTl的针棒状MgsGa2，该析出相最先从晶界处析出，随着时效时间的延长逐渐向晶内扩展，合金的屈服强度也随时效时间的延长而逐渐增加。Mg—xGa-3A1—1Zn系合金的研究结果表明：Ga细化了合金的晶粒，M95Ga／析出相的形态和分布规律与Mg．Ga二元合金相似。固溶处理后MgsGa2析出相显著减少，合金韧性较好，Mg．4．5Ga．3A1．1Zn合金的延伸率达到11．7％。时效处理效果与Mg．Ga二元合金基本相同，Mg．4．5Ga一3

7、AI．1Zn合金的极限拉伸强度最高达到207MPa。A1和Zn元素可以加速MgsGa2强化相的析出。Ga合金化研究结果证实，根据团簇理论和增强原子结合力的设计思想，寻找新的能够提高镁合金强度／韧性的合金元素的思路可行，Mg．Ga系镁合金具有开发成为新型高强镁合金的潜力。最后，作者还通过对Ga、A1、Zn、Mn、Li、Sn、Si、Sb和Ge等非稀土系元素的特征进行综合分析，总结出可以强／韧化镁合金的非稀土系合金元素所具有的一般特征：(1)合金元素可以固溶于镁基体中；(2)合金元素的原子半径都小于Mg原子半径；(3)合金元素的化合价应尽可能高；

8、(4)合金元素的电负数应该小于1．9。关键词：镁合金；显微组织；力学性能；合金化；lI大连理工大学博士学位论文Improvingthestrength／toughnessofth