摘要
Al-Mg系合金因其较高的抗拉强度，较低的密度以及优良的耐腐蚀性等特性而广泛应用于空天、海洋、汽车等领域。然而，高镁含量Al-Mg合金塑性较差，变形性能较低一直是该系列合金研究领域中亟待解决的关键问题。合金化是改善Al-Mg系合金组织和力学性能的有效途径，其中Sn元素是研发高性能铝合金极具潜力的合金化元素之一，可改善合金的微观组织、提高合金的力学性能，并可提高合金成形性能，有望解决高Mg含量Al-Mg合金强度不足、塑性加工困难等问题。因此，本文通过研究Sn在Al-Mg合金中的存在形式，Sn合金化对Al-Mg合金组织与性能的影响及作用机理，以期解决上述问题，为开发新型高性能Al-Mg合金提供指导。主要得到以下结论: (1)在Al-5Mg合金中添加Sn可起到晶粒细化作用，主要原因为合金凝固时，Sn偏聚于固/液界面前沿，增大了凝固时的成分过冷区域范围，从而提高形核率。同时，形成的Mg2Sn相可以抑制枝晶的生长，并抑制合金在凝固时的界面迁移，对α-Al初晶相长大起阻碍作用。 (2)Al-5Mg合金中添加质量分数为0-1的Sn元素后，Sn可与合金中的Mg元素化合，均以Mg2Sn相的形式存在。Sn元素含量为0-0.3时，Mg2Sn相的形貌主要为球状和棒状，其中小尺寸球状相平均直径分别为200nm和400nm，大尺寸球状相平均直径为2-4μm，棒状相平均长度为20μm，宽为2.5μm;Sn含量继续增加至0.4-1时，Mg2Sn相开始转变为的长条状或骨骼状，平均长度为25μm以上，主要分布于晶界处。 (3)在质量分数为0-1范围内添加Sn元素，Al-5Mg-xSn合金的强度及塑性先升高后下降，且添加量为0.3时达到峰值，合金的抗拉强度及延伸率分别为210.8MPa和25.9％，比铸态Al-5Mg合金分别提高了4.7％和30.2％，其主要原因为合金中形成了尺寸较小且可变形的Mg2Sn软质相，可起到第二相强化及阻碍裂纹扩展的作用。进一步提高Sn元素含量，合金的强度及延伸率均开始下降，主要原因为合金中生成了粗大的骨骼状Mg2Sn相，降低了强化作用。 (4)Al-Mg-Sn合金最优热处理制度为500℃下保温60h后在200℃下保温2h。热处理后的Al-5Mg-0.1Sn合金中的Mg2Sn相形貌主要为球状，平均尺寸分别为20nm、70nm及2μm且弥散分布，使合金的强度及塑性提高，抗拉强度及延伸率分别为227.8MPa和31.1％，比铸态Al-5Mg合金的抗拉强度和延伸率分别提高了13.1％和56.3％。 (5)在300℃×0.5h预热后的轧制变形过程中，Al-5Mg(-0.2Sn)合金晶粒沿轧制方向被拉长，逐渐形成纤维状晶粒。随轧制变形量的增大，未热处理轧制Al-5Mg-0.2Sn合金中的第二相发生破碎，断裂为若干形状不规则的第二相粒子;而经热处理后的Al-5Mg-0.2Sn合金中第二相表现出了较好的稳定性，平均尺寸仍保持在2μm，同时没有观察到明显的第二相被压碎断裂的现象。退火处理后，合金发生再结晶，热处理后轧制的Al-5Mg-0.2Sn合金抗拉强度及延伸率分别为275.2MPa和33％，比未热处理轧制的Al-5Mg合金的抗拉强度及延伸率分别提高了6.9％和24.5％，比未热处理轧制的Al-5Mg-0.2Sn合金的抗拉强度及延伸率分别提高了13.3％和17.9％。
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