Sn对ZM61合金组织及性能的影响

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本文利用金相显微组织观察、扫描电子显微镜观察、能谱分析、差热分析、X射线衍射分析以及室温力学性能测试等方法,系统地研究了Sn含量对ZM61变形镁合金显微组织和室温力学性能的影响;利用阿基米德原理对不同含Sn量的ZM61变形镁合金进行了密度测试,得出了含Sn量10%以下的ZM61变形镁合金的密度范围;利用显微硬度测试研究了ZM61-4Sn变形镁合金在不同温度下进行单、双级时效的时效硬化行为,得出不同温度下的时效硬化曲线;利用透射电子显微镜研究了ZM61-4Sn变形镁合金中Sn的存在形式及与其他化合物之间的关系。研究结果表明:(1) ZM61-xSn的铸态组织主要由α-Mg基体、偏聚在晶界和枝晶间的化合物以及枝晶内部高次枝晶臂之间弥散相组成。Sn的加入可以明显的细化铸态组织,其中ZM61合金的二次枝晶间距为149μm,ZM61-10Sn合金二次枝晶间距仅为71μm。经均匀化处理后ZM61合金中的共晶化合物大部分溶解;随着Sn含量的增加,ZM61-xSn合金均匀化效果越来越差,未溶的大块化合物逐渐增多,经分析这些化合物大部分是Mg2Sn相,这可能是由于Mg2Sn相是高温相(熔点770℃),均匀化温度较低不能使其达到较好的均匀化效果。Sn加入量不高于10%时,铸态合金的密度在1.8315g/cm3与1.9758g/cm3之间。(2)热挤压过程中,未溶第二相形成挤压流线,逐渐增多的挤压流线阻碍再结晶晶粒的长大,使流线及其周围的晶粒细小,流线之间的晶粒较大,组织不均匀。随着Sn含量的增加:挤压态ZM61-xSn合金的室温力学性能逐渐增加,但当含Sn量高于2%后,力学性能的增加不明显;随着大块Mg2Sn相逐渐增多,严重的降低了合金的塑性。综合考虑得到挤压态ZM61-2Sn合金的综合力学性能最佳,其屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别为274MPa、334MPa、8.6%。挤压态ZM61-xSn合金随着Sn含量的增加合金断口的韧窝逐渐被撕裂棱和解理台阶所代替,其断裂方式转变为单纯的脆性断裂,并且随着第二相颗粒的尺寸逐渐增加,第二相颗粒上的裂纹越来越明显,裂纹尺寸也越来越大。ZM61合金中但Sn含量不高于10%时,合金的密度范围是1.8317g/cm3到2.0158g/cm3。ZM61-xSn合金较适合的固溶工艺为440℃/2h,固溶过程中再结晶晶粒发生长大,Sn含量越高,对晶界扩展的阻力越大,晶粒越细小。(3)经单级时效处理后,合金中除已存在的块状Mg2Sn和单质Mn外,析出了大量的MgZn2相;根据时效硬化曲线得出ZM61-xSn合金较优的单级时效工艺条件为:440℃/2h+180℃/10h。ZM61-xSn合金在440℃/2h+180℃/10h条件下时效,得到ZM61-4Sn的综合性能最佳,其屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别为:358MPa、379MPa和4.2%。根据时效硬化曲线得出ZM61-xSn合金较优的双级时效工艺条件为:440℃/2h+90℃/24h+180℃/8h。ZM61-xSn合金经440℃/2h+90℃/24h+180℃/8h双级时效处理后,ZM61-4Sn的综合力学性能最佳,其屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别为:358MPa、374MPa和4.6%。ZM61-xSn合金中,ZM61-4Sn经双级440℃/2h+90℃/24h+180℃/8h条件下时效,得到的综合力学性能最佳,其屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别为:358MPa、374MPa和4.6%。(4)对ZM61-4Sn合金在180℃进行单级时效及双级时效的组织进行TEM分析可以得到:单级时效与双级时效的组织演变规律基本类似,欠时效时组织中以β1′相的形核和伸长为主;峰时效时杆状β1′相的数量达到最大化;峰时效以后,盘状β2′相的数量逐渐增多,杆状β1′相不断粗化;所不同的是:单级时效几乎在整个时效过程中都有盘状的Mg2Sn相析出;双级时效过程中几乎没有发现盘状的Mg2Sn相。在时效态ZM61-xSn合金中,以Mg-Zn相的时效析出强化作用为主,Sn元素的强化作用与其叠加,使合金的性能获得显著提高。Sn在ZM61合金中以固溶于基体、块状Mg2Sn相以及盘状Mg2Sn析出相的形式存在。Sn在合金中起到固溶强化、第二相强化和时效析出强化的作用。
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