mgalsrca耐热镁合金组织、性能及其蠕变行为的研究

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1、上海交通大学博士学位论文Mg-Al-Sr／0a耐热镁合金组织、性能及其蠕变行为的研究摘要‘开发价格低廉，性能优良的耐热镁合金，使镁合金能够应用于汽车传动系统零部件，已经成为急需解决的重要课题。含有Ca、Sr的Mg．～．碱土系合金是非常有发展前途的低成本抗蠕变镁合金。本文以Mg．5AI．0．3Mn(AM50)合金为基础，通过合金化，研究了重力铸造M争砧一Sr-(Ti)合金的组织结构、室温和高温力学性能、高温拉伸蠕变机制和蠕变断裂行为。研究了压铸Mg．AI．Sr-(Ti)合金的组织结构、流动性和力学性能及不同

2、制备工艺下Mg．A1．Sr合金的拉伸和压缩蠕变行为和蠕变过程中的组织演化。并在研究压铸Mg-A1一Ca系合金组织和性能的基础上，进行了赛车用汽缸套的工业试验。研究目的是为汽车用低成本耐热镁合金的开发应用提供理论和实践依据。对重力铸造Mg-AI—Sr合金组织和性能的研究发现，微量Sr}jI入到重力铸造AM50合金中，大部分sr原子都溶入Mgl7A112颗粒中，没有在组织中形成新相，并且细化了合金的组织，尤其细化了合金的第二相。加入0．1wt％Sr后，由于Mgl7A112颗粒的变质及热稳定的增加，使合金的常温

3、，高温强度及其抗蠕变性能明显得到提高。当Sr加入量超过O．4％后，铸态组织中出现了层片状的仙sr相，抑制了Mg．5A1合金组织中Mgl7A112的生成，提高了合金在高温的强度和抗蠕变性能。与基体Mg-5A1合金相比，Mg-5A1．1Sr合金的稳态拉伸蠕变速率降低了近两个数量级。研究Ti对重力铸造Mg-5A1．1Sr合金组织和性能的影响表明，虽然1wt％Sr的加入降低了AMS0合金的室温抗拉强度和延伸率，复合加入Ti可以改善合金由于sr加入后导致室温塑性的降低，并且进一步提高了合金的高温强度，这归因于晶界A

4、14sr的形态从粗大的层片状转变成为细球状或短条状。Ti对于合金抗拉伸蠕变性能的影响与蠕变温度有关，在蠕变温度低于150℃，Ti的加入会略微提高Mg-5A1．1Sr合金的抗蠕变性能。蠕变温度高于150℃，Ti的加入会降低Mg-5AI一1Sr合金的抗蠕变性能。本文利用电子理论计算并分析了AM50合金中的Mgl7All2相、Mg．5A1．0．1Sr合金中溶入Sr的Mgl7舢12相FtOMg．5A1．1S冶金中的仙Sr相的价电子结构。结果表明，Mgl7All2晶体的键结构不均匀导致的“热应力集中"是热稳定性不高

5、的主要原因。溶入Sr厶提高M917All2相的热稳定性，降低Mgl7All2相的可变形性，从而可以提高合金的抗蠕变性能。与M91棚12相比，弛Sr的主键络并不需要第三强键St-A1键的连接就能形成完整的网格，而且最强的两个D圳键的价电子数差别不大，因此其主键结构非常均匀，这是汕sr具有较高的热稳定性的本质原因。对压铸Mg-A1．Sr-(Ti)合金的研究表明，即使在冷却速度较快的压铸工艺中，Sr和上海交通大学博士学位论文Ti的微合金化依然对于组织有细化作用。与重力铸造合金类似，1wt％Sr依然会抑制Mg-A

6、1基压铸合金中Mgl7A112相的形成。虽然冷却速度会影响Mg—AI—Sr合金中相的组成，但是压铸合金中主要的第二相及其Sr元素对于力学性能的影响规律基本与重力铸造合金的结果一致。压铸镁合金的常温屈服强度远远大于重力铸造合金的屈服强度。压铸合金强度的提高来源于两方面：一是晶粒细化，二是第二相的细化和体积百分比的增加。此外，压铸件表面的细晶层对于压铸件合金的强度有至关重要的作用。对压铸镁合金的流动性的研究表明，与重力铸造工艺类似，压铸工艺中合金的流动依然可以划分为过热流动和零过热流动两个阶段。与重力铸造相比

7、，压铸工艺中的临界凝固分数较高，而浇注温度较低，这导致了合金在压铸工艺中第二阶段的流动长度(￡m，．卸、)占流动总长度的百分率要比重力铸造工艺中的高很多。蠕变激活能和应力指数的计算表明，重力铸造Mg-5A1．0．1Sr合金和Mg-5A1-1Sr合金的拉伸蠕变机制是不同的。重力铸造Mg．5A1．0．1Sr合金在175"C低应力(<70MPa)是位错攀移控制蠕变稳态速率，在70MPa低温(<175℃)下晶界扩散伴随的晶界滑移是主要的蠕变机制。而重力铸造Mg-5AI．1Sr合金在低温(<175"C)和低应力(<

8、70MPa)下的蠕变由晶界附近的组织稳定性及其蠕变析出的Mgl7All2相的形成和生长控制。Mg．5A1．1Sr合金中存在颗粒(例如At,S0的强化作用是其与Mg．5A1-0．1Sr合金具有不同的拉伸蠕变机制的主要原因。对Mg-A1．Sr合金的高温拉伸蠕变断裂行为的研究表明，晶界滑移和分解切应力是AM50蠕变空洞形核和生长的驱动力，而约束扩散生长机制是Mg-5A1—1Sr镁合金的空洞生长机制。合金蠕变断裂行为的不同主要由晶界上