新型高强非稀土Mg-Sn-Ca合金的强化机制研究

It has been more and more important to develop low-cost, Rare-Earth free Mg alloys with high strength for their large-scale industrial applications. Recently, high-strength, RE-free Mg-2Ca-2Sn wt.% alloy with yield strength of 409 MPa and ultimate strength of 460 MPa at room temperature were developed. The special nano-scale strip contrasts in high density and ultra-fine Mg matrix in sub-micron were observed. This project continues to identify the fine microstructure and strengthening mechanisms. Formation mechanism of the nano-scale strip contrasts and their effect on dynamic recrystallization behavior of the Mg matrix would be investigated. The dislocation pile-ups and movements in front of the nano-scale strip contrasts and Mg2Ca phased during tensile deformation of the as-extruded Mg alloy would be studied, to reveal the yielding mechanism of alloy controlled by strengthening phases. The effect of grain size and initial texture of Mg matrix on yielding behavior would be discussed, to reveal the influencing effect of deformation processing on Hall-Petch parameters and also the grain refinement strengthening mechanism. Combing with optimization of extrusion processes, the relationships between deformation processing, microstructures and mechanical properties of Mg-Sn-Ca alloys would be established, to provide theoretical basis of designing newly high-strength RE-free Mg alloys.

开发出低成本、不含稀土元素的高强镁合金对于其大规模的工业化应用愈显重要。根据申请人近期发现的高强非稀土Mg-Sn-Ca (Sn+Ca<4wt.%)变形合金（室温屈服强度～409MPa，抗拉强度～460MPa）、其独特的高密度纳米片层组织以及明显细化的亚微米Mg基体，本项目将继续对精细结构进行表征并明确其高强化的机理。系统地研究纳米片层组织的形成机理及其对Mg基体再结晶行为的影响，研究挤压态合金拉伸变形过程中位错在纳米片层组织及Mg2Ca等纳米第二相前端的塞积和迁移行为，以期阐明强化相控制合金屈服机制；探讨Mg基体晶粒大小及初始织构对屈服行为的影响，揭示变形机制的改变对Hall-Petch参数的作用规律，阐明-Mg基体的细晶强化机制；并结合挤压工艺优化，构建Mg-Sn-Ca合金的变形工艺-组织结构-力学性能之间的构效关系，为设计新型的高强非稀土类镁合金提供理论依据。

镁合金由于其密度低和比强度高等优点，在交通运输、航空航天及电子等领域具有广阔的应用前景。传统镁合金的力学性能较差，而高强度的镁-稀土合金的成本较高，无法大规模民用；如何低成本地制备出高强韧兼备的变形镁合金材料，是本领域的瓶颈问题。本文基于Mg-Ca系合金的成分设计及挤压工艺优化，得到以下主要成果：.（1）低合金含量的Mg-1.0 wt.% Ca二元合金经挤压变形后表现出极高的强度，其中X1-380合金的抗拉强度为449 MPa，延伸率为4.1%。组织分析表明，Ca元素可以有效诱导高密度位错，并产生显著的晶粒细化效果。高密度的位错、亚晶片层结构、细小的动态再结晶晶粒以及弥散的Mg2Ca纳米相均有利于合金强度的提高。此外，弥散分布的Mg2Ca纳米相能阻碍位错的回复，抑制再结晶晶粒的长大，从而使该合金具备较高的热稳定性。.（2）在Mg-Ca二元合金的基础上添加了少量的Mn、Al，制备了Mg-Ca-Al（XM10）合金及Mg-Ca-Mn（XA11）合金，这两种合金具有较高的强度（抗拉强度>400 MPa）。组织分析表明，Mn、Al元素均能促进动态再结晶的发生，弱化形变织构，降低位错密度，因此合金强度有所下降。对于XM10合金，弥散分布的Mg2Ca相及纳米Mn单质颗粒能够显著阻碍动态再结晶晶粒的长大，从而获得了超细晶粒组织；此外，它们还能够有效地抑制退火过程中静态再结晶晶粒的长大，使XM10合金具备极高的热稳定性。.（3）基于多元合金化的策略，制备出了高强度的Mg-1.0Ca-1.0Al-0.3Zn-0.1Mn (wt.%)合金，其中XAZM1100-300合金的抗拉强度为444 MPa，延伸率为10.7%，综合力学性能优良。组织分析表明，该体系合金的力学性能与动态再结晶的程度有关。由于Ca、Al等元素的添加，该体系合金在本征上容易启动非基面的可动滑移，但当挤压温度较低时，残余位错密度高，新产生的可动位错在残余位错的阻碍作用下容易发生分解，且为“连锁”反应，造成不可动位错的塞积，急剧恶化合金的塑性；当挤压温度较高时，残余位错密度低，同时形成了高密度的亚晶片层，这些均有利于可动位错的运动和增殖，从而有效保证了合金的强塑性。