挤压态Mg-Sn-Si-Sr合金组织、性能及其蠕变行为研究

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镁合金因其密度小,比强度、比刚度高等优点可以作为耐热部件而广泛的应用于汽车与航空航天领域。这些部件通常工作于温度120-200℃、应力35-70MPa的环境之中。针对以上需求,本文以力学性能良好的Mg-5%Sn系合金为基础,加入合金化元素Si、Sr,设计了Mg-Sn-Si-Sr系耐热合金,并对合金进行了热挤压以提高其综合力学性能。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)分析了合金的相组成与显微组织,利用万能试验机和布氏硬度计测试了合金的力学性能,使用扫描电镜(SEM)分析合金断口形貌,并进行了蠕变试验,主要结论如下:挤压态Mg-5Sn-xSi-2Sr(x=1,2)合金组织由α-Mg相、Mg2Si相、Mg2Sn相及MgSnSr相组成。Sr元素的存在起到了细化Mg2Si相的作用,这些细小的Mg2Si相阻碍了位错运动,提高了合金的力学性能。随着Si含量的增加,Mg2Si相增多而MgSnSr相减少。合金经过热挤压后,力学性能显著提高,这是因为合金在热挤压过程中发生了动态再结晶,晶粒得到了细化。合金经过T4处理后由于固溶强化作用远小于退火软化作用,致使合金力学性能的下降。而T6处理时,晶粒尺寸的长大使得合金力学性能的提高受到了限制。经T5处理后,在晶界处析出大量的Mg2Si、Mg2Sn强化相,合金的力学性能最好。挤压态Mg-5Sn-2Si-2Sr合金经过T5(时效200℃×12h)处理后具有最佳的力学性能。室温时的抗拉强度、屈服强度、延伸率及布氏硬度分别为257MPa、211MPa、12.5%及65.2HB;而在150℃时的高温抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为149MPa、108MPa、15.9%。可见,挤压态Mg-Sn-Si-Sr系合金宜采用T5热处理工艺。挤压态Mg-Sn-Si-Sr系合金的蠕变性能同时受到温度和应力的影响。当温度高于180℃、应力大于60MPa时,挤压态Mg-5Sn-xSi-2Sr(x=1,2)合金稳态蠕变速率显著增加,蠕变寿命大幅度下降,蠕变性能急剧恶化。经过T5(时效200℃×12h)热处理后的挤压态Mg-5Sn-2Si-2Sr合金具有最佳的蠕变性能,这是因为位错攀移的阻力随Si含量的增加而增加,T5热处理后弥散析出Mg2Si、Mg2Sn强化相颗粒具有抑制晶界滑移和钉扎位错的作用。在温度150℃-180℃、应力40-60MPa条件下,挤压态Mg-Sn-Si-Sr合金的蠕变机制主要受位错攀移所控制。挤压态Mg-5Sn-xSi-2Sr(x=1,2)合金的蠕变激活能分别为90.534kJ/mol、96.896kJ/mol,应力指数分别为5.86、5.69。经过T5(时效200℃×12h)热处理后,合金的蠕变激活能分别为103.314kJ/mol、118.619kJ/mol,应力指数分别为5.55、5.46。
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