新型高強非稀土Mg-Sn-Ca合金的強化機制研究

《新型高強非稀土Mg-Sn-Ca合金的強化機制研究》是依託東北大學,由潘虎成擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:新型高強非稀土Mg-Sn-Ca合金的強化機制研究
  • 項目類別:青年科學基金項目
  • 項目負責人:潘虎成
  • 依託單位:東北大學
中文摘要,結題摘要,

中文摘要

開發出低成本、不含稀土元素的高強鎂合金對於其大規模的工業化套用愈顯重要。根據申請人近期發現的高強非稀土Mg-Sn-Ca (Sn+Ca<4wt.%)變形合金(室溫屈服強度~409MPa,抗拉強度~460MPa)、其獨特的高密度納米片層組織以及明顯細化的亞微米Mg基體,本項目將繼續對精細結構進行表征並明確其高強化的機理。系統地研究納米片層組織的形成機理及其對Mg基體再結晶行為的影響,研究擠壓態合金拉伸變形過程中位錯在納米片層組織及Mg2Ca等納米第二相前端的塞積和遷移行為,以期闡明強化相控制合金屈服機制;探討Mg基體晶粒大小及初始織構對屈服行為的影響,揭示變形機制的改變對Hall-Petch參數的作用規律,闡明-Mg基體的細晶強化機制;並結合擠壓工藝最佳化,構建Mg-Sn-Ca合金的變形工藝-組織結構-力學性能之間的構效關係,為設計新型的高強非稀土類鎂合金提供理論依據。

結題摘要

鎂合金由於其密度低和比強度高等優點,在交通運輸、航空航天及電子等領域具有廣闊的套用前景。傳統鎂合金的力學性能較差,而高強度的鎂-稀土合金的成本較高,無法大規模民用;如何低成本地製備出高強韌兼備的變形鎂合金材料,是本領域的瓶頸問題。本文基於Mg-Ca系合金的成分設計及擠壓工藝最佳化,得到以下主要成果: (1)低合金含量的Mg-1.0 wt.% Ca二元合金經擠壓變形後表現出極高的強度,其中X1-380合金的抗拉強度為449 MPa,延伸率為4.1%。組織分析表明,Ca元素可以有效誘導高密度位錯,並產生顯著的晶粒細化效果。高密度的位錯、亞晶片層結構、細小的動態再結晶晶粒以及彌散的Mg2Ca納米相均有利於合金強度的提高。此外,彌散分布的Mg2Ca納米相能阻礙位錯的回覆,抑制再結晶晶粒的長大,從而使該合金具備較高的熱穩定性。 (2)在Mg-Ca二元合金的基礎上添加了少量的Mn、Al,製備了Mg-Ca-Al(XM10)合金及Mg-Ca-Mn(XA11)合金,這兩種合金具有較高的強度(抗拉強度>400 MPa)。組織分析表明,Mn、Al元素均能促進動態再結晶的發生,弱化形變織構,降低位錯密度,因此合金強度有所下降。對於XM10合金,彌散分布的Mg2Ca相及納米Mn單質顆粒能夠顯著阻礙動態再結晶晶粒的長大,從而獲得了超細晶粒組織;此外,它們還能夠有效地抑制退火過程中靜態再結晶晶粒的長大,使XM10合金具備極高的熱穩定性。 (3)基於多元合金化的策略,製備出了高強度的Mg-1.0Ca-1.0Al-0.3Zn-0.1Mn (wt.%)合金,其中XAZM1100-300合金的抗拉強度為444 MPa,延伸率為10.7%,綜合力學性能優良。組織分析表明,該體系合金的力學性能與動態再結晶的程度有關。由於Ca、Al等元素的添加,該體系合金在本徵上容易啟動非基面的可動滑移,但當擠壓溫度較低時,殘餘位錯密度高,新產生的可動位錯在殘餘位錯的阻礙作用下容易發生分解,且為“連鎖”反應,造成不可動位錯的塞積,急劇惡化合金的塑性;當擠壓溫度較高時,殘餘位錯密度低,同時形成了高密度的亞晶片層,這些均有利於可動位錯的運動和增殖,從而有效保證了合金的強塑性。

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