Mn、Al对锌铝合金组织以及热疲劳性能的影响

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本文以ZA系列中目前应用最广泛的ZA27合金(Zn-28Al-2.2Cu合金)为第一种基体合金,另外改变其含铝量为37%~39%,设计新的锌铝合金Zn-38Al-2.2Cu合金,并以之为第二种基体合金。通过向2种基体合金添加不同量的合金元素Mn,制备出各试验试样。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)分析等手段以及基本的力学性能测试法,研究添加不同量的Mn元素后,Zn-28Al-2.2Cu合金和Zn-38Al-2.2Cu合金的力学性能、微观组织、生成相形态及分布,并分析其作用机理。应用自约束型热疲劳实验机进行各试样的热疲劳试验,研究Al、Mn对锌铝合金热疲劳性能的影响。  实验结果表明:Mn含量为0.4%的Zn-28Al-2.2Cu合金组织较细,α相大小均匀,富Mn相大小适中且均匀分布在基体中,综合力学性能及热疲劳性能达到最高,其抗拉强度、延伸率及布氏硬度分别为441Mpa、5.67%和134HB,合金的主裂纹最短,裂纹整体较细、变形区最小,而且没有形成分叉,基体保持了一定的连续性,热疲劳性能最好。含量为0.6%的Zn-38Al-2.2Cu合金组织较均匀,富Mn相大小适中,合金的综合力学性能及热疲劳性能最高。其抗拉强度、延伸率及布氏硬度分别为530.97Mpa、1.83%和136HB,合金的主裂纹最短且细小,热疲劳性能最好。  随着Al含量的增加,Zn-38Al-2.2Cu合金中α相数量增加,(α+η)共析体数量减少,金相组织相比较Zn-28Al-2.2Cu合金更加均匀,增大了在加载过程中相邻晶粒之间相互协调变形的能力,塑性大幅度提高。Zn-28Al-2.2Cu合金的疲劳破坏主要看两个方面,一是主裂纹的扩展,二是变形区的大小。其热疲劳破坏的过程是由主裂纹扩展、变形区的大幅度塑性变形和过渡区逐渐变成变形区三个过程交错重叠在一起的。Zn-38Al-2.2Cu合金热疲劳破坏方式和Zn-28Al-2.2Cu合金的不同,Zn-38Al-2.2Cu合金热疲劳破坏过程中,没有出现变形区和过渡区,试样表面相对较平整,主要通过主裂纹的扩展来释放应力。与添加Mn的Zn-28Al-2.2Cu合金系列相比,添加Mn的Zn-38Al-2.2Cu合金系列的热疲劳性能更好。  热疲劳裂纹主要沿着晶界和晶间组织扩展,初生α相对热疲劳裂纹有一定的阻碍作用,富Mn相提高了合金的热强性,弥补了高温环境下锌铝合金晶界强度低的不足。锌铝合金中不同大小的第二相对锌铝合金的热疲劳裂纹扩展速率的影响是不同的。当第二相大小适中、数量较多、分布均匀时,富Mn相能够有效组织晶界滑动,提高材料的高温强度,热疲劳性能大幅提高。
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