变形Mg-4Zn-xY合金组织性能研究及应用探索

发布时间：2018-11-21 12:13

【摘要】：为了提高变形镁合金的性能,本文研究了合金成分、Zn/Y比、热挤压与轧制变形和热处理对Mg-Zn-Y系变形镁合金的显微组织以及力学性能的影响。实验以Mg-4Zn-xY(X=1,2,3)合金为研究对象,利用普通金属型铸造制备坯料,并在450℃C条件下将直径为130mm的铸锭挤压成直径为20mm的棒材。利用光学显微镜、电子扫描显微镜、透射电子显微镜、x射线衍射分析、能谱分析等对合金的显微组织以及相组成进行观察分析；利用布氏硬度仪以及万能拉伸试验机对合金的力学性能进行检测。之后以Mg-4Zn-1Y合金为重点研究对象,将挤压态合金进一步进行直接时效处理以及多道次轧制处理,通过组织的观察以及性能的检测研究挤压变形以及时效处理前后合金组织以及力学性能的变化规律,利用第一性原理计算对MgZn2相以及Mg17Al12相进行了多种性质的计算,揭示合金的强韧化机理,为变形Mg-Zn-Y合金的实际应用提供一定的依据。通过对AZ31合金作为生物镁合金应用的研究探索,开发出了生物可降解心脏支架以及“订书钉”等,并通过体外检测结果对比证明Mg-Zn-Y合金作为生物镁合金的应用前景非常可观。实验结果表明：铸态^4g-4Zn-xY合金的组织随着Zn/Y比的减小而细化,平均晶粒尺寸由150μm减小到50gm左右,且相组成也由α-Mg、I相以及W相转变成a-Mg以及W相,第二相由多边形状、短棒状以及网状的混合结构转变成单一的连续网状结构。合金经过热挤压(挤压比为42.25)之后,晶粒都得到了明显的细化：Mg-4Zn-1Y以及Mg-4Zn-2Y合金由原始晶粒以及细小的动态再结晶晶粒组成,其合金晶粒尺寸可分别细化至5μm以及3μm左右,而ZW43合金则由细小均匀的等轴晶晶粒组成,其平均尺寸约为8μm。合金中的W相发生扭曲、变形甚至被打碎,在挤压应力的作用下重新分布；组织中I相发生了球化,减小其与Mg基体之间的割裂作用。在挤压变形过程中形成的孪晶带既有利于获得较大的变形量,又可以阻碍位错滑移,从而提高合金的拉伸力学性能。Mg-4Zn-1Y合金挤压棒材经过时效处理后,大量的针状MgZn2相从基体中弥散析出,能够进一步提高合金的力学性能。通过对MgZn2相以及Mg17Al12相的晶体结构、电子结构,弹性常数和热力学性质的计算得出MgZn2相是一种在受到外界应力时抵抗变形能力比较强,刚度较差,但塑性非常突出的强化相。MgZn2相的析出提高合金强度的同时进一步提高合金的塑性。铸态Mg-4Zn-xY合金的力学性能也由于Y元素的晶粒细化作用而有小幅度的提高,三种合金的抗拉强度分别为125.2MPa,136.6MPa以及140.3MPa。三种合金的挤压态抗拉强度分别达到254.9MPa,254.8MPa以及255.6MPa,与铸态相比分别提高了103.59%,86.53%以及82.18%。Mg-4Zn-lY合金经过时效后的硬度以及拉伸力学性能得到了进一步的提高：布氏硬度从挤压态的60.4HB进一步提高到了峰时效状态的64.5HB,同时屈服强度从180.6MPa提高到240.7MPa,抗拉强度从254.9MPa提高到330.3MPa,而合金的塑性也同时得到了进一步的提高：伸长率从17.9%进一步提高到了20.4%。 Mg-4Zn-1Y合金力学性能的提高可归结于形变强化、准晶强化、细晶强化以及第二相粒子强化综合作用的结果。Mg-4Zn-1Y合金挤压板材经过多道次轧制之后,厚度分别从28.5mm.轧到11.5mm, 15.34mm轧到5.8mm,总轧下量均为60%。轧制板材由于轧制过程中多次高温加热以及保温处理,两种轧制板材的平均晶粒尺寸也分别由挤压板材的5μm以及3μm左右长大到了约30μm以及20μm。轧制板材经过时效处理后,由于多种强化机制的共同作用,力学性能出现了小幅度的提高,厚板横截面抗拉强度为255.8MPa,伸长率为12.6%；薄板的横截面抗拉强度为278.3MPa,伸长率为16.1%。由于AZ31合金力学性能的不足,导致部分应用只能完成成型而无法正常工作。从力学性能、生物相容性以及耐腐蚀性能等方面都可以看出Mg-4Zn-1Y合金作为生物材料应用的前景非常可观。
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【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22

【参考文献】