Mg-Sm系多元合金微观组织、力学性能、蠕变性能和变形行为研究

发布时间：2020-06-03 00:58

【摘要】：作为一种新型轻质的金属结构材料,在倡导节能减排的时代大背景下,镁合金被越来越多的应用在汽车、航空航天、电子科技等领域。镁合金耐热性能差是限制镁合金应用的一个重大难题。在镁合金中添加稀土元素能有效提高镁合金的耐热性能。钐(Sm)是一种价格相对低廉的稀土元素,在Mg中的最大溶解度为5.8wt.%,Mg-Sm系合金是稀土镁合金中研究较少的一个体系。因此本文以Mg-Sm系为前提,设计并研究了几种多元Mg-Sm系合金,希望能够获取低成本、中高耐热性能的稀土镁合金。本文内容可以划分为三个部分:(I)美国研发的耐热镁合金体系中,EZ33(Mg-3.5wt.%RE-3.0wt.%Zn-1wt.%Zr)合金是一种应用成熟的合金。然而该合金中的RE元素是以Nd为主的混合稀土,价格昂贵,在一定程度上限制了该系合金的应用。此外,Zr元素是Mg-RE合金中常用的晶粒细化剂,由于价格昂贵,且利用率低,是限制稀土镁合金应用的另一个因素。研究表明Al加入Mg-RE合金后能形成Al2RE相,这种相和Mg基体具有较好的共格关系,并且原子间距错配度和晶面间距错配度较低,是合金凝固过程中有效的异质形核核心,具有细化晶粒的作用。因此本文用Sm替代EZ33合金中的Nd元素,并用1wt.%Al和0.3wt.%Mn替代原合金体系中的Zr元素,设计了Mg-4Sm-Al-0.3Mn-x Zn(x=0,1,2,3,4wt.%)合金,并研究了其微观组织和力学性能。其中铸态Mg-4Sm-Al-0.3Mn-Zn合金的力学性能最佳,室温下拉伸屈服强度为106MPa,只略低于T5态的EZ33合金(110MPa);挤压态合金中,Mg-4Sm-Al-0.3Mn-2Zn合金具有最佳的力学性能,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为269MPa,298MPa和16.7%。在本文所研究的Mg-4Sm-Al合金系中发现了一种奇异的、从未被报道过的Mg-Sm-Al三元相。这种相在铸态组织中出现,固溶后不但没有回溶,反而大量析出。这是一种基面析出相,呈长条形,长1~10μm,宽20~50nm。研究结果表明:(1)这种相含有Mg、Sm、Al三种元素,形成条件是:镁为主要元素,Al和Sm两种元素的原子比为1.4~1.9,实际的范围会略大于这个范围,但是不会超过0.93~2.8;(2)这种相晶体结构为六方结构,其中a=0.556nm,与镁基体的位向关系为[01-10]Mg-Sm-Al||[-2110]Mg,(0001)Mg-Sm-Al||(0001)Mg。Mg-Sm-Al三元相在经过510°C/8h固溶处理,和200°C/64h时效处理后晶体结构保持不变。在镁合金中同时添加轻重稀土元素,会对镁合金产生明显的强化作用,但是重稀土元素资源储量低,且价格高,因此本文在Mg-4Sm-Al-0.3Mn-Zn合金中添加1wt.%Gd元素,探讨少量重稀土元素添加对合金组织性能的影响,结果表明1wt.%Gd元素的添加能显著提高合金的时效硬化效果,并能提高铸态和挤压态Mg-4Sm-Al-0.3Mn-Zn合金的力学性能。(II)本课题组曾研究了Mg-4Sm-0.5Zr-x Zn(x=0,1,2,3,4)合金,来替代价格昂贵的EZ33合金,研究表明挤压态Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr合金具有最佳的力学性能。本文在此基础上,在Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr合金中添加少量的Gd元素(0.5wt.%Gd、1.0 wt.%Gd和1.5wt.%Gd),来探讨少量重稀土元素添加对铸态和挤压态Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr合金微观组织和力学性能的影响。实验结果表明:(1)Gd的添加可以起到一定的细化晶粒的作用,随着Gd含量的增加,合金的晶粒尺寸依次为39μm、33μm、29μm;(2)铸态Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr-1.5Gd合金力学性能最佳,室温下屈服强度为176MPa,明显超过了EZ33合金(110MPa)。