Mg-Zn-Zr-Yb合金热变形行为和微观组织演化研究

发布时间：2020-05-18 06:38

【摘要】：镁合金由于具有较高的比强度、比刚度以及良好的综合性能,作为轻量化的结构材料正成为汽车、航空、军工等领域的焦点。但塑性和室温强度欠佳,极大地阻碍了镁合金的广泛应用。稀土元素合金化是镁合金改性最常用的方法之一。本课题基于ZK60镁合金,通过添加微量重稀土元素Yb进行合金改性,力争获得综合力学性能和可成形性能的全面提升。针对Yb和Zr元素偏析严重,合金性能波动的难题,系统研究了均匀化热处理工艺参数对试验合金微观组织和力学性能的影响,探索得到了具有较高工艺稳定性的热处理方案。随后基于高质量均匀化锭坯开展热模拟实验,构建试验合金高温本构模型和热加工图,首次发现“低温高应变速率”这一 ZK系镁合金独特的安全可加工参数区域。进一步解析合金高温热变形特征,分析动态再结晶行为并建立试验合金再结晶模型,获得了动态再结晶临界应变和峰值应力等特征参量。最后,依据热加工图和高温变形特征设计等温挤压试验,验证材料的最佳热加工区域,并对比分析最优热变形条件下挤压态合金的综合力学性能。本文的研究内容如下:对Mg-5.8Zn-0.5Zr-1.0Yb铸态合金进行均匀化处理,解析均匀化过程微观组织演变特征,获得较优的均匀化热处理制度。研究发现,铸态合金组织中呈现出典型的枝晶偏析,未溶解的Zr单质聚集在晶粒内部,新生成的MgxZn5Yb三元金属间化合物主要分布在晶界处。经过380℃C×12h的均匀化处理后,残留相面积百分数从5.54%下降到0.59%,达到最大显微硬度67.81 HV,枝晶偏析消失,连续的网状残留相基本回溶于基体中,含Yb的三元相以完整的小颗粒形态保留在组织结构中,此时内部组织为均匀的等轴晶粒,平均晶粒尺寸为31.46μm。结合微观组织结构和力学性能的综合对比,确定该合金的最佳均匀化热处理参数为退火时间380 ℃和保温时间12 h。对均匀化处理后的Mg-5.8Zn-0.5Zr-1.0Yb合金进行等温热压缩实验。实验变形温度为250-400℃,应变速率为0.001-1 s-1。通过绘制真应力-应变曲线发现,峰值应力和峰值应变随热加工温度的减小或应变速率的增大而增加,说明低温或高应变速率都不利于动态再结晶的产生。依据应力应变数据拟合得到合金高温本构方程为:(?)= 3.328 × 1011[sinh(0.018σ)]3.670exp(-158495/RT)基于动态材料理论绘制热加工图发现,Mg-5.8Zn-0.5Zr-1.0Yb合金的失稳区域主要发生在应变速率0.01-1 s-1温度300 ℃以下的低温区域和应变速率0.1-1 s-1温度380 ℃以上的高温区域。结合热加工图和微观组织状态确定热加工较优的参数范围为:(1)T=290-340℃,ε=0.1-1s-1;(2)T=330-400℃,ε=0.001-0.1s-1。基于热模拟实验变形特征的分析发现,变形温度相对应变速率对动态再结晶的影响更为显著。在热加工过程中,再结晶的平均尺寸随温度的升高或应变速率的降低呈增大的趋势。对合金动态再结晶形成机制的解析发现,在290-340 ℃℃,0.1-1s-1的可加工范围内,合金以孪生诱发的动态再结晶为主,而在330-400℃℃,0.001-0.1 s-1的可加工范围内,连续动态再结晶机制占主导。最后确定了不同变形条件下合金发生动态再结晶的临界条件。依据热加工图的理论预测,进一步开展等温热挤压试验对最佳热加工参数区域进行验证。试验发现,挤压后大量MgxZn5Yb三元相弥散分布于晶界处,该高温稳定相在热挤压过程中可有效抑制再结晶晶粒长大,促使晶粒细化。挤压态合金晶粒均匀细小,330 ℃和380℃挤压态试样的平均晶粒尺寸分别为7.34 μm和13.82μm。对比试样铸态、均匀态和两个挤压态的室温拉伸性能发现,抗拉强度分别为184、246、301和303 MPa,延伸率分别为6.4、10.3、20.2和19.6%。试验合金在获得了较优热加工性能的同时综合力学性能有效提升。试验结果与热加工图的预测一致。
【图文】：

可加工区域,热变形

图 1-1 ZK60-RE 的热变形可加工区域图Figure 1-1 The hot workability region of ZK60-RE种重稀土元素，共晶温度为 773 K，在镁中的最大溶合金中有效固溶强化的元素之一[57]。近年来，由于的机械性能，因此 Yb 被认为是最有希望用于合金[58-60]提出稀土 Yb 可以有效细化镁合金组织，且合明显的提高，并提出在凝固过程中的晶界处存在一元相在挤压的过程中被破坏成具有高密度和均匀性着挤压方向呈现在基体中，这是导致拉伸和屈服强ov 等人[61]研究了 Mg-3.3Yb 合金在 150-225°C 时效效后机械性能与微观组织演变之间的关系。Xu 等元素对 Mg-5.5Zn-0.6Zr 合金显微组织和拉伸性能的加剂可以明显改善树枝状结构和提高力学性能。然网状形态的共晶相，，Nd 和 Yb 的组合添加对晶粒Zhang 等人[63]提出 ZK10 合金中加入微量 Yb 可以

形貌,箱式电阻炉

图 2-2 箱式电阻炉Figure 2-2 Box-type resistance furnace热处理实验是采用实验室型号为 SR×2-12-12 的箱温度误差为 2 oC，如图 2-2 所示。对 Mg-5.8Zn-析(DSC)，得到残留相的共晶温度，详见图 3-3(b含有 Yb 的沉淀化合物，揭示新的 Mg-Zn-Yb 三元，均匀化退火温度应高于 Mg-Zn 二元相的共晶温析相的影响，依据此确定均匀化处理可行的温度区进行机加工，车除外皮，切割为 Φ12 mm×10 mm设置均匀化退火温度为 340、360、380、400、420量值；在选定最佳退火温度之后，设置保温时间分，每隔 4 h 取一个变量值，确定最佳保温时间；试样，以保留高温微观组织。通过不同均匀化参数下合粒尺寸、残余共晶相的形貌和分布状态、残余共晶氏硬度等指标，综合评价均匀化效果来确定最佳退
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】