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      鎂科研:通過擠壓比優化Mg-Sm基合金的微觀組織和拉伸性能

              鎂合金具有低密度、高比剛度和比強度、良好的導熱性、優良的電磁屏蔽和阻尼減震效果,在航空航天、國防軍工和軌道交通等領域具有廣闊的應用前景。但傳統鎂合金的強度相對較低,嚴重限制了其工業化應用。研究表明,稀土元素可以顯著改善鎂合金的力學性能和耐熱性能。目前開發的高性能稀土鎂合金主要集中在Mg-Gd/Y(-Zn)等重稀土合金,稀土含量較高,導致合金成本和密度增加。Mg-Sm基合金由于成本相對低廉,且輕稀土Sm在鎂中的最大固溶度為5.8 wt.%,可以提供較好的強化效果,近年來受到關注。變形Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金的室溫屈服強度可以達到400 MPa以上。除合金成分外,變形工藝(如擠壓比、擠壓溫度和擠壓速率等)也顯著影響合金性能。目前關于變形工藝對Mg-Sm-Zn-Zr合金微觀組織和力學性能影響的研究鮮有報道,具體作用規律尚不清晰。


              近日,哈爾濱工程大學、中國科學院長春應用化學研究所和東京大學研究人員合作,在相同溫度和擠壓速率下制備了三種不同擠壓比(6.9、10.4和17.6)的Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金,分別命名為ER6.9、ER10.4和ER17.6,利用TEM等先進表征手段分別對三種合金的微觀組織進行詳細觀察,并對合金的拉伸性能進行測試。結果表明,隨著擠壓比的增大,合金中動態再結晶體積分數和動態再結晶平均晶粒尺寸均逐漸增大,同時基面織構逐漸弱化,室溫拉伸強度逐漸降低,但塑性明顯提高。ER6.9和ER17.6合金的室溫屈服強度分別為340 MPa和202 MPa,斷裂伸長率分別為12.1%和29.7%。由此可見,通過控制擠壓工藝可以有效調控合金的力學特性,以滿足不同服役條件的力學性能需求。

              對比研究了ER6.9、ER10.4和ER17.6合金的微觀組織,如圖1所示,在ER6.9和ER10.4合金中均觀察到尺寸較小的動態再結晶晶粒和粗大的未再結晶區,未再結晶區體積分數分別為16.3%和10.7%,再結晶晶粒平均尺寸分別為1.48 mm和1.86 mm;而ER17.6合金發生完全動態再結晶,平均晶粒尺寸為4.19 mm。這表明隨著擠壓比增大,動態再結晶體積分數及其平均晶粒尺寸均逐漸增加,這主要歸結于大擠壓比在擠壓過程中產生較大形變熱。另外,在三種合金中均觀察到平行于擠壓方向、呈帶狀分布的破碎第二相及彌散分布在再結晶區的小尺寸動態析出相。


      圖1 不同擠壓比合金的OM、SEM及再結晶晶粒尺寸分布圖,(a-a2)、(b-b2)、(c-c2)分別對應ER6.9、ER10.4、ER17.6合金


              利用TEM對三種合金中的第二相進行詳細表征,ER6.9合金中的第二相主要為Mg3Sm相,在ER10.4和ER17.6合金中除Mg3Sm相外,還觀察到明顯的Mg41Sm5相(如圖2b和圖2c中的D和F區域),相應的EDS面掃結果證明這三種不同擠壓比合金中的Mg3Sm相均有明顯的Zn元素富集。這表明在該合金體系中Zn富集的Mg3Sm相是亞穩相,在擠壓比較大時部分轉變為Mg41Sm5相,這是因為較大擠壓比的變形過程加快了傳質速率,從而促使相轉變發生。如圖3所示,在ER10.4合金的Mg41Sm5相表面觀察到隨機分布的納米顆粒相,通過HR-TEM和相應的FFT分析,標定其為簡單正交結構的SmZn3相(a=0.669 nm,b=0.4405 nm,c=1.011nm),并與Mg41Sm5相具有確定的位向關系。這是由于在Zn元素富集的Mg3Sm相轉變為Mg41Sm5相的過程中,過剩的Sm和Zn元素聚集導致的,在相應的EDS面掃圖中可以觀察到Sm和Zn元素在顆粒相中明顯富集,很好地支持了實驗結果。


      圖2不同擠壓比合金的HAADF-STEM、SAED和EDS面掃圖,(a-a3)、(b-b3)、(c-c3)分別對應ER6.9、ER10.4、ER17.6合金

      圖3 ER10.4合金的TEM、HAADF-STEM、HR-TEM、FFT和EDS面掃圖


              進一步研究了擠壓比對合金拉伸性能的影響,結果如圖4所示。ER6.9、ER10.4ER17.6合金的室溫屈服強度分別為340 MPa、288 MPa202 MPa,斷裂伸長率分別為12.1%、17.8%29.7%。由此可見,隨著擠壓比的增大,合金屈服強度逐漸降低,但塑性明顯提高。這是因為隨著擠壓比增大,動態再結晶平均晶粒尺寸逐漸增大,晶界強化效果減弱;合金中動態再結晶體積分數隨擠壓比增大,基面織構弱化,從而導致織構強化效果減弱;擠壓比增大導致的織構弱化和再結晶晶粒長大有利于提高加工硬化,從而改善塑性。如表1所示,ER6.9、ER10.4ER17.6合金的硬化能力(Hc)分別為0.039、0.1430.429。


      圖4 不同擠壓比合金的室溫拉伸應力-應變曲線


      表1 合金的拉伸性能及硬化能力


              綜上所述,本文系統研究了擠壓比對Mg-3.5Sm-0.6Zn-0.5Zr合金微觀組織和力學性能的影響。結果表明,擠壓比對合金的微觀組織和力學性能起關鍵作用,可以通過控制擠壓比有效調控合金微觀組織,進而優化合金性能。這為開發中低稀土含量高性能鎂合金提供了新的思路。

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