(3)挤压态Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr-1.5Gd合金具有最佳的室温力学性能,室温下屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为255MPa、334MPa、23.2%。选取力学性能最佳的Mg-4Sm-4Zn-0.5Zr-1.5Gd合金进行热等温压缩实验,获取合金的热变形流变应力应变曲线,并进行本构方程计算。求得合金热变形的本构方程为:(?)其中,(?)。(III)本课题组之前设计研究了稀土总含量接近的两种合金Mg-4.3Sm-3.6Nd-Zr和Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr。后者在经过T6处理(525o C/8h+200o C/16h)后具有良好的耐热性能,该合金在300o C拉伸时,抗拉强度达到了213MPa,延伸率为8.6%。与同稀土含量的Mg-4.3Sm-3.6Nd-Zr的合金相比,其耐热性能显著提高。前期工作中,对于该合金的耐热机理并未深入研究,因此本文对该合金的耐热机理进行了系统研究和讨论,并对峰值时效态的Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金的蠕变性能进行了测试和分析。以此耐热机理为基础,本文设计了等稀土含量的Mg-4Sm-4Gd-Zn-Zr合金,并对该合金的微观组织和力学性能进行了研究,以此来验证这种耐热机制的普遍适用性。研究表明T6态Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金中包含三种类型的“析出相”:(i)沿基面析出的γ相(FCC,a=0.72nm);(ii)沿柱面析出的β′相(体心正交结构,a=0.642 nm,b=3.334 nm,c=0.521 nm);(iii)沿“锥面”分布的Zn Zr相,Zn Zr相在固溶处理时大量形成,其中一部分不沿镁基体基面分布,也不沿柱面分布,可以看做是沿镁基体“锥面”分布的相。这种合金的耐热机制可以归纳为:不同类型的“析出相”在高温下能同时抑制合金的基面滑移、柱面滑移和锥面滑移。对T6态Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金高温拉伸蠕变行为研究表明温度和应力都是影响合金蠕变行为的重要因素。在200o C/60MPa条件下,稳态蠕变速率为1.134E-10s-1,低于T6态的WE43合金,说明该合金的耐蠕变性能与商用WE43合金相当。在175o C/60-100MPa条件下蠕变时,应力指数n=2.7,认为该条件下合金的蠕变机制以晶界滑移为主;合金在200-225oC/60-100MPa条件下蠕变时,应力指数处于3-7之间,该条件下合金的蠕变机制以位错滑移为主。T6态Mg-4Sm-4Gd-Zn-Zr合金呈现出良好的高温力学性能,300o C时,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为158MPa、191MPa、7.1%,其屈服强度要高于T6态Mg-3.9Sm-3Nd-1.2Gd-Zn-Zr合金。微观组织分析证明T6态Mg-4Sm-4Gd-Zn-Zr也包含三种位于镁基体基面、柱面和“锥面”上的“析出相”。说明本文所提出的镁合金耐热机制具有一定的适用性,值得进一步研究和推广。
【图文】：

晶向,晶胞,晶面,层错

图 1.1 镁晶胞中的主要晶面和晶向[22]g.1.1 Main crystal surface and crystal orientation in magnesium crystal cell在实际晶体中，，原子并非总是按照理想方式来排列，有时候会出现错排，在某个位层错。层错的形成会导致系统能量增加，单位面积层错所增加的能量成为层错能。层不同时相应的层错能也会存在差异[23]。当温度低于 498K 时，镁的主要滑移

元素周期表,合金元素

图 1.2 元素周期表中各元素的电负性值[27]Fig.1.2 Electronegativity of each element in the periodic table[27]表 1.3 合金元素对镁合金的影响Table 1.3 Influence of alloying elements on magnesium alloys
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】