東北大學:具有高強度和高熱穩定性的新型鎂合金!

鎂動力 分類: 科研 發布時間: 2022-05-16 09:02

導讀:高強度的Mg-Ca和/或Mg-Ce基合金已經得到了很好的發展,但這些鎂合金的熱穩定性以前很少被研究。本文研制了一種新型的Mg-0.8Ca-0.7Mn-0.2Ce合金,具有良好的熱穩定性。在300℃下退火6h后,該合金的屈服強度仍能保持在~322MPa。相關研究結果可為開發既具有超高強度又具有高熱穩定性的新型鎂變形合金提供重要指導。


作為最輕的結構金屬材料,鎂合金在汽車和航空航天等領域得到了廣泛的關注。然而,鎂合金制品的塑性有限,熱穩定性差,絕對強度低,在實際應用中仍然存在著巨大的挑戰。眾所周知,稀土元素可以提高鎂合金的強度和熱穩定性,但稀土的高價格限制了其大規模的工業應用。因此,開發新型的低稀土鎂合金具有很大的商業價值,它也表現出與傳統高稀土鎂基合金相似的強度。


鈰(Ce)和鈣(Ca)是鎂合金中的兩種重要元素,通過熱機械加工可以有效地細化晶粒,從而提高鎂合金的絕對強度。因為Ca是一種廉價的非稀土元素,Ce也是相對廉價的輕稀土元素,開發Mg-Ca和/或Mg-Ce基合金具有成本效益,最近已經開展了幾項工作。例如,有報道稱,Mg-Ca基合金經擠壓加工后可表現出約440 MPa的高屈服強度。通過添加適量的鋁和鋅元素,研制的Mg-Ca-Al-Zn合金具有良好的強度和延展性,屈服強度約為425MPa,延伸率約為11%。對于含Ce的鎂合金,最新報道的Mg-0.2Ce-0.05Al(重量百分比)稀釋合金也能表現出約365 MPa的高強度,并且發現Ce和Al原子沿位錯的溶質共分離對細小的動態再結晶(DRX)晶粒有很大貢獻。此外,錳元素在鎂合金中也有類似的晶粒細化效果。例如,有報道稱,在Mg-6Zn-0.3Ca wt%合金中添加~2 wt%的Mn,可以產生非常細化的DRX晶粒,平均尺寸僅為~1.3μm。在Mg基體中形成大量細小的α-Mn沉淀可以有效地抑制擠壓過程中DRX晶粒的生長。據報道,在Mg-Ce-Mn三元合金中,α-Mn顆粒可以沿著Mg12Ce相動態共沉淀,這有助于進一步提高晶界運動阻力,并導致高強度。


在此,東北大學材料科學與工程學院的Hucheng Pan等人在Mg-0.8Ca-0.2Ce-xMn wt%基變形合金中設計了約0.4 wt%和約0.7 wt%的兩種Mn元素成分,目的是闡明添加Mn在抑制Mg-Ca-Ce基合金中DRX晶粒生長中的作用。結果制備出了一種具有優異熱穩定性的新型Mg-0.8Ca-0.7Mn-0.2Ce wt%合金。在300℃下退火6h后,該合金的屈服強度仍能保持在~322MPa。相關研究成果以題“Development of Mg-Ca-Mn-Ce wrought alloy with both high strength and high thermal stability”發表在材料頂刊Materials Characterization上。

鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580322002042

本文研究了擠壓態和退火態Mg-0.8Ca-xMn-0.2Ce(x=0.4,0.7)wt%合金的微觀結構和力學性能,它們被命名為XME04和XME07。由于高比例的變形晶粒和高密度的殘余位錯,在擠壓態XME04樣品中可以獲得約428 MPa的超高強度。在擠壓態XME07合金中添加高錳可以促進動態再結晶,并誘導更多的納米沉淀。在XME07合金中,更多的納米Mn析出物可以有效地阻止擠壓過程中的晶粒生長,并有助于細化晶粒。結果表明,與XME04合金相比,XME07合金的熱穩定性更高,原因是納米相析出更多、晶粒更細、殘余位錯密度更低。

擠壓態和退火態XME04和XME07合金的拉伸工程應力-應變曲線如圖1所示。可以看出,隨著退火時間的增加,擠壓態XME04合金的強度顯著降低,而塑性顯著提高。擠壓態XME04合金顯示約428 MPa的高抗拉屈服強度和約2.0%的有限斷裂伸長率。在300°C下退火6小時后,抗拉屈服強度降低至約292 MPa,而斷裂伸長率增加至約13.5%。

圖1 擠壓態和退火態(a)XME04和(b)XME07樣品的工程應力-應變曲線。

圖2 (a,d,g,j)擠壓態XME04合金,(b,e,h,k)退火態XME04-1合金和(c,f,i,l)退火態XME04-6合金的能帶對比度圖(BC)、逆極圖(IPF)、核平均取向差圖(KAM)和極圖(PF)。結果分別包括BC(a,b,c),IPF(d,e,f),KAM(g,h,i)和PF圖(j,k,l)。

圖3 (a,d,g,j)擠壓態XME07合金,(b,e,h,k)退火態XME07-1合金和(c,f,i,l)退火態XME07-6合金的BC,IPF,KAM和PF。這些圖像分別包括BC(a、b、c)、IPF(d、e、f)、KAM(g、h、i)和PF地圖(j、k、l)。

圖4 a,b)擠壓態XME04合金中沉淀的典型亮場TEM圖像,(c-g)STEM圖像和(h)EDS圖譜。

圖5 退火態XME04–6合金的典型亮場TEM圖像。

圖6 (a,b)擠壓態XME07合金中沉淀的典型亮場TEM圖像,(c)STEM圖像和(d,e)EDS圖譜。

圖7 (a,b)退火態XME07–6合金的典型亮場TEM圖像和(c,d)STEM圖像。

在這項工作中,研究了兩種不同Mn含量的擠壓Mg-Ca-Ce基合金在退火過程中的微觀結構和力學性能演變,主要結論總結如下:

(1) XME04和XME07合金均表現出典型的雙峰晶粒結構,納米沉淀包括α-Mn、Mg12Ce和Mg2Ca顆粒。在XME07合金中,高錳的加入可以促進動態再結晶,并誘導更多的納米沉淀。

(2) XME04合金顯示出超高強度,抗拉屈服強度為~428 MPa,遠高于XME07合金中~370 MPa的強度。更明顯的織構硬化和殘余位錯強化應該是超高強度的主要原因。相應地,XME04試樣的延展性比XME07試樣差。

(3) 在XME07合金中,更多的納米Mn析出物可以有效地阻止擠壓過程中的晶粒生長,并有助于細化晶粒。結果表明,與XME04合金相比,XME07合金的α-Mn相析出更多,晶粒更細,殘余位錯密度更低,這說明了XME07合金具有更高的熱穩定性。

來源:?材料學網 網易材料學網

